钢渣-磨细粉煤灰复合矿物掺合料对混凝土性能的影响.pdf
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2 0 1 5年 第 5 期 (总 第 3 0 7 期) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 5 ( T o ta l No . 3 0 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM J NI CL E d o i : 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 2 - 3 5 5 0 . 2 0 1 5 . 0 5 . 0 2 1 钢渣 一磨 细粉煤灰 复合矿物掺合料对混凝 土性 能的影 响 王醅 ,王强 , 杨 建伟 ,王栋 民 ( 1 . 中国矿业大学( 北京)化学与环境工程学院, 北京 1 0 0 0 8 3 ; 2 . 清华大学 土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室, 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要: 为了提高钢渣作为矿物掺合料在混凝土中的利用率 , 研究了掺入磨细粉煤灰对钢渣混凝土性能的改善效果。 研究结果 表明: 在高水胶比情况下, 复合矿物掺合料混凝土抗压强度明显高于钢渣混凝土, 可以接近纯水泥混凝土 ; 磨细粉煤灰含量较 高 时( 4 0 %) 后期抗渗透性能优于纯水泥混凝土。 在低水胶比情况下, 磨细粉煤灰含量较低时( 3 0 %) 抗压强度可以接近纯水泥混凝 土, 含量较高时( 4 0 %) 抗压强度超过纯水泥混凝土; 混凝土的后期抗渗透性能优于纯水泥混凝土 。 关键词 : 钢渣 ; 磨细粉煤灰 ; 抗压强度 ; 渗透性 中图分类号: T U 5 2 8 . 0 4 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) o 5 — 0 0 7 9 — 0 4 I n f l u e n c e o f s t e e l s l a g - s u p e r f i n e f l y a s h c omp o s i t e mi n e r a l a d mi x t u r e o11 t h e p r o pe r t ie s o f c o n c r e t e WANG Z h e , WANG O J ang , YA u ~G] i a n we i , WANG Do n g mi n ( 1 . S c h o o l o f C h e m i c a l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g , C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi nin g a n d T e c h n o l o g y ( B e i j i n g ) , B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a ; 2 . Ke y L a b o r a t o r y o f Ci v i l E n g i n e e ri n g S a f e ty a n d Du r a b i l i ty o f C h i n a E d u c a ti o n M i n i s t r y, D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g , T s i n g h u a U n i v e r s i t y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 4 , C h i n a ) Abs t r ac t: The i mp r ov i n g e f f e c t o f a d d i n g s u p e r f i n e fl y a s h on t he p r op e r t i e s o f t h e c on c r e t e c o n t a i n i ng s t e e l s l a g wa s i nv e s ti g a t e d i n o r — d e r t o e n ha n c e t h e u ti l i z a tio n r a tio o f s t e e l s l a g a s the mi n e r a l a d mi x t u r e i n c o n c r e t e . Th e r e s u l t s s h o w t h a t i n t he c a s e of h i g h wa t e r b i n d e r r a t i o, th e c o m p r e s s i ve s t r e n g t h o f t he c o n c r e t e c o n t a i n i n g c o mpl e x b i n d e r i s m u c h h i g he r th a n t h a t o f t h e c o n c r e t e c o n mi n i n g s t e e l s l a g an d e v e n c l o s e t O tha t o f the pu r e c e me n t c o n c r e t e . e l o n g—t e r m c h l o rid e p e r m e a b i l i t y o f t h e c o nc r e t e c o n t a i n i n g c o mp l e x b i n de r wi th hi g h s u pe r fin e fly a s h c o n t e n t i s l o we r t o tha t o f the pu r e c e me n t c o n c r e t e . I n the c a s e o f l o w wa t e r b i n de r r a ti o, t h e c o mp r e s s i v e s t r e ng t h o f t h e c o n c r e t e c o ntai n i n g c o mp l e x b i n d e r wi t l 1 l o w s u p e r f i n e fly a s h c o n t e n t i s c l o s e t o t ha t o f the p u r e c e me n t c on c r e t e. a n d t h e c o mp r e s s i v e s ~e ng t h o f the c o n c r e t e c o n t a i n i n g c o mp l e x b i n d e r wi th hi g h s u pe r f i n e fly a s h c o n t e n t i s h i g h e r than t h a t o f t h e p u r e c e — me n t c o n c r e t e, and the l o n g—t e r m c h l o rid e p e rm e a bi l i t y o f the c o n c r e t e c o n t a i n i n g c o mp l e x b i n d e r i s l o we r t h a n t ha t o f the p u r e c e me n t c oncr et e. K e y wo r d s: s t e e l s l a g ; s u p e r fi n e fl y a s h; c o mp r e s s i v e s g e n g th; p e r me a b i l i ty 0 引 言 随着我国经济 和混凝土技术 的发展 , 自2 0 0 7年起我 国混凝土生产总量就稳居世界第一 J , 预拌混凝土产量 更是以每年超过 2 0 %的增长率快 速增长 , 2 0 1 3年超 过 l 1 亿 t 。 但水泥生产会 消耗大量 的自然资源和能源 , 还会造 成粉尘污染以及排放 C O 、 C O、 N O 等气体。 在 现代混凝 土技术 中以工业废渣 为主的矿物掺合料 已成 为混凝 土不 可缺少的组成材料。 矿物掺合料的加入在节约混凝土行业 水泥用量的同时还可改善混凝土的一些性能 。 钢渣是炼钢过程排出的废渣, 主要由钙、 铁、 硅、 镁和 少量铝 、 锰 、 磷等 的氧化 物组成 , 主要 的矿 物相 为 R O 相 ( C a O— F e O— Mg O— Mn O固溶体) 、 硅酸三钙 、 硅酸二钙 、 铁铝酸钙等 。 钢渣 的某些矿物相组成和硅酸盐水泥熟料 收稿 日期: 2 0 1 4 — 1 0 — 1 4 基金项 目: 国家 自 然科学基金资助项目( 5 1 2 7 8 2 7 7 ) 相近 , 但钢渣的加入却对混凝土的某些性能有着不利的影 响。 这主要是因为钢渣在形成过程 中冷却速度较慢 , 导致 晶体较完整的发育 , 造成钢渣活性较低 ; 并且不 同于硅灰 、 粉煤灰水化会消耗水 泥水化生成 的 c a ( O H) , 钢渣在水 化过程中生成 C a ( O H) , 而 C a ( O H) 是造成混凝 土体 系过渡区疏松多孑 L 的重要原 因之一 , 因此钢渣 的加入无法 起到改善界面过渡区的效果。 所以掺入钢渣往往会降低混 凝土强度 、 抗氯离子渗透性能等 - -, 。 粉煤灰是煤燃烧后的烟气 中收捕下来 的细灰 , 是 目前 使用量最大的矿物掺合料之一。 粉煤灰对混凝土宏观性能 有很多有利的影响, 包括改善新拌浆体和易性、 降低水化 热 、 减 少 干 燥 收 缩 、 提 高 后 期 强 度 、 加 强 后 期 耐 久 性 等 。 磨 细粉煤灰是将 原状粉煤 灰进一 步粉磨制 成 的 一 种材料 , 经过粉磨 可以使粉煤灰 的颗粒破碎 , 并释放 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 复珠 中大量 的细小玻璃微珠。 与原状粉煤灰相 比, 磨 细粉 煤灰早期活性高、 早期强度高、 干缩率减小 、 可 以更好的改 善耐久性 。 本试验研究了钢渣 一 磨 细粉煤灰 复合矿物掺合料 对 混凝土强度、 抗氯离子渗透性 的影 响规律 , 探索通 过磨 细 粉煤灰与钢渣 的复配使用 , 较少钢渣对混凝 土强 度、 耐久 性的不利影响的可能性。 1 原材料与试验方法 试验用水泥为硅酸盐 水泥 , 强度等级 为 P I 4 2 . 5 ; 钢 渣为磨细转炉钢渣粉; 磨细粉煤灰是通过将 I I 级粉煤灰磨 细获得。 水泥、 钢渣和磨细粉煤灰的 比表面积分别为 3 4 1 、 4 5 3 、 6 2 1 m / k g 。 混凝土的细骨料为粒径小于5 l i l l l t 普通河 砂 , 细度模数为 2 . 7 ; 混凝土的粗骨料为粒径 5 - 2 5 m n l 的 连续级配的石灰石 ; 减水剂为高性能聚羧酸减水剂 。 水泥、 钢渣和粉煤灰的化学组分如表 1 所示 。 表 1 水泥、 钢渣和粉煤灰的化学组分 组成 C a O S i O 2 A 1 2 O 3 F e 2 O 3 Mg O Mn O 水 泥 6 3 . 8 3 2 1 . 5 6 4 . 4 J 4 2 . 7 8 2.3 2 2 . 5 7 钢 渣 3 8 . 6 2 1 5 . 4 5 5 . 3 7 2 5 . 4 9 7.6 8 1 . 9 4 磨细粉煤灰2 . 8 6 5 3 . 3 3 2 7 . 6 5 6 . 0 4 1 . 3 5 一 % SO 3. 1 4 O. 1 8 0. 4 5 设计了 2组水胶 比, 分别为 0 . 5 0和 0 . 3 0 。 设计 了 2种 矿物掺合料的掺量 , 分别为 2 0 %和 3 5 %。 设计 了 2种钢渣 与磨细粉煤灰 的混合 比例, 分别为 7 : 3和 3 : 2 , 即磨细粉煤 灰在复合矿物掺合料 中的比例分别为 3 0 %和 4 0 %。 水胶 比 为 0 . 5 0和 0 . 3 0时 , 混凝 土的配合 比分别如表 2和表 3所 示 。 表2水胶比0 . 5 0时混凝土的配合比 成型了 1 0 c m 1 0 c m 1 0 c m 的混凝土试件 , 在标准 养护室内养护至测试龄期。 测定了混凝 土的 7 、 2 8 、 9 0 d抗 压强度。 根据 A S T M C 1 2 0 2的方 法测 定 了混 凝 土的 2 8 、 80 9 0 d 氯离子渗透性 。 2结果与讨论 2 . 1 抗 压 强度 水胶比为 0 . 5 、 矿物掺合料掺量 3 5 %时不同矿物掺合 料对混凝土抗压强度的影 响差异如图 1 所示 。 7 d龄期时 , 随磨细粉煤灰掺量增加, 混凝土抗压强度略有增长; 磨细 粉煤灰含量 4 0 %时强度最高, 但低于纯水泥混凝土。 2 8 d 龄期时, 随磨细粉煤灰掺量增加 , 混凝土抗压 强度增长较 7 d龄期明显 , 磨细粉煤灰含量 4 0 %时强度仍低于纯水泥 混凝土 。 9 0 d龄期时 , 磨细粉煤灰 的加入使混凝土抗压强 度有较 明显增长 , 但仍不及纯水泥混凝土。 7 : 1 。 O 28 龄期 , d 图 1 水胶比为 0 . 5 、 矿物掺合料掺量 3 5 % 时矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 水胶 比为 0 . 5 、 矿物掺合料掺量 2 0 %时不 同矿物掺合 料对混凝土抗压强度的影 响差异如图 2所示 。 7 、 2 8 d龄期 时 , 随磨细粉煤灰在矿物掺合料 中含量 的增 加 , 混凝土抗 压强度略有增长 ; 磨 细粉煤灰含量 4 0 %时, 复合 矿物掺合 料混凝土的抗压强度依 旧低于同龄期纯水泥混凝土。 9 0 d 龄期时, 加入 3 0 % 磨细粉煤灰可以明显提高复合矿物掺合 料混凝土的抗压强度 , 使复合矿物掺合料混凝土的抗 压强 度接近纯水泥混凝土 , 但 随磨 细粉煤 灰含量 的继续增 加 , 抗压强度增长不明显。 6 7 。 0 萋 : l 。 O 28 9 0 龄期 , d 图 2水股 比为 0 . 5、 矿 物掺 合料掺 量 2 O %时 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 综合图 I 、 2可知, 在高水胶比情况下, 所有龄期钢渣 混凝土 的强度都明显低于纯水泥混凝土。 在矿物掺合料 中 掺入 3 0 %的磨细粉煤灰能够使各龄期混凝土 的抗压强度 ( 尤其是后期强度) 有较大的增长; 但磨细粉煤灰的含量继 续增大, 提高强度的效果不明显。 水胶 比为 0 . 3 、 矿物掺合料掺量 3 5 %时不同矿物掺合 料对混凝土抗压强度 的影响差异如图 3所示 。 当磨细粉煤 灰在复合矿物掺合料中含量为 3 0 %时 , 复合矿物掺合料混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 凝土的各龄期抗压强度均 明显高于钢渣混凝土。 7 、 2 8 d 龄 期时 , 各组矿物掺合料对混凝土抗压强度均低 于纯水 泥混 凝土 , 当 9 0 d 龄期 、 磨细粉煤灰含量 4 0 %时, 混凝土抗压强 度与纯水泥混凝土差距很小 。 水胶 比为 0 . 3 、 矿物掺合料掺量 2 0 %时不 同矿物掺合 料对混凝土抗压强度 的影 响差异如 图 4所示。 2 8 d龄期 、 磨细粉煤灰含量 3 0 %时, 混凝土抗压强度略高于纯水 泥混 凝土 ; 磨细粉煤灰含量 4 0 %时 , 混凝 土抗压强度 高于纯水 泥混凝 土抗压强度 。 9 0 d龄期磨 细粉煤灰含 量 3 0 %时, 混 凝土抗压强度接近纯水泥混凝土 ; 磨细粉煤灰含量4 0 %时 , 混凝土抗压强度高于纯水泥混凝土 。 综合 图 3 、 4可知 , 在低水胶 比情况下 , 掺人磨 细粉煤 灰可以明显改善钢渣混凝土的力学性能 , 矿物掺合料掺量 3 5 %、 磨细粉煤灰含量 4 0 % 时强度接近纯水泥混凝土 , 矿物 掺合料掺量 2 0 %、 磨细粉煤灰含量 3 0 %和 4 0 %时强度接近 甚至超过纯水泥混凝土。 2 8 9 0 龄期 / d 图3 水胶比为 0 . 3 、 矿物掺合料掺量3 5 %时 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 28 9 O 龄期 / d 图 4水 胶 比为 0. 3 、 矿物 掺合 料掺 量 2 0 %时 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 根据抗压强度的结果可以看 出, 含磨 细粉煤灰 的矿物 掺合料对混凝 土 的 9 0 d抗 压强 度 的贡献 大 于对 7 d和 2 8 d抗压强度的贡献 , 这主要是 因为 随着 龄期的增长 , 磨 细粉煤灰参与火 山灰反应的程度越高, 生成的 C — S — H凝胶 量越多 , 对 C a ( O H) : 的消耗越 多。 此外 , 在低水胶 比的情 况下 , 在钢渣 中掺入磨细粉煤灰对混凝 土抗压强度提高的 效果更好 , 这说 明钢渣 一 磨细粉煤灰复合矿物掺合料更适 于在高强混凝土中应用, 这可能是因为在低水胶 比条件 下 , 磨细粉煤灰 因消耗 C a ( O H) : 而对过渡 区的改善效果 更明显 。 2 . 2氯 离子渗透性 根据 A S T M C 1 2 0 2规定 , 将混凝土渗透性等级按照混 凝土的电通量大于 4 0 0 0 、 2 0 0 0 ~ 4 0 0 0 、 1 0 0 0 ~ 2 0 0 0 C、 小 于 1 0 0 0 C分别划分 为 “ 高” 、 “ 中” 、 “ 低 ” 、 “ 很低” 。 虽然 同等级内的电通量存在差异, 但只要混凝土渗透性处于一 个等级 , 就认为其渗透性相 同。 水胶 比为 0 . 5 、 矿物掺合料 掺量 3 5 %时各 组 的渗 透性 等级如表 4所示。 纯水泥混凝 土 2 8 、 9 0 d渗透性等级均为 “ 中” , 钢渣混凝土 2 8 、 9 0 d 渗透性 等级相 同均 比纯水泥混 凝土高一级 。 复合矿 物掺 合料混凝土 的 2 8 d渗透性 等级 均 比纯水泥混凝土高 一级 ; 9 0 d龄期时 , 磨细粉煤灰 含量 为 3 0 %的复合矿物掺合料混凝土抗渗透性等级 比 2 8 d龄 期低一级 , 与纯水泥混凝土相同 ; 9 0 d 龄期时 , 磨细粉煤灰 含量为 4 0 %的复合 矿 物掺合 料 混凝 土抗 渗 透性 等 级 比 2 8 d龄期低两级 , 比纯水泥混凝土低一个等级 。 水胶 比为 0 . 5 、 矿物掺合料 掺量 2 0 %时各 组 的渗透性 等级如表 5所示。 钢渣混凝 土 2 8 d渗透性等 级 比纯水 泥 混凝土高一级 ; 9 0 d渗透性等级比 2 8 d 低 一级 , 与纯水 泥 混凝土相 同; 磨 细粉煤灰 的含量为 3 0 %的复合矿物掺合料 混凝土各龄期渗透性等级与纯水 泥混凝土相同 ; 磨细粉煤 灰 的含量为 4 0 %的复合矿物掺合料混凝土 2 8 d渗透性 等 级与纯水泥混凝土相 同 ; 9 0 d渗透性等 级 比 2 8 d龄期低 一 级 , 也 比纯水 泥混凝土低一级。 由表 4 、 5可知 , 龄期为 2 8 d , 矿物掺合料掺量较低 时 , 磨细粉煤灰的加入能够使混凝土 的渗 透性 等级降低到 与 纯水泥混凝土相 同; 矿物掺合料掺量较 高时, 磨 细粉煤灰 的加入并没有很好的降低渗透性 , 渗透性等级依旧高于纯 水泥混凝土。 龄期为 9 0 d时 , 磨细粉煤灰 的加入可以很好 的降低渗透性 , 含磨细粉煤灰含量 3 0 %的复合 矿物掺合料 混凝土渗透性就能够达到与纯水泥混凝土相同等级; 含磨 细粉煤灰 4 0 %的复合矿物掺合料混凝土 , 渗透性 等级 比纯 水泥混凝土低一个等级。 表 4 水胶比为 0 . 5 、 矿物掺合料掺量 3 5 %时 矿物掺合料对混凝土渗透性的影响 表 5 水胶比为 0 . 5 、 矿物掺合料掺量 2 0 %时 矿物掺合料对混凝土渗透性的影响 水胶 比为 0 . 3 、 矿物 掺合料 掺量 3 5 %时各组 的渗透性 等级如表 6 所示 。 纯水泥混凝土 2 8、 9 0 d渗透性等级均为 “ 低” 。 钢渣混凝 土 2 8 d渗透性 比纯水 泥混凝土 高两级 ; 9 0 d渗透性等级 比 2 8 d龄期低一 级 , 比纯水泥混凝 土高 一 级。 两组复合矿物掺合料混凝土渗透性能一致 , 2 8 d渗 81 ∞ 如 ∞ ∞ 如 们 如加 0 日 鲁苣 慧目 ∞ 鲫 加 ∞ 如∞ 如 加 0 d d I 隈幽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 透性等级比纯水泥混凝土高一级 ; 9 0 d渗透性等级 比 2 8 d 龄期低两级 , 比纯水泥混凝土低一级。 表 6 水胶比为 0 . 3 、 矿物掺合料掺量3 5 %时 矿物掺合料对混凝土渗透性的影响 水胶比为0 . 3 、 矿物掺合料掺量 2 0 %时各组的渗透性 等级如表 7所示 。 钢渣混凝土 2 8 、 9 0 d渗透性等级相 同 , 均 比纯水泥混凝土高一级; 复合矿物掺合料混凝土 的渗透 性能与表 6相同。 2 8 d渗透性 等级 比纯水 泥混凝土 高一 级 ; 9 0 d渗透性等级 比2 8 d龄期低两级 , 比纯水泥混凝土 低一级。 表 7 水胶 比为 0 .3 、 矿物掺合料掺量 2 0 %时 矿物掺合料对混凝土渗透性的影响 由表 6 、 7可知, 在钢渣 中加入磨细粉煤灰对混凝土 的 9 0 d抗氯离子渗透性 的改善效果更 明显。 磨细粉煤灰 的含 量从 3 0 %增加到 4 0 %对 复合 矿物掺合料混凝 土的渗透性 影响不大。 从渗透性数据来看 , 钢渣 的加入会 明显提高混凝土 的 渗透性。 加入磨细粉煤灰可以使掺钢渣的混凝土获得理想 的抗渗透性能 , 尤其是后期抗渗透性能。 在低水胶 比情 况 下磨细粉煤灰改善掺钢渣混凝土抗渗透性能 的效果更 加 明显。 粉煤灰的火 山灰反应能够消耗 C a ( O H) , 改善混凝 土的过渡区, 并改善混凝土 的孔结构。 因此 , 粉煤灰 的反应 程度越高, 对混凝土抗氯离子渗透性的贡献越大。 磨细粉 煤灰采用机械粉磨 的方法使粉煤灰 的颗粒破碎 , 火 山灰活 性增强 , 因此 , 磨细粉煤灰的反应活性远高于普通粉煤灰 。 随着龄期 的增长 , 磨细粉煤灰在混凝土 中的火 山灰反应对 改善混凝土的孔结构有明显的作 用。 此外 , 由于磨细粉煤 灰的颗粒较小 , 未反应的粉煤灰颗粒能够在混凝土中起到 良好 的微集料填充效果。 因而, 在钢渣 中掺入磨细粉煤灰 对改善混凝土的抗氯离子渗透性有明显的效果。 3 结 论 通过在钢渣中掺入磨细粉煤灰 , 将钢渣 一 磨细粉煤灰 复合矿物掺合料混凝土 的抗压强度 和氯离 子渗透 性与纯 水泥混凝土、 钢渣混凝土做对比, 探索磨细粉煤灰对钢渣 性能的改善效果 。 得 出以下结论 : ( 1 ) 在高水胶 比情况下 , 随着磨细粉煤灰的含量增加 , 8 2 混凝土强度提高。 在矿物掺合料掺量较少 时强度可 以接近 纯水泥混凝土。 加入磨细粉煤灰可以使钢渣混凝土获得 良 好的抗渗透性能 , 磨细粉煤灰含量较高时后期抗渗透性能 优于纯水泥混凝土。 ( 2 ) 在低水胶比情况下, 磨细粉煤灰可以明显改善钢 渣混凝土的力学性能 , 在磨细粉煤灰含量较低时强度 就可 以接近纯水泥混凝 土 , 含量较 高时 强度超 过纯水 泥混凝 土。 掺入磨细粉煤灰对钢渣混凝土 2 8 d抗渗 透性能有一 定的改善作用, 对9 0 d 抗渗透性能改善效果明显, 可使抗 渗透性能优于纯水泥混凝土。 参考文献: [ 1 ]阎培渝. 现代混凝土的特点[ J ] . 混凝土, 2 0 0 9 ( 1 ) : 3— 5 . 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