鋼渣基膠凝材料的化學(xué)減縮及其對(duì)混凝土早期開裂性能響

1、鋼渣基膠凝材料的化學(xué)減縮及其對(duì)混凝土早期開裂性能的影響1實(shí)踐目的鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)晶。全球每年生產(chǎn)數(shù)億噸鋼渣，其中大部分被堆積 起來，只冇少部分被堆積起來，利用率較低。同時(shí)廢棄鋼渣不僅占用大量土地資源， 還會(huì)造成環(huán)境污染。因此對(duì)鋼渣的綜合利用途徑已經(jīng)成為急需解決的問題。冃前，鋼 渣的綜合利用途徑主要有建筑、回填、煉鋼，作為水泥或混凝十摻合料等。鋼渣礦物 組成主要是硅酸三鈣(c2s)、硅酸二鈣(c3s)、鐵鋁酸鹽(c4af)和少量的方鎂石(mgo) 以及游離氧化鈣，鋼渣的化學(xué)成分主要有cao、sio?、fe2o3> mgo,此外還有少量 a12o3> mn02、p2o5等，可

2、見鋼渣礦物化學(xué)組成與硅酸鹽水泥熟料相似。鋼渣經(jīng)化學(xué) 激發(fā)和機(jī)械激發(fā)后均具有較強(qiáng)的水硬膠凝性，具備用作水泥混合材和混凝土摻合料的 基礎(chǔ)條件。木次綜合實(shí)踐通過對(duì)鋼渣的基木物性的分析，了解其礦物組成及化學(xué)成分。利用 鋼渣單摻及其摻量或與粉煤灰復(fù)摻研究對(duì)水泥或混凝土性能的影響，來確定單摻鋼渣 摻量、鋼渣與粉煤灰復(fù)摻摻量對(duì)鋼渣水泥早期化學(xué)減縮、混凝土坍落度、早期抗裂性、 失水率等的影響規(guī)律。從而提高鋼渣資源的回收利用和減少其對(duì)環(huán)境的污染。2實(shí)踐內(nèi)容在本次實(shí)驗(yàn)屮，基于基準(zhǔn)混凝土，以不同摻量的鋼渣、鋼渣與粉煤灰1:1比例復(fù) 摻對(duì)水泥的化學(xué)減縮影響，以單摻鋼渣、鋼渣與粉煤灰復(fù)摻制成混凝土，與基準(zhǔn)混凝 土形成對(duì)

3、照組，配合比見表1。并對(duì)對(duì)照組進(jìn)行失水率試驗(yàn)、抗裂性試驗(yàn)，來確定單 摻鋼渣摻量、鋼渣與粉煤灰復(fù)摻對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律。表1混凝土配合比編號(hào)水泥鋼渣粉煤灰砂/kg/m3石了/kg/m3水/kg/m3摻量/%質(zhì)量/kg/m3摻量/%質(zhì)量/ kg/m3摻量/%質(zhì)量/ kg/m3co1003570000cg1702503015701577431070180cgf270250157&5157&5注：co表示基準(zhǔn)混凝土，cg1表示單摻鋼渣30%的混凝土，cgf2表示鋼渣與粉煤灰復(fù)摻(下同)。3試驗(yàn)原料及化學(xué)試劑水泥：本試驗(yàn)所用的水泥是由蘇州市第一建筑公式捉供的天山po42.5水泥。其礦物

4、分析如圖k砂：木試驗(yàn)所用的砂是用4.75mm的篩了進(jìn)行過篩處理過，細(xì)度模數(shù)為2.52,砂 的級(jí)配在ii區(qū)，屬于中砂。篩余檢測(cè)結(jié)果見表2。表2砂的篩分表篩孔尺寸/mm篩余量倫累計(jì)篩余/g累計(jì)篩余百分率/%4.7529.629.65.982.3641.671.214.39l1850.8122.024.660.688.9210.942.630.3210.9421.885.260571.349399.68底盤1.6494.7100合計(jì)494.7494.7100右：本試驗(yàn)所用的右子進(jìn)過篩余試驗(yàn)后級(jí)配良好，右子的篩分表如表3。表3石子的篩分農(nóng)篩孔尺寸/mm篩余量/g累計(jì)篩余/g累計(jì)篩余百分率/%301.5

5、51.54515.45253.805.3553.5202.447.79577.95151.689.4794.7100.519.97599.7550.0210100合計(jì)1010100鋼渣：使用李氏瓶測(cè)得密度為3.06g/cm3 ,用勃式透氣測(cè)得比表面積為423.5cm2/g,用fc6型數(shù)顯式水泥游離氧化鈣快速測(cè)定儀測(cè)得的游離氧化鈣為2.36%的褐色粉末狀固休。其礦物分析如圖2。0102030405060702-theta-scale圖2鋼渣x射線衍射圖粉煤灰：木試驗(yàn)所用的粉煤灰為烘干標(biāo)準(zhǔn)樣?；瘜W(xué)試劑：聚竣酸減水劑，固含量為42%。4試驗(yàn)方案4.1鋼渣等摻合料水泥的化學(xué)減縮試驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)中，化學(xué)減縮

6、試驗(yàn)利用量管中的液面高度作為原始體積，以后按不同水 化齡期讀取液面高度。計(jì)算各齡期的體積減小值，用來表征該水泥的化學(xué)收縮。裝置 圖如圖32。實(shí)驗(yàn)步驟:圖3化學(xué)減縮試驗(yàn)裝置圖 稱取50g試樣放入錐形瓶，用玻璃棒攪拌使試樣分散， 并排氣泡。 再將量管插入膠塞屮，用膠塞塞緊瓶口，量管與膠塞接 觸處用凡士林密封。 用滴管通過量管向瓶?jī)?nèi)加水，使液而上升至接近量管的 最大刻度。 向量管中加一滴機(jī)油，用以封蓋水面，防止水分蒸發(fā)。 待穩(wěn)定后，即可讀取液面初始數(shù)據(jù)，再分別讀取2h、4h、6h、8h、10h、12h、24h、id、2d、3d量管的讀數(shù)，并記錄數(shù)據(jù)。4.2混凝土早期抗裂性試驗(yàn)(1) 試驗(yàn)原理：試驗(yàn)用

7、于澆注試件的鋼制模具平板，示意圖如圖4。試驗(yàn)的試件尺寸為600mm x600mmx64mm模具底部是一塊冇厚度為lcm的冇機(jī)玻璃板，其作用為防止隨著時(shí) 間推移混凝土試樣中的水分從底面蒸發(fā)損失。平板限制收縮法的基木原理是在平板試 模四邊的邊框上面分別內(nèi)設(shè)13根8mm、長(zhǎng)度為100mm的栓釘，這些栓釘?shù)闹行?軸距為40mmo當(dāng)混凝土在早期水化過程屮，會(huì)導(dǎo)致蜩性收縮，這些栓釘則阻止混凝 土試件收縮移動(dòng)，充當(dāng)裂縫誘發(fā)裝置，對(duì)被測(cè)混凝土試件周邊實(shí)施等效的開裂誘導(dǎo)， 使試件在其他試驗(yàn)條件相同的情況下快速開裂。(2) 試驗(yàn)步驟： 將按配合比設(shè)計(jì)好的原料按照順序投入混凝土攪拌機(jī)攪拌，攪拌好后進(jìn)行試件 澆注、振

8、實(shí)、抹平。 將試樣拿到室外，用塑料薄膜蓋好，2h后取下薄膜并抹面。 然后觀察裂縫，紀(jì)錄裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。 待24h后，再觀察試件裂縫數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度。紀(jì)錄裂縫的數(shù)量，測(cè)量寬度, 長(zhǎng)度。裂縫寬度w用40倍精度0.01mm的讀數(shù)顯微鏡測(cè)量，取裂縫最寬處的數(shù)值代 表該裂縫的寬度。裂縫的長(zhǎng)度以肉眼可見為準(zhǔn)，用棉紗線沿著裂縫的走向測(cè)裂縫長(zhǎng)度, 再用鋼尺測(cè)量其t度值l。試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)從混凝土攪拌加水開始計(jì)算，應(yīng)在(24±0.5) h測(cè)讀裂縫。用棉紗線 沿著裂縫的走向測(cè)裂縫長(zhǎng)度，再用鋼尺測(cè)量其長(zhǎng)度值lo當(dāng)一個(gè)刀口上有兩條裂縫時(shí), 可將兩條裂縫的長(zhǎng)度相加，折算成一條裂縫。裂縫寬度應(yīng)采用放人倍數(shù)40倍的讀數(shù)

9、 顯微鏡進(jìn)行測(cè)量，并應(yīng)測(cè)量每條裂縫的最大寬度d。平均裂縫面積、單位面積的裂縫 數(shù)目和單位面積上的總開裂面積應(yīng)根據(jù)混凝土澆筑24h測(cè)量得到裂縫數(shù)據(jù)來計(jì)算。根據(jù)24h的開裂情況，畫出混凝土開裂示意圖。根據(jù)24 h的開裂情況，計(jì)算下列 3個(gè)參數(shù)：1裂縫的平均裂開面積按公式(1)計(jì)算：1 na v dj x lj( mm2 / 根)2" , (1)2.單位而積的開裂裂縫數(shù)目按公式(2)計(jì)算:3單位面積上的總裂開面積按（3）式計(jì)算：c = axb（mm2 /m2）（3）式屮di第i根裂縫的最大寬度，mm；li一笫i根裂縫的長(zhǎng)度，mm；n總裂縫數(shù)目，根；a平板的面積0.36m2o1'縹栓

10、(0 10*100mn)1t剖面圖圖4平板試驗(yàn)圖4.3混凝土失水率試驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)屮，關(guān)于失水率的測(cè)定是利用混凝土失水后質(zhì)量變化的原理測(cè)定的，模 具尺寸為24.5cmx24.5cmx5cm,試樣與平板試樣同時(shí)成型。成型后試樣質(zhì)量m。， 為保持試樣的一致性，成型后用塑料薄膜蓋好，2h后取下薄膜。分別測(cè)定2h、3h、 4h、6h、81k 101k 121k 24h 試樣的質(zhì)量。然后按式（4）計(jì)算混凝土失水率：m（） mym。式中s失水率;mo初始質(zhì)量；mtt時(shí)刻的質(zhì)量。5試驗(yàn)結(jié)果及分析5.1混凝土配合比設(shè)計(jì)及基本性能木試驗(yàn)所用進(jìn)行抗裂性試驗(yàn)時(shí)所用的混凝土配料表如表4所示。表4混凝土配料表編號(hào)水泥鋼渣粉

11、煤灰砂子/kg石子/kg水/kg聚竣 酸/%。質(zhì)量/ kg摻址/%質(zhì)量/ kg摻卅/%質(zhì)量/kg摻量/%co10.711000000cg17.50703.22300022.2932.105.401cgf27.5701.61151.6115混凝土坍落度按gb/t50080-2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試 驗(yàn)所用的混凝土進(jìn)行混凝土坍落度試驗(yàn)，記錄如表5。表5坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)編號(hào)cocgicgf2坍落度/mm1251451700021、鏗蝕客500050o cocgicgf2編號(hào)圖5混凝土坍落度試驗(yàn)示意圖圖5為混凝土坍落度試驗(yàn)示意圖，基準(zhǔn)混凝土的坍落度為125mm,單-摻鋼渣30% 的

12、混凝土的坍落度為145nmi,而復(fù)摻鋼渣與粉煤灰的混凝土的坍落度更高為170mm。 坍落度大可解釋為鋼渣的活性較低，達(dá)到可塑性所需的水量較少，用鋼渣替代部分 水泥后，復(fù)合膠凝材料的需水量小于等質(zhì)量純水泥的需水量。因此，在用水量不變 的情況下，摻入鋼渣會(huì)增加混凝士的流動(dòng)性。而復(fù)摻鋼渣與粉煤灰可使混凝土流動(dòng) 性更大，施工和易性良好。5.2鋼渣等摻合料水泥的化學(xué)減縮試驗(yàn)?zāi)敬卧囼?yàn)對(duì)基準(zhǔn)水泥試樣（不摻鋼渣與粉煤灰），鋼渣單摻摻量為10%、20%, 30%, 40%,鋼渣與粉煤灰摻量分別為為15%、15%復(fù)摻，的6個(gè)試樣進(jìn)行2h、4h、 6h、8h、10h、12h、24h、id、2d、3d的量管液而進(jìn)行測(cè)

13、量，如圖6所示，測(cè)量結(jié)呆 如表6所示，數(shù)據(jù)處理如圖7所示。圖6化學(xué)減縮試驗(yàn)實(shí)例圖收縮率/%02h4h6h8hloh12h24h48h72hcg011.7012.7714.8917.0219.1523.4036.1745.7452.13cg112.7715.9617.0219.1521.2824.4737.2345.7452.13cg213.7517.5017.5020.0023.7526.2537.5050.0057.50cg311.8315.0516.1318.2819.3522.5832.2641.9446.24cg420.0028.4233.6841.0547.3753.6873.688

14、3.1685.26cgf512.9015.0516.1318.2810.4322.5832.2643.0149.46注：c0表示基準(zhǔn)水泥，cg1表示單摻鋼渣10%, cg2表示單摻鋼渣20%, cg3表示單摻鋼 渣30%, cg4表示單摻鋼渣40%, cgf5表示鋼渣與粉煤灰復(fù)摻。由圖7可知，單摻鋼渣對(duì)鋼渣水泥的化學(xué)減縮存在一個(gè)最佳摻量值。鋼渣摻量為 10%時(shí)的化學(xué)減縮比基準(zhǔn)水泥試樣無明顯變化，鋼渣摻量達(dá)20%時(shí)可明顯減少化學(xué)減 縮，并且隨鋼渣摻量的增加化學(xué)減縮明顯減少。但當(dāng)鋼渣摻量達(dá)到40%時(shí)，鋼渣水泥 的化學(xué)減縮突然明顯增加。鋼渣與粉煤灰分別以15%摻量參加吋，效果與鋼渣單摻 20%時(shí)和當(dāng)

15、。單摻鋼渣40%時(shí),鋼渣水泥化學(xué)減縮增大的原因可能是因?yàn)樗嗨a(chǎn)生的產(chǎn)物 激發(fā)了鋼渣的活性，使得鋼渣水化，鋼渣與水泥水化產(chǎn)物充分反應(yīng)，水泥水化收縮，鋼渣水化也收縮，因而收縮值增人，化學(xué)減縮變明顯鐵單摻鋼渣30%時(shí)可為減少化 學(xué)減縮的最佳值。cg'gcgcg427o60/hinj/時(shí)圖7化學(xué)減縮試驗(yàn)示意圖5.3混凝土失水率試驗(yàn)本次試驗(yàn)是研究鋼渣及粉煤灰對(duì)混凝土水分蒸發(fā)的影響。對(duì)基準(zhǔn)水泥（不摻鋼渣 及粉煤灰）、單摻30%鋼渣、復(fù)摻鋼渣、粉煤灰各15%的3塊混凝土試塊進(jìn)行2h、 3h、4h、6h、8h、10h、12h、24h的時(shí)間間隔測(cè)量試樣的質(zhì)量，計(jì)算失水率結(jié)果如表 7所示，各齡期的失水

16、率示意圖如圖8所示。表7混凝土失水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果編號(hào)oh2h3h4h失水率/%6h8hloh12h24hco01.732.603.394.024.334.734.814.81cg101.452.373.293.90434.204.284.36cgf201.201.932.804.004.264.464.534.53由圖8可知，基準(zhǔn)混凝土和單摻鋼渣以及鋼渣與粉煤灰復(fù)摻的混凝土試件的失水 率較為同步。在前6h內(nèi)失水率折線較陡，試件的水分蒸發(fā)量較大，鋼渣與粉煤灰復(fù) 摻的試件失水率明顯小于其他試件。在6h z后失水率折現(xiàn)漸漸趨于平緩，12h 試件基本不再失水。單摻鋼渣的試件失水率值最低，保水性較好。在水泥

17、中摻鋼渣、 粉煤灰可減少混凝土的失水率。 co cgi t-cgf20 »1111l048121620時(shí)間/h圖8混凝土失水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖24%、»«水5.4混凝土開裂試驗(yàn)本次試驗(yàn)式樣一共三塊，英屮一塊不摻鋼渣及粉煤灰的基準(zhǔn)混凝土試塊，一塊單 摻30%鋼渣的混凝土試塊及一塊復(fù)摻鋼渣及粉煤灰各15%的混凝土試塊。三組試塊 開裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8?；鶞?zhǔn)混凝土出現(xiàn)裂縫的試件時(shí)最早的，單摻及復(fù)摻的試塊岀現(xiàn) 裂縫的吋間相當(dāng)。表8混凝十開裂試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)初始裂縫出 現(xiàn)時(shí)間/min總裂 縫數(shù)目單位而積裂縫 數(shù)目/根/n?總裂縫面 積/mn?單位裂開血積/mm2/m2裂縫平均裂開 血

18、積/mm2/根co80513.89201.02279.1920.01cg1134513.89181.41251.9618.14cgf2135513.89410.93570.7441.09試塊開裂圖分別如圖911所示。從屮可看出三塊試塊的裂縫數(shù)都為5條，因?yàn)榛?凝土板外表面上岀現(xiàn)較多泌水花紋，由于經(jīng)驗(yàn)不足及當(dāng)時(shí)試驗(yàn)條件，所以選取較為成 熟的裂縫進(jìn)行記錄。開裂試驗(yàn)的混凝土板外表面上出現(xiàn)的多是裂寬細(xì)小的裂縫。單摻鋼渣的混凝土試 塊出現(xiàn)的裂紋都為細(xì)直，復(fù)摻混凝十的裂縫也較直，但比前者裂縫長(zhǎng)度長(zhǎng)，基準(zhǔn)混凝 土的裂縫則多為分叉。單摻鋼渣及鋼渣與粉煤灰復(fù)摻對(duì)混凝土早期開裂性能的影響可 從圖12中看出，單摻鋼渣的混凝土試塊總裂縫面積、單位面積裂縫數(shù)目都比基準(zhǔn)混凝 土低但當(dāng)鋼渣粉煤灰復(fù)摻時(shí)開裂而積增大，比基準(zhǔn)混凝土都大。單摻鋼渣時(shí)可抑制混凝土的早期開裂，而鋼渣與粉煤灰1:1復(fù)摻吋，混凝十的開裂加人，其原因可能是 鋼渣與粉煤灰的配比不合適。圖9基準(zhǔn)混凝土試塊圖10單摻30%鋼渣混凝土試塊圖1