□□ 周 紅 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

混凝土裂縫是影響混凝土結(jié)構(gòu)安全的重要因素，收縮裂縫在工程結(jié)構(gòu)中最為常見，有研究認(rèn)為自收縮與溫度收縮是引起混凝土早期開裂的主要原因[1]，有關(guān)溫度控制防止混凝土裂縫的研究較多，而混凝土自生體積收縮變形研究相對(duì)較少。在恒溫絕熱條件下，僅由于混凝土內(nèi)部膠凝材料自身水化引起的體積變形，稱之為自生體積變形。一般情況下，自生體積變形會(huì)引起收縮變形。在我國水利大壩工程中，混凝土中因膠凝材料用量較大，易產(chǎn)生較大的自生體積變形，如三峽工程中利用了粉煤灰自收縮的“能量滯后釋放效應(yīng)”[2]，將粉煤灰作為摻合料摻入，混凝土早期的自身收縮會(huì)比硅酸鹽水泥低[3]。影響混凝土自收縮性的因素很多，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工因素、混凝土配合比、溫度控制、水泥性質(zhì)等[4]。本文分別從不同品種水泥、不同鋼渣粉磨細(xì)度、不同來源的鋼渣、不同的鋼渣及礦渣摻入量等方面進(jìn)行試驗(yàn)，探討鋼渣、礦渣對(duì)硅酸鹽水泥自收縮性的影響。

1 試驗(yàn)過程

1.1 原材料

試驗(yàn)所用原材料如下：

(1)硅酸鹽水泥熟料C1，來源于山西省太原市某水泥生產(chǎn)企業(yè)。

(2)三種鋼渣，分別來自太鋼(ST1)、寶鋼(ST2)、首鋼河北(ST3)。

(3)礦渣/礦渣微粉來自太原鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司(S1)。

(4)二水石膏，來自山西某石膏礦(G1)。

各種原料的化學(xué)成分見表1。

表1 原料的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)水泥的制備過程

(1)硅酸鹽水泥(熟料∶石膏=95%∶5%)：由水泥企業(yè)實(shí)驗(yàn)室通用Φ500 mm球磨機(jī)粉磨至比表面積為(330±10)m2/kg。

(2)礦渣微粉：太原某公司礦渣(太鋼)超細(xì)粉產(chǎn)品，比表面積為(420±10)m2/kg。

(3)鋼渣：由水泥企業(yè)實(shí)驗(yàn)室通用Φ500 mm球磨機(jī)粉磨至比表面積為(320±10)m2/kg。

三種物料按照不同試驗(yàn)配比要求混合均勻，分別測(cè)定水泥的自收縮性。

1.3 試驗(yàn)方法與儀器

水泥成型凈漿為符合GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿，成型試驗(yàn)依據(jù)GB 751—1981《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》，使用25 mm×25 mm×280 mm的三聯(lián)鋼試模、釘頭、搗棒和比長儀等設(shè)備，釘頭內(nèi)內(nèi)側(cè)之間的長度應(yīng)保證試體的有效長度為(250±2)mm。成型后放入恒溫(20±1)℃、恒濕(>90%)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，在(24±2)h內(nèi)脫模，以此時(shí)測(cè)定的試體長度為基準(zhǔn)長度l0。立即將試體放入自制的有機(jī)玻璃外套內(nèi)，用三氯甲烷將上蓋板粘在玻璃模上密封，兩端露出測(cè)試釘頭，所有與外界接觸的縫隙用融化的石蠟反復(fù)涂抹，以防試體與外界的水分交換，放入恒溫(20±2)℃、恒濕(50%～55%)的室內(nèi)，定期測(cè)量試體長度lt，各齡期的自收縮率按ε=(l0-lt)/250計(jì)算，每個(gè)配比的試驗(yàn)結(jié)果采用3個(gè)試件的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

水泥漿體的自收縮試驗(yàn)以3～6個(gè)試驗(yàn)為一組，分批、分期進(jìn)行試驗(yàn)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中持續(xù)測(cè)量了不同品種、強(qiáng)度等級(jí)的水泥400 d的體積變形情況。為了研究混合材種類、細(xì)度、比例及不同來源的鋼渣對(duì)水泥漿體自收縮性的影響，分別制備了不同配比的水泥，按照確定的方法制備試件并測(cè)試，具體的試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

2.1 三種不同水泥自收縮性的比較

為了研究礦渣、鋼渣對(duì)水泥漿體自收縮性的影響，試驗(yàn)制備了3種水泥：硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥，按照表2中比例配制水泥。

表2 三種水泥的試驗(yàn)配比

將配制的硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥成型試件，進(jìn)行自收縮率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥的自收縮率圖

從圖1可看出，硅酸鹽水泥的自收縮率無論是早期、中期、后期都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻入適量混合材的礦渣硅酸鹽水泥和鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥。研究認(rèn)為[5]，鋼渣粉、礦渣粉改善水泥、混凝土性能的機(jī)理在于其對(duì)水泥起到的“稀釋作用”，減少了早期參與水化反應(yīng)的膠凝材料的總量，從而減少了混凝土的早期收縮。雖然后期礦渣會(huì)二次水化，但混凝土已具備足夠強(qiáng)度，對(duì)收縮影響不大。

從圖1也可看出，隨著水化時(shí)間的延續(xù)，以10%的鋼渣粉代替礦渣粉的鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥的自收縮性從38 d開始要小于單摻礦渣的礦渣硅酸鹽水泥，這是鋼渣粉與礦渣粉按一定比例混摻的優(yōu)勢(shì)。研究認(rèn)為[6]，摻入鋼渣微粉較摻加粉煤灰可顯著地減少高強(qiáng)混凝土的干燥收縮，但鋼渣、礦渣復(fù)摻配比還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

2.2 不同來源鋼渣對(duì)硅酸鹽水泥自收縮性的影響

鋼渣的來源不同，其中礦物成分也將不同，研究表明不同來源鋼渣配制的水泥，其砂漿抗折抗壓強(qiáng)度也有差別。為了研究不同來源的鋼渣對(duì)水泥漿體自收縮的影響，試驗(yàn)選用的鋼渣來源于：太鋼、寶鋼、河北首鋼，試驗(yàn)用水泥的配比見表3。

表3 三種來源鋼渣的試驗(yàn)配比

按表3中配比配制水泥并成型水泥漿體試件，然后進(jìn)行自收縮性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼渣來源水泥自收縮率的影響

從圖2可看出，分別使用10%的太鋼、寶鋼、首鋼河北鋼渣與35%的礦渣配制的鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥試件的自收縮率均低于同級(jí)別的硅酸鹽水泥，主要因?yàn)殇撛乃钚赃h(yuǎn)低于硅酸鹽水泥熟料，水化初期水化速度慢，干縮變形小。三種鋼渣配制水泥的自收縮率從大到小次序?yàn)椋篏1>G3>G2。根據(jù)GB/T 20491—2006《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》中活性指數(shù)的測(cè)定方法，對(duì)三種鋼渣進(jìn)行了活性試驗(yàn)，活性強(qiáng)弱的次序?yàn)椋篠T1> ST2> ST3。從水化速率分析，自收縮從大到小的次序與活性強(qiáng)弱并不完全一致。結(jié)合三種鋼渣的化學(xué)成分分析結(jié)果：ST2鋼渣的f-CaO為4.12%，ST1鋼渣的f-CaO為2.65%，ST3鋼渣的f-CaO為1.71%。可以解釋為G3水泥中f-CaO含量高，其水化反應(yīng)微膨脹抵消了該水泥的部分自收縮。

不同來源的轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)組成[7]為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO及少量的MnO、Fe2O3、P2O5、金屬Fe，變化并不大。轉(zhuǎn)爐鋼渣的礦物組成[7]包括硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、RO(MgO、FeO和MnO的固溶體)相及少量f-CaO和鐵鋁酸鈣，不同來源的轉(zhuǎn)爐鋼渣因煉鋼的原材料和冶煉工藝不同具有不同的礦物組成與結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了鋼渣中的活性成分f-CaO含量不同，從而影響到鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥的自收縮性。

2.3 不同細(xì)度的硅酸鹽水泥、鋼渣粉對(duì)水泥自收縮性的影響

為了研究細(xì)度對(duì)水泥漿體自生收縮的影響，試驗(yàn)選用了兩種水泥配比：65%、45%總混合材摻量，鋼渣選用太鋼鋼渣，其中65%混合材摻量中礦渣占40%，鋼渣占25%，而45%混合材摻量中礦渣占35%，鋼渣占10%；兩種水泥中礦渣比表面積為420 m2/kg，保持不變，硅酸鹽水泥和鋼渣的比表面積為260 m2/kg、320 m2/kg、370 m2/kg三種，具體配制比例見表4。

表4 不同細(xì)度的鋼渣礦渣硅酸鹽水泥

按表4中的配比分別粉磨硅酸鹽水泥、礦渣、鋼渣至相應(yīng)的比表面積，配制六種水泥并制作試件，測(cè)定各個(gè)配比試件的自收縮率，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 細(xì)度對(duì)鋼渣礦渣水泥自收縮率的影響

從圖3(a)可以看出，隨著水泥、鋼渣比表面積的增大，水泥的自收縮性逐漸增大，水泥的自收縮性從10 d開始明顯的變大。有研究表明[8]，硅酸鹽水泥比表面積對(duì)干縮影響很大，該規(guī)律同樣適用于鋼渣粉。究其原因：一方面是隨著硅酸鹽水泥熟料、鋼渣粉比表面積的增大，<5 μm顆粒含量增多，水化生成細(xì)小的水化硅酸鈣凝膠，增加了吸附水分；另一方面水泥越細(xì)，水化速度越快，在干燥初期形成更多易收縮的水化硅酸鈣凝膠。隨著鋼渣比表面積的增大，其水化速度加快，水化程度也越完全，吸附水多，自收縮率也就越大。

從圖3(a)還可看出，鋼渣、礦渣總摻量在65%時(shí)不同比表面積水泥自收縮率變化規(guī)律為：B3>B2>B1，這與比表面積值由小到大變化規(guī)律一致。B3后期的自收縮率明顯趨于穩(wěn)定，因?yàn)楸缺砻娣e大的水泥水化快，而B1的自收縮率還有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)楸缺砻娣e小的水泥水化滯后，隨著水化的進(jìn)行，自收縮也在繼續(xù)。如圖3(b)鋼渣、礦渣總摻量45%時(shí)也表現(xiàn)出相同的規(guī)律：B6>B5>B4。

2.4 不同鋼渣/礦渣摻入比例

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)32.5和42.5，選用兩種摻量的混合材：65%、45%摻量，具體的試驗(yàn)配比見表5。

表5 鋼渣礦渣總摻量為45%、65%的水泥配比

將四種不同配比按規(guī)定方法制成水泥試件，測(cè)定一定齡期的自收縮率，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼渣礦渣比例對(duì)水泥自收縮率的影響

圖4(a)為D1和D2鋼渣礦渣混合材摻量總和為65%的水泥漿試件自收縮率在370 d內(nèi)的變化圖。在37 d之前D1(鋼渣為30%)自收縮率小于D2(鋼渣為20%)，這是因?yàn)殇撛z凝活性低于礦渣，水化速度較礦渣緩慢所引起的，D1早期水化反應(yīng)因鋼渣摻量較D2高，水化程度較慢，所以自收縮率相對(duì)較小。37 d之后，D1自收縮率明顯高于D2，這是因?yàn)樗笃阡撛坶_始水化的孔隙率及孔徑均低于礦渣粉水化，由毛細(xì)管失水引起的收縮應(yīng)力相對(duì)較高[5]，故鋼渣摻入量大的D1引起自收縮率偏大。

圖4(b)為鋼渣礦渣混合材摻量總和為45%的水泥漿試件自收縮率在370 d內(nèi)的變化圖。可以看出，D3(鋼渣為10%)的自收縮率在370 d齡期內(nèi)一直比D4(鋼渣為15%)要高，研究認(rèn)為[9]：鋼渣化學(xué)組成中f-CaO和方鎂石在水化過程中產(chǎn)生膨脹，D3和D4水泥中混合材摻量較低，由鋼渣中f-CaO的水化產(chǎn)生膨脹，抵消了部分因鋼渣礦渣硅酸鹽水泥水化引起的自身收縮，隨著鋼渣摻入量的增加(由10%到15%)，抵消的自收縮逐漸增大，所以D3的自身收縮率高于D4，這與鋼渣礦渣摻量總和65%時(shí)結(jié)果相反。

比較圖4(a)、(b)發(fā)現(xiàn)，摻45%混合材時(shí)水泥漿體的自收率明顯小于混合材摻量總和65%時(shí)，即隨著鋼渣、礦渣混合摻入量的增大，水泥的自收縮率變大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，摻鋼渣礦渣的水泥漿體自收縮主要發(fā)生在200 d以內(nèi)，這個(gè)階段為快速收縮期，之后為慢速收縮期或稱為準(zhǔn)穩(wěn)定期。

3 結(jié)論

3.1 鋼渣、礦渣按一定比例摻入硅酸鹽水泥中，不同品種水泥自收縮率的變化規(guī)律是：硅酸鹽水泥>礦渣硅酸鹽水泥>鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥。

3.2 不同來源的鋼渣摻入水泥中，其自收縮率的大小主要取決于鋼渣的水化活性與鋼渣中f-CaO的含量，水化活性大自收縮率大，f-CaO的水化膨脹抵消了鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥水化過程中的部分自收縮。

3.3 隨著硅酸鹽水泥、鋼渣比表面積的增加，相應(yīng)水泥的自收縮率明顯增加

3.4 當(dāng)鋼渣與礦渣復(fù)摻總量在65%時(shí)，早期(37 d前)D1(鋼渣為30%)自收縮率小于D2(鋼渣為20%)，后期(37 d后)D1自收縮率高于D2。當(dāng)鋼渣與礦渣復(fù)摻總量在45%時(shí)，D3(鋼渣為10%)的自收縮率大于D4(鋼渣為15%)。