王文濤,王 念

(寶武環(huán)科武漢金屬資源有限責(zé)任公司,武漢 430080)

隨著商品混凝土的發(fā)展,混凝土行業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)活性摻合料如礦渣粉、粉煤灰的需求日益增加,而市場(chǎng)上的礦渣粉、粉煤灰品質(zhì)良莠不齊,資源逐漸匱乏,限制了其在混凝土中的進(jìn)一步應(yīng)用,因此迫切需要尋求一種能夠取代礦渣粉或者粉煤灰的礦物摻合料。我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一,鋼渣是鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的一種主要工業(yè)固體廢棄物。但是68%左右的鋼渣未得到有效利用,鋼渣的堆積不僅占用了大量的土地資源,且給周圍生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)[1]。

目前,大量的學(xué)者已經(jīng)證實(shí)了鋼渣微粉回收再利用于水泥、混凝土、瀝青混合料等領(lǐng)域的可行性。鋼渣微粉中的化學(xué)成分和水泥熟料中的相類似,含有大量的C2S、C3S等硅酸鹽礦物和少量的鋁酸鹽(C3A)以及鐵鋁酸鹽(C4AF),這些類似于水泥中的礦物成分,具有一定的水化反應(yīng)能力。將鋼渣進(jìn)行磨細(xì)加工作為礦物摻合料,取代部分粉煤灰用于混凝土中,不僅能降低混凝土的生產(chǎn)成本,還能緩解鋼渣堆積所帶來(lái)的環(huán)境問題。由于鋼渣微粉生產(chǎn)工藝不同,不同企業(yè)之間生產(chǎn)的鋼渣微粉質(zhì)量不同,因此鋼渣微粉的深層次開發(fā)利用需要進(jìn)一步的探討[2-4]。

實(shí)驗(yàn)采用寶武環(huán)科武漢金屬資源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的鋼渣微粉,通過(guò)鋼渣微粉取代粉煤灰制備C30、C50兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,探尋鋼渣粉取代粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響,以實(shí)現(xiàn)鋼渣微粉在混凝土中的資源化利用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO 42.5水泥;粉煤灰:鄂州電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰;礦粉:武漢武新新型建材股份有限公司生產(chǎn)的S95礦粉;鋼渣微粉:寶武環(huán)科武漢金屬資源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)鋼渣微粉,比表面積為432 m2/kg。各膠凝材料的化學(xué)組成如表1所示。細(xì)骨料:細(xì)度模數(shù)為2.1的細(xì)砂和2.6的粗砂。粗骨料:5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石。減水劑:武漢凌博科技發(fā)展有限公司生產(chǎn),減水率為25%,固含量為16%。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成 w/%

1.2 測(cè)試方法

為了探究鋼渣微粉取代粉煤灰后混凝土的機(jī)械性能及耐久性能,混凝土的制備、養(yǎng)護(hù)、抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試均按照GB/T50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,立方體試塊的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,長(zhǎng)方體試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定四種混凝土的抗裂性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍融循環(huán)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼渣微粉取代粉煤灰對(duì)混凝土新拌性能及力學(xué)性能的影響

2.1.1 工作性能

鋼渣微粉混凝土的配合比及工作性能如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,在強(qiáng)度等級(jí)為C30 的混凝土中,鋼渣粉取代粉煤灰后,混凝土的容重略微增加,坍落度減小,漿體包裹性變差,混凝土的工作性能變差;在強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土中,鋼渣粉取代粉煤灰后,混凝土的坍落度與基準(zhǔn)組相比略微下降,但仍具有良好的漿體流動(dòng)性。其原因可能是與粉煤灰相比,鋼渣粉的表觀密度較大,鋼渣粉取代粉煤灰后,漿體的體積變小,在膠凝材料相對(duì)較少的低等級(jí)混凝土中,漿體包裹性變差,保水性變差,坍落度降低;在膠凝材料相對(duì)較多的高等級(jí)混凝土中,漿體粘度改善,拌合物流動(dòng)性增加,坍落度增高。因此,采用鋼渣粉取代粉煤灰配制低強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r,需適當(dāng)提高砂率,以保證拌合物的和易性。

表2 鋼渣微粉混凝土配合比與工作性能

2.1.2 力學(xué)性能

在C30、C50兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中采用鋼渣微粉取代粉煤灰,測(cè)試硬化混凝土的7 d、28 d和60 d的力學(xué)強(qiáng)度,探究鋼渣微粉取代粉煤灰的可行性,試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。鋼渣微粉混凝土7 d抗壓強(qiáng)度雖略低于空白組,但仍滿足設(shè)計(jì)要求,且按混凝土驗(yàn)收的28 d抗壓強(qiáng)度來(lái)看,較空白組均有小幅度提升。鋼渣微粉中的活性組分是其化學(xué)成分中由CaO-SiO2-Al2O3組成的C3S、C2S及鐵鋁酸鹽等礦物,可作為一種潛在活性的膠凝材料。高堿度鋼渣中含有與硅酸鹽水泥相似的C3S、C2S,兩者含量在50%以上,在堿激發(fā)狀態(tài)同樣具有水化反應(yīng)并生成水化硅酸鹽(C-S-H)的能力,進(jìn)一步提高了混凝土的強(qiáng)度。鋼渣微粉混凝土60 d的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相比相差不大,磨細(xì)的鋼渣微粉可以有效降低混凝土后期不均勻膨脹而導(dǎo)致強(qiáng)度倒縮的風(fēng)險(xiǎn)[5,6]。

2.2 鋼渣微粉取代粉煤灰對(duì)混凝土耐久性能的影響

2.2.1 早期抗裂性能

C30、C50鋼渣微粉混凝土的抗裂性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,摻有鋼渣微粉摻合料的混凝土的單位總開裂面積均小于基準(zhǔn)混凝土的開裂面積,C30SS、C50SS單位總開裂面積分別降低了38 mm2/m2、160 mm2/m2,初裂時(shí)間也明顯晚于基準(zhǔn)組,平均延長(zhǎng)了25%以上。這主要是由于利用鋼渣微粉取代粉煤灰后,延長(zhǎng)水化時(shí)間,能夠起到降低混凝土水化熱的作用,減小了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于收縮產(chǎn)生的應(yīng)力,因此增強(qiáng)了混凝土的抗裂性能[7]。

2.2.2 抗氯離子滲透及抗碳化性能

混凝土的孔結(jié)構(gòu)、形狀、孔隙率對(duì)混凝土抗氯離子滲透性有重要影響。表3給出了磨細(xì)鋼渣微粉取代粉煤灰后混凝土28 d齡期的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,與基準(zhǔn)混凝土相比,鋼渣對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能有一定的改善作用,C30SS、C50SS兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土平均氯離子遷移系數(shù)分別降低了14.9%、7.1%。一方面,由于鋼渣的加入使得混凝土孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,孔隙率降低,毛細(xì)孔隙得到細(xì)化,密實(shí)度提高,降低了氯離子的擴(kuò)散系數(shù);另一方面,由于鋼渣自身具有一定活性,發(fā)生水化時(shí)對(duì)混凝土體系膠凝材料水化產(chǎn)物有一定的改善作用,同時(shí)鋼渣的加入減少了水泥的用量間接增大了水灰比,使水泥的水化環(huán)境得到優(yōu)化,吸附氯離子的能力增強(qiáng),從而提高了混凝土的抗氯離子滲透性。

鋼渣微粉混凝土抗碳化試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明,鋼渣微粉取代粉煤灰后,混凝土7 d時(shí)碳化深度雖略高于空白組,但此后碳化深度的增長(zhǎng)幅度較低,在28 d時(shí),其碳化深度已經(jīng)低于空白組。這可能是由于鋼渣屬于高鈣的輔助性膠凝材料,其氧化鈣含量遠(yuǎn)高于粉煤灰,鋼渣微粉的堿度較高,有效地減緩了混凝土的碳化進(jìn)程,對(duì)混凝土的耐久性提升起到了一定的促進(jìn)作用[8,9]。

表3 C30、C50混凝土氯離子遷移系數(shù)

表4 C30、C50混凝土碳化深度

2.2.3 抗凍融循環(huán)性能

一般而言,混凝土結(jié)構(gòu)越密實(shí),強(qiáng)度越高,孔隙越小,水分難以滲透混凝土,抗凍性越強(qiáng)。從圖3中200次凍融的質(zhì)量損失可以看出:沒有摻加引氣劑的情況下,鋼渣微粉混凝土的抗凍融性很好。在這4組混凝土中,C30混凝土在150次循環(huán)后質(zhì)量損失在5%以上,C50混凝土經(jīng)歷了200次循環(huán)后,質(zhì)量損失仍在5%以下,鋼渣微粉混凝土明顯優(yōu)于基準(zhǔn)組。使用鋼渣微粉取代粉煤灰后,鋼渣微粉顆粒比表面積較大,細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中,成為大量水化物沉積的核心。隨著水化齡期的延長(zhǎng),這些細(xì)微顆粒及其水化產(chǎn)物填充在水泥石與界面過(guò)渡區(qū)的空隙中,使界面結(jié)構(gòu)得到改善,材料結(jié)構(gòu)更為致密,阻斷可能形成的滲透通路。隨著水泥水化的進(jìn)行,鋼渣微粉將與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)。在水化后期,隨著水泥石毛細(xì)孔中水分的消耗,混凝土內(nèi)部濕度降低將使骨料中的水分逐步釋放出來(lái),對(duì)界面層的水泥石起到養(yǎng)護(hù)作用[6,8]。此外,在水分不能進(jìn)入混凝土內(nèi)部的情況下,混凝土內(nèi)可凍結(jié)的水分十分缺乏,因此,在凍融交替的條件下,混凝土的抗凍性也得到大幅度提高[9,10]。

3 結(jié) 論

a.與粉煤灰相比,鋼渣粉的表觀密度較大,鋼渣粉取代粉煤灰后,漿體的體積變小,在膠凝材料相對(duì)較少的低等級(jí)混凝土中,漿體包裹性變差。采用鋼渣粉取代粉煤灰配制低強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r,需適當(dāng)提高砂率,以保證拌合物的和易性。

b.鋼渣微粉混凝土7 d抗壓強(qiáng)度雖略低于空白組,但仍滿足設(shè)計(jì)要求,且按混凝土驗(yàn)收的28 d抗壓強(qiáng)度來(lái)看,較空白組約有2%～9%的小幅度提升,鋼渣微粉混凝土60 d的抗壓強(qiáng)度與空白組相比相差不大,具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度穩(wěn)定性。

c.鋼渣微粉可以有效提高混凝土的早期抗裂性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍融循環(huán)性能,其中C30SS、C50SS兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土平均氯離子遷移系數(shù)分別降低了14.9%、7.1%?；炷量沽研阅芴嵘茸顬轱@著,單位總開裂面積分別降低了38 mm2/m2、160 mm2/m2,初裂時(shí)間延長(zhǎng)了25%以上。