（材料学专业论文）钢渣粉制备活性粉末混凝土研究.pdf

摘要 活性粉末混凝土( r p c ) 是一种超高强、耐久性优异并具有广阔应用前景的 新型水泥基材料。针对r p c 的水灰比很低，胶凝材料不能水化完全，本论文选 择用化学组成和矿物组成与水泥熟料相似、具有潜在胶凝活性的钢渣细粉来替代 水泥制备r p c 。 在制各r p c 之前，先对钢渣粉的性能做了初步的研究：将钢渣粉按不同比 例替代水泥，按标准的方法检测了胶砂强度、标稠用水量、凝结时间和安定性。 实验结果均合格，由此认为用钢渣粉代替水泥做胶凝材料也能制出强度很高的 r p c 。 根据r p c 的配制原理，选定了配制r p c 的原材料；分析了水泥熟料矿物的 水化反应过程。制订了制作r p c 的基准配合比。通过试验，确定了钢渣粉r p c 组分的合理比例，制出了强度达1 8 0 m p a 的钢渣粉r p c 。 研究钢渣粉r p c 和水泥r p c 在标准养护、热水养护和高温高压养护三种不 同养护条件下、不同龄期的强度发展的规律。研究发现，高温和高压有利于钢渣 粉的活性发挥。养护时间的长短对r p c 强度发展有较大影响，但在养护一定时 间后，再增加养护时间，其强度无明显变化。 利用环境扫描电子显微镜技术，对r p c 的微观结构进行了初步研究。从扫 描电镜照片看出活性粉末混凝土由密实的基体相和分散在基体相中的骨料相组 成。基体与骨料相结合得非常致密，观察不到明显的界面过渡区。 关键词钢渣粉；活性粉末混凝土；配合比；养护制度；微观形貌 w i t hl l i t r a - h l g hs t r e n g t ha n de x c e l l e n td u r a b i l i t y , r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ( r p c ) i s 衄e m e r g i n g n e w f a m i l yo f c o n c r e t e s b e c a u s eo f l a ww c t h eb i n d e r c o u l dn o th y d r a t ea b s o l u t e l y s ow eu s es t e e l - s l a g , w h i c hh a v et h ef a m i l i a rc h e m i c a l c o n s t i t u t i o na n dm i n e r a lc o n s t i t u t i o nw i t hc e m e n t , t op r e p a r er p ci n s t e a do f c e m e n t b e c a u s eo f i t sp o t e n t i a lc e m e n t i t i o u sa c t i v i t y b e f o r ep r e p a r i n gr p c ，w cs t u d i e d0 1 1t h ep e r f o r m a n c eo f s t e e l - s l a gp o w d e r s a m p l e s w e r ep r e p a r e db yu s i n gs t e e l s l a gp o w d e ri n s t e a do f c e m e n to i ld i f f e r e n tr a t i o a n dt h em o r t a l s t r e n g t h , w a t e rd e m a n dw i l hn o r m a l s e t t i n gt i m e , a n ds t a b i l i t yo f t h e s a m p l e sw e r em e a s u r e db y s t a n d a r dm e t h o d t h er e s u l t so f t h e e x p e r i m e n t s 、e r e a c h e dt h es t a n d a r d , a n di ti sc o n s i d e r e dt h a th i 曲s t r e n g t hr p cc a nb ep r e p a r e db y u s i n gs t e e l - s l a gp o w d e r a sb i n d e ri n s t e a do f c e m e n t a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so f r p c ，t h el a wm a t e r i a lu s e di nt h er p c w a s s e l e c t e d t h eh y d r a t i o np r o c e s so f c e m e n tw g sa n a l y z e da n dt h eb a s i cs t a n d a r dr a t i o o f r p cm a n u f a c t u r ew a sp u tf o r w a r d , a n dt h eb e s tr a t i oo f s t e e l - s l a gp o w d e rr p cw t 目t q d e t e r m i n e db yt h ee x p e r i m e n t t h es t r e n g t ho f t h es t e e l s l a gp o w d e rr p ca n dc e m e n tr p cw a , qs t u d i e do nt h r e e d i f f e r e n tc u r i n gc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gs t a n d a r dc u r i n g , h o tw a t e rc u r i n g , a n dh i g h t e m p e r a t u r e - h i g hp l c s s u l ec u r i n gw i t hd i f f e r e n td a y s ac o n c l u s i o nw a sa r x t u i r e db y t h ee x p e r i m e n tt h a th i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i g l lp r e s s u r ei sg o o df o r d i s p l a y i n gi t s a c t i v i t y t h ed a y s o f c u r i n gh a v ea l r e m e n d o u si n f l u e n c e0 1 1t h er p c s t r e n g t h d e v e l o p m e n t b u tw h e n t h es t r e n g t hg r o w t hp o t e n t i a lo b t a i n st h ef u l ld i s p l a y , i ti sn o u s et oi n c r e a s et h ec u r i n gd a y st od e v e l o pi t ss t r e n g t h u s i n g t h et e e l m o l o g yo f e n v i r o n m e n t a ls c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e , t h e m i e r o s l l u c t u r eo f r p cw a sp r e l i m i n a r i l ys t u d i e d f r o mt h ee s e mp h o t o g r a p ho f r p c ， w e 啪s t h er p ci sc o n s t i t u t e dw i t hc o m p a c t e dp a s t ea n da g g r e g a t ew h i c ht r a p p e d i nt h ee o n t i n u o t l sm a l l i x t h e yc o m b i n e dw i t l le a c ho t h e rc l o s e l y , a n dt h et r a n s i t i o n a l a r e ao f t h e i ri n t e r f a c ei sb l u r r e d k e y w o r d ss t e e l - s l a gp o w d e r ；, r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ；p r o p o r t i o no f r p c ； c u r i n gs y s t e m s ；m i e r o s t t u c t u r e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：宝复日期：如z ：z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：宝复导师签名：兰翊童日期：超匠堑 第1 章绪论 第1 章绪论 许多年来，人们一直致力于对获得高机械性能的水泥基复合材料的研究。在 2 0 世纪3 0 年代，e u g e n ef r e y s s i n e t 提出，在新拌混凝土成型阶段加压能够提高 混凝土的强度。2 0 世纪6 0 年代，人们通过加压成型和高温加压养护的方法制得 了强度为6 5 0 m p a 的热压水泥【”。 目前，对高强混凝土的研究形成了两个分支。一支研究的是高致密水泥均匀 体系材料( d s p ) 【2 】，这种混凝土含有高效减水剂、硅灰以及超高硬度的骨料( 煅 烧过的铝土矿或花岗岩) 【3 】。另一支是研究宏观无缺陷( m d f ) 水泥基材料，它 具有很高的抗拉强度( ， 1 5 0 m p a ) ，尤其在与高铝水泥混合时，抗拉强度更高。 通过各种技术手段，人们找到了解决水泥基复合材料低延展性的问题，那就 是掺入钢纤维。因此出现了砂浆渗浇钢纤维混凝土( s i f c o n ) 技术【4 】。 基于以上的理论和技术，近年来又出现了一种新型的超高性能水泥基复合材 料活性粉末混凝土( r p c ) 嘲 1 1 活性粉末混凝土 2 0 世纪9 0 年代初，法国的b o u y g u e s 科学部以p i e r r e r i c h a r d 为首的研究 小组仿效“高致密水泥均匀体系”( d s p ) 材料，将粗骨料剔除，根据密实堆积 原理，用最大粒径4 0 0 1 t m 的石英砂为骨料，制备出强度和其它性能优异的水泥 基复合材料。由于增加了组分的细度和反应活性，因此它被称为活性粉末混凝土 ( r e a c t i v ep o w d e rc o n c l e t o , 简称r p c ) 。r p c 的原料为水泥、细石英砂、硅灰、 磨细石英粉、高效减水剂以及钢纤维等。根据组分和制备条件不同，r p c 分为 r p c 2 0 0 和r p c 8 0 0 两级，其中r p c 2 0 0 抗压强度达1 7 0 2 3 0 m p a ，而r p c 8 0 0 达5 0 0 8 0 0 m p a 。 1 1 1r p c 的基本原理和制备技术 r p c 是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能混凝土。它的基本配制 原理是：材料含有的微裂缝和孔隙等缺陷最少，就可以获得由其组成材料所决定 的最大承载能力，并具有特别好的耐久性。根据这个原理，r p c 所采用的原材 料平均颗粒尺寸在o 1 岬l 到l m m 之间，目的是尽量减小混凝土中的孔间距，从 北京工业大学工学硕上学位论文 而使拌合物更加密实。r p c 的制备采取了以下措施 6 1 ： 去除粗骨料以提高匀质性： 优化颗粒级配，并且在凝固前和凝固期间加压，以提高拌和物的密实度 凝固后以热养护改善微结构； 掺加微细的钢纤维以提高韧性。 应用前三条措施制备的基质具有很高的抗压强度，但是其韧性并不比普通的 砂浆高很多。掺加钢纤维后明显提高了抗弯拉强度，同时可以获得所需要的高韧 性和延性。 ( 1 ) 提高匀质性，减少材料内部缺陷 对于大多数固体材料，理论强度一般为其弹性模量的0 1 0 2 倍，但实验中 的实测值只有其弹性模量的( 0 1 o 2 ) x1 旷倍。两者相差上千倍，其原因就 是由于材料结构不完善、存在大量缺陷。因此要充分发挥材料的性能就必须尽量 减少缺陷、提高匀质性。 普通混凝土硬化前，水泥浆体中的水分向亲水的骨料表面迁移，在骨料表面 形成一层水膜，从而在硬化的混凝土中留下细小的缝隙；此外，浆体泌水也会在 骨料下表面形成水囊，这样，混凝土在承受荷载作用以前，界面处就充满了微裂 缝由于水泥石和集料的弹性模量不同，当应力、温度发生变化时，浆体和骨料 的变形不一致，在浆体与骨料的交界面上出现剪应力和拉应力，从而导致微裂缝 的产生。随着应力的增长，这些裂缝不断扩展并伸向水泥石，最终导致浆体的断 裂。 为了消除上述不利影响，主要是通过以下途径来消除缺陷、提高r p c 的匀 质性： 剔除粗骨料，代之以平均粒径为2 5 0 1 x m 细砂 混凝土受到荷载作用后，粗骨料砂浆界面应力集中，极易引起破坏。对r p c 混凝土类砂浆材料，应力集中于骨料水泥浆界面，骨料界面虽有微裂缝产生，但 微裂缝的长度与骨料粒径尺寸成正比，骨料粒径减小，裂缝宽度也小，r p c 的 强度就提高。因此r p c 不用粗骨料，只用细骨料，其最粗骨料的粒径只有6 0 0 1 j m 左右，因此可以极大地减少水化初期由于化学收缩引起的微裂缝的宽度，同时骨 料粒径的减少，其自身存在的缺陷的几率也减小，从而r p c 整个基体的缺陷也 随着减少 第l 章绪论 改善浆体的力学性能，强化浆体与骨科的界面 普通混凝土中骨料弹性模量是硬化水泥石的三倍左右，两者的差异导致骨料 与硬化水泥石变形不一致而在界面处形成细微的裂缝。r p c 由于含有较多硅灰， 富集在骨料周围的c a ( o h ) 2 晶体因参与反应生成水化硅酸钙凝胶而大为减少；同 时，在热处理的过程中，石英粉也会与水化产物发生反应，能大幅度地提高浆体 的力学性能，特别是提高硬化水泥石的弹性模量。r _ p c 中骨料与硬化水泥石的 弹性模量之比在1 到1 4 之间，两者不均匀性的影响几乎消除。 ( 2 ) 提高堆积密度 由晶体结构的研究表吲”，相同直径原子进行排列时，体心立方结构的紧密 系数是o 6 8 ，即使最密排列的面心立方或密排六方结构，其紧密系数也只0 7 4 。 为了进一步提高堆积密度，常在较大的单一粒径的颗粒之间加入粒径较小的颗 粒。这样先由直径最大的球体堆积成最密填充状态，剩下的空隙依次由次大的球 体填充下去，使球体间的空隙减小。从而整体达到最大密实状态。根据上述原理， 在制备r p c 时，可采用以下措施来提高其密实度，降低孔隙率：嘲 优选颗粒材料级配：选用相邻两级平均粒径差较大，但同级内级配连续 的粉末材料，使颗粒混合料体系达到最密实状态。如选用粒径范围在1 5 0 6 0 0 1 u n 之间、平均粒径为2 5 0 p a n 的细砂；粒径范围为1 l 1 5 1 u n 的水泥；平均粒径为 o 1 o 2 1 t m 硅灰。 使用高效减水剂，改进搅拌条件，使浆体在最少用水量的条件下有良好 的流动性。 在新拌混凝土凝结前和凝结期间对其加压。这一措施可以达到以下目的： 其一，挤出拌合物中包裹的空气，减少气孔的数量和体积； 其二，当模板有一定渗透性时，可将多余的水分自模板间隙中捧出； 其三，可以消除在水化过程中化学收缩引起微裂缝。 ( 3 ) 改善微观结构【9 i 在r p c 凝固后进行热养护可以加速水泥水化反应的进程和火山灰效应的发 挥，改善水化产物的微观结构。热养护温度不同，l 冲c 的微观结构和水化产物 的结构形态有所不同。对于r p c 2 0 0 ，进行2 0 9 0 c 的常压养护就可以实现，但 这时候形成的水化物仍是无定形的。但随着温度的升高，其火山灰效应率也相应 提高，r p c 的微观结构有所改善，主要表现为大于1 0 0 n m 孔径范围的有害孔体 北京工业大学工学硕士学位论文 积降低，孔隙得到细化；对于r p c 8 0 0 ，在2 5 0 4 0 0 c 温度下压力养护，养护使 水化生成物d s - h ( 水化硅酸钙) 凝胶大量脱水，形成硬硅钙石结斟 ( 4 ) 增加韧性 未掺钢纤维的r p c 呈线弹性，断裂能低，受压破坏时呈明显的脆性破坏。 r p c 中掺入钢纤维，乱向分布的短钢纤维能阻碍混凝土内部裂缝的扩展和阻碍宏 观裂缝的发生和发展f l l 】，因此可以提高韧性和延性 1 1 2i 冲c 的性能特点 r p c 采用了高致密水泥基均匀体系，充分发挥了活性富硅材料的火山灰性 质，通过掺入超塑化剂降低了水灰比，再通过钢纤维增强，并用热养护改善微观 结构，因此r p c 具有很好的力学性能。同时r p c 具有极小的孔隙率，因此渗透 率非常低，具有超高的耐久性斛2 3 l 。表l - 1 和表1 2 是r p c 与其它混凝土的 力学性能和耐久性的比较。 表l - ir p c 与高强混凝十佴s c ) 的力学性能比较【1 4 1 t a b l el - 1t h ec o m p a r i s o no f t h er p ca n dh s cm e c h a n i c a lp r o p e r t y 表! - 2 普通混凝土、高性能混凝土、r p c 的耐久性比较【习 t a b l ei - 2t h e 伽日p 抓s o f c o m m o nc o n 毗, h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ea n dr i c0 u r a b i l i t y 性能普通混凝土高性能混凝土 r p c 氰离子扩散( 1 0 - 1 2 m z s ) 1 10 60 0 2 碳化深度( m )1 02 0 冻融剥落量( g m 2 ) 1 0 0 09 0 0 7 腐蚀系数4 02 81 3 1 1 3 国内外r p c 研究概况 1 9 9 5 年，法国的p i e r r er i c h a r d 等人研究了原材料、成型工艺、养护制度对 r p c 性能的影响，指出了提高r p c 强度和韧性的措施【8 】；m a r c e lc h e y r e z y 等人 - 4 - 第1 章绪论 对r p c 的微观结构进行了研究，揭示其高强度及高耐久性的工作机理【1 6 】。 1 9 9 6 年，j d u g a t 等人进行了r p c 2 0 0 和r p c 8 0 0 的力学性能试验【m ，对 l 心c 的应力应变曲线、弹性模量、泊松比、极限应变、弯折强度、平均断裂 能等进行了试验研究，同时考察了钢纤维掺量对r p c 延性的影响，指出钢纤维 的最佳掺量是2 3 ，过高掺量反而会降低r p c 的平均断裂能。 1 9 9 7 年，o l i v i e rb o n n e a u 等人通过实验研究了r p c 的抗压强度、弹性模量、 抗冻融循环的能力、抗除冰盐腐蚀、抗氯离子渗透能力等耐久性斛埔】。 1 9 9 8 年，v m a t t 等人对r p c 制成的放射性核废料储藏容器的性能进行了 研究，指出r p c 不但能够防止放射性物质从内部泄漏，而且能够抵御外部侵蚀 性介质的腐蚀，是制备新一代核废料储存容器的理想材料1 1 9 】。 2 0 0 2 年，vm o r i n 等人研究了r p c 水化过程中的微孔结构的发展，指出了 r p c 存在两类特征孔隙：第一类是孔径在1 0 2 0 n m 的孔，它存在于水化产物 c h s 之间；第二类是孔径在l 或2 r i m 的孔隙，它存在于最初的水化物中嗍。 目前，国外对r p c 的研究重点己由基本性能转到了构件及结构的设计方法 上，以求将这种超高性能混凝土尽快在结构应用中推广 近几年来，我国清华大学、湖南大学、同济大学等单位在r p c 的国产化、 地方化方面做了有益的尝试。 1 9 9 9 年，清华大学的曹峰、覃维祖等人在水泥基体中复合使用粉煤灰，利 用不同颗粒活性差异较大的特点，促使其分步水化，实现水化过程中动态地有效 填充以及降低r p c 成本等方面做了尝试【2 1 】。 2 0 0 0 年，湖南大学的何峰、黄政宇等人试验研究了原材料品种、性质及配 合比对r p c 强度的影响；在未掺钢纤维的情况下，配制出了流动性好，高温养 护( 2 0 0 c ) 下抗压强度为2 2 9 0 m p a 的r p c ，在掺钢纤维的情况下，r p c 的抗压强 度高达2 9 8 6 m p a 。同时指出：热养护有利于提高r p c 的抗压强度，而且养护 制度对掺有不同掺合料( 硅灰和石英粉) 的混凝土强度影响不同【列。 同济大学的龙广成等人在2 0 0 1 年研究了养护温度和龄期对水泥、粉煤灰以 及硅灰等粉末材料为主要原料的r p c 强度的影响，以期确定最佳养护条件【2 3 】； 2 0 0 5 年，他们研究了r p c 的性能与微细观结构之间的相互关系，提出了相应的 细观结构模型，指出了r p c 优异的宏观性能得益于其致密、均匀的内部微观结 构i 卅。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 4 r p c 的应用 ( 1 ) 利用r p c 的超高强度与高韧性，在不配筋或少量配筋的情况下，能生产 薄壁构件、细长构件和其他新颖结构形式的构件，可代替钢结构从而大幅度降低 工程造价。 ( 2 ) 采用r p c 可以显著地降低结构层高。用其制作的立交桥、过街天桥、城 市轻轨高架桥、大跨度桥梁等，可增加桥下净空间，缩短引桥长度，降低造价并 缩短工期。 ( 3 ) r p c 钢管混凝土具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性。可用它 来制作高层或超高层建筑的柱子，可大幅度减少截面尺寸，增加建筑物的使用面 积 “) 利用r p c 的超高抗腐蚀与抗拉性能，制造压力管道和腐蚀性介质的输送 管道。 ( 5 ) 利用r p c 的超高抗渗性与高冲击韧性，制造中低放射性核废料储藏容 器，可延长使用寿命并降低发生泄漏的概率。 ( 6 ) 利用r p c 极高的耐磨性，可用于高速公路或机场跑道，用于改造旧桥桥 面或水库泄洪道等。 1 2 钢渣 钢渣是炼钢过程中为了去除钢中杂质而副产的物质。它包含脱硫、脱磷、脱 氧产物及因之而加入的造渣剂，如石灰、萤石、脱氧剂等；金属料中带入的泥砂； 铁水和废钢中的铝、硅、锰等氧化后形成的氧化物；作为冷却剂或氧化剂使用的 铁矿石、氧化铁皮、含铁污泥等；炼钢过程中侵蚀下来的炉衬材料等。随着钢品 种、原料、冶炼工艺及堆放期限的不同，钢渣的化学成份波动较大。大多情况下， 钢渣的主要化学成份为c a o 、s i 0 2 、a 1 2 0 2 、m g o 、f e 2 0 2 、m n o 、五加等。钢渣 的主要矿物组成圆一般为：c 2 s 、c 3 s 、r o 相和金属铁等。 1 2 1 钢渣的危害 钢渣是炼钢工程中排出的废渣，其排出量约占粗钢产量的1 5 2 0 。在冶 金工业渣中，钢渣排放量仅次于高炉矿渣。钢渣成分复杂多变，使得钢渣的综合 利用困难。1 9 7 0 年以前，各钢厂均采用弃渣法处理钢渣，不仅占用大量土地， 而且也污染环境，据1 9 8 8 年统计，全国各钢厂堆存钢渣达l 亿多吨，占地1 万 第1 苹绪论 多亩。成为严重的公害。1 9 9 6 年，我国的粗钢产量达l 亿多吨，按1 吨钢产渣 1 6 0 k g 计，全年产渣量1 6 0 0 万吨【2 6 l 。目前很多钢厂渣满为患，若不处理和综合 利用，钢渣会占用越来越多的土地，污染环境，造成资源的浪费，影响钢铁工业 的可持续发展。因此有必要对钢渣进行减量化、资源化和高价值综合利用研究。 1 2 2 钢渣的活性来源 钢渣的矿物组成决定了钢渣具有一定的胶凝性，主要源于其中一些活性胶凝 矿物的水化。钢渣的矿物成分主要取决于钢渣的碱度c a o ( s i o z + p z o s ) ( 重量比) ， 一般用钢渣的碱度作为衡量钢渣活性指标【明。通常按碱度的不同把钢渣分为低碱 度渣( 2 5 ) 。当碱度 1 8 时，主要矿物有：硅酸二 钙( c 2 s ) 、硅酸三钙( c 3 s ) 、铁酸钙( c 2 f ) 、游离氧化钙( f o o ) ，钢渣的碱度越高，活 性越大【瑚。中、高碱度钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的硅酸二钙( c 2 s ) 和硅 酸三钙( c 3 s ) ，两者含量在5 0 以上，同样都具有如下水化反应能力 2 9 1 2 0 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 = 3 c a ( ：o h ) 2 + 3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 ( 1 一1 ) 2 ( 2c a o s i 0 2 1 + 4h 2 0 = 3c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + c a ( o h ) 2 ( 1 - 2 ) 3 c a o a 1 2 0 3 + 6h 2 0 = 3c a o a 1 2 0 3 6h 2 0 ( 1 - 3 ) 不同之处在于钢渣的生成温度为1 5 6 0 c 以上，而硅酸盐水泥熟料的生成温 度在1 4 5 0 左右。钢渣的生成温度高，其矿物结晶致密，晶粒较大，导致水化 速度缓慢，因而需要采取相应的措施提高其水化反应速度。 1 3 课题的目的和意义 目前活性粉末混凝土的配制技术已经成熟，国外已有工程应用实例。活性粉 末混凝土由于使用硅灰和石英砂等价格昂贵的原材料，使得造价太高，阻碍了这 种新型材料的推广和应用。因此，寻找和采用价格低廉的原材料也是活性粉末混 凝土研究的一个重点。 由文献【2 4 】的扫描电镜( s e m ) 照片分析结果和背散射电子图象的研究结果 可知，i 口c 的基体相主要由未水化完全的水泥熟料颗粒、活性粉末颗粒( 硅灰 等) 以及水化凝胶产物等组成。由此可知，由于r p c 的水灰比很低，胶凝材料 不能水化完全，不是所有的胶凝材料都发挥了作用，因此，用具有潜在胶凝活性 7 北京工业大学工学硕士学位论文 的一种材料替代水泥来制备r p c 钢渣具有与水泥熟料相似化学组成和矿物组 成，因此有潜在的胶凝活性，正好满足上述的要求并且，钢渣是一种占用大量 土地、污染环境、急需处理的工业废渣，将之应用到r p c 中，一方面解决了钢 渣的堆放问题，能够促进钢铁工业的可持续发展；另一方面，与水泥的复杂生产 工艺相比，只要对钢渣进行简单的加工即可使用，从而能够降低r p c 的成本 第2 章实验原料和实验方法 第2 章实验原料和实验方法 混凝土是一种由胶凝材料、骨料、外加剂等多种组分组成的复合材料，这些 原料的品种及性能将对混凝土的性能产生极大的影响。r p c 这种高性能混凝土， 所用原料与普通混凝土有所不同，其组成原料主要包括：水泥、石英砂、硅灰、 磨细石英粉、高效减水剂。当对韧性有较高要求时，还需要掺入钢纤维。对这些 原料选用更有特殊的要求。 根据绪论提到的基本原理和制备技术，在北京市内选择配制r p c 所需的原 料，并对它们进行分析。 2 1 实验原料 用实验的方法来实现r p c 的配比设计，需要遵循以下原则：各原料具有 不同级别的颗粒粒径，每级粒径都有一个较窄的范围；每级粒径间不能重叠， 相邻两级的平均粒径d 钟之比要大( 大于1 3 ) ；水泥要与高效减水剂相适应， 水泥减水剂的最佳比例要由流动度实验来确定；所选用原料微粉的分散度越 大越好。 2 1 。l 水泥、钢渣 混凝土强度首先取决于水泥及其性能。高强混凝土必须以高标号水泥与高活 性材料作为胶凝材料。硅酸盐水泥的胶凝作用来自水化硅酸钙。不同品种和类型 的水泥在性质上可能会有较大的区别，水泥种类的选择对于高强混凝土的配制是 十分重要的。配制高强混凝土宜选用质量稳定、强度等级不低于4 2 5 级的硅酸 盐水泥。 在配制r p c 时，选择水泥的首要条件就是与高效减水剂相匹配，其次从化 学组成来看，c 3 a 含量低的水泥更好；再次是水泥的颗粒大小不宜太细，因为水 泥越细需水量就越大。从流变性和力学性能来看，高硅模量的水泥的效果最好0 0 1 ， 但这种水泥缓凝现象严重，不适宜用于某些工程，因此在通常用c 3 s 含量高的硅 酸盐水泥。 根据上述要求，本实验选用的是北京琉璃河水泥厂生产的，标号为4 2 5 的 普通硅酸盐水泥，测得的比表面积为3 6 2m 2 k g 。化学成分如表2 1 所示。 表2 1 水泥化学成分和矿物组成 t a b l e 2 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f c e m e n t 本实验使用钢渣粉替代水泥作为r p c 中的胶凝材料，由北京建源合特种水 泥厂提供，测得的比表面积为4 4 1m 2 k g 。荧光分析结果见表2 2 ；图2 1 是钢渣 粉的x - 射线衍射分析图。 表2 - 2 钢渣粉主要化学成分 t a b l e 2 - 2t h em a i nc h e m i c a lc o m p o m f i o no fs t e e l s l a gp o w d e r 图2 1 钢渣粉的矿物组成 f i g 2 一lt h e m i n e r a lc o m p o s i t i o n o f s t e e l - s h g p o w d e f 图中标注的1 8 个矿物分别是： 1 c 3 s2 c 2 s3 c a s 0 4 硬石膏4 c a ( o i h5 m g o 6 c a o7 c a c q 8 c a 2 f e 2 0 s ( c 2 f ) 第2 章实验原料和实验方法 由表2 - 2 和图2 1 可知，该钢渣粉的化学组成和矿物组成与水泥熟料的很相 近。该钢渣粉的碱度c a o ( s i 0 2 + p 2 0 5 ) = 2 1 ，其碱度大于1 8 ，属于高碱度钢渣， 具有较高活性。可以用于替代水泥作为r p c 的胶凝材料。 2 1 2 硅灰 硅灰在r p c 中起到以下作用【3 1 】： ( 1 ) 填充效应 硅灰的平均粒径约为水泥直径的l 1 0 0 ，能够很好地填充于水泥颗粒的孔隙 间，其效果如同水泥颗粒填充在细骨料之间和细骨料填充在粗骨料问一样，从微 观尺度上增加了r p c 的密实度，进而提高了r p c 强度。 ( 2 ) 火山灰效应 硅灰具有极强的火山灰性能。拌和混凝土时，硅灰和水接触，部分小颗粒迅 速溶解，并与水泥水化产生的对强度不利的c a ( o h h 反应生成c s - h 凝胶，即所 谓火山灰效应： c a ( o h ) = + s i 0 2 + h 2 0 一c - s - h ( 2 - 1 ) 许多研究表明：在有硅灰存在的情况下，水泥水化早期产物中的c a ( o h ) = 含量随着龄期的延长变得越来越少，甚至完全反应。这些来源于硅灰和c a ( o h ) = 的c s h 凝胶多生成于水泥水化的c s h 凝胶孔隙中，大大提高了r p c 的密实 度。 ( 3 ) 孔隙溶液化学反应 在水泥硅灰水化体系中，硅灰与水泥的比率提高则水化产物的c a - s i 比降 低。c a - s i 比低，相应的c - s - h 凝胶就会结合较多的其它离子，如铝和碱金属k 、 n a 离子。这样就会使孔隙的碱金属离子浓度大幅度降低这就是所谓的孔隙溶 液化学效应。增加硅灰的用量，则孔隙溶液的p h 值降低。这是由于碱金属离 子和c a ( o h ) = 与硅灰反应而消耗引起的。能够有效降低甚至消除碱硅酸反应的 危害。同时，硅灰还可以提高r p c 的电阻率和大幅度降低氯离子的渗透率，从 而提高r p c 的耐久性。 “) 润滑作用 硅灰颗粒具有良好的球状外形，起到很好的润滑作用，从而提高流变特性。 通常硅灰化学成分s i o = 一9 0 ，粒径 0 2 4 和钢渣 粉在w c o 2 2 时r p c 的流动度非常好，能够自行流动；水灰比在0 1 9 到0 2 2 或o 2 4 之间，r p c 较粘稠，不能自行流动，但是通过振动后也能充实模具得到 很好的密实度。 由图4 q a ) 可以看出，r p c 的抗压强度随水灰比的变化的两条折线图中都 有一个峰值，钢渣粉r p c 的峰值为1 6 5 3 8 ，a ( 对应w c = 0 1 9 ) ，水泥i 冲c 的峰值为1 6 9 0 6 m p a ( 对应w c = 0 2 0 ) 。在这点以前，r p c 的抗压强度随水灰 比减小而减小；以后才随水灰比的减小而增大。这与普通混凝土不完全相似。 r p c 具有很高的强度，一方面是由于r p c 达到密实状态，具有较高的密实度； 另一方面是由于水化产物提供了强度。这两方面达到平衡才能得到理想的强度。 水灰比对这两方面均有影响：当水灰比过大，在r p c 硬化后内部会形成孔洞， 影响r p c 的密实度，从而影响其强度；当水灰比过小，又可能导致胶凝材料水 化不完全，从而影响强度。本实验w c = 0 1 9 ( 对于钢渣r p c ) 就是一个界限值， 当w c o 1 9 时，由于水化产物不足而影响了r p c 的强度，因此抗压强度随水 灰比降低而减少。 表4 - 3 水灰比对r e ( 2 的影响 t a b l c4 - 3t h ei n f l u e n c eo f w c r p c 编号 水泥钢渣 水灰比石英砂硅灰石英粉减水剂抗压强度流动度 m p am m w l w 4 w 5 w 6 w 1 0 w 1 1 0 1 61 10 2 50 3 71 9 0 ，1 7l l0 2 50 3 7 0 1 81 10 2 50 3 7 0 1 91 10 2 50 3 7 0 2 01 io 2 5o 3 7 0 2 11 1o 2 5o 3 7 0 2 21 io 2 50 3 7 0 2 31 10 2 50 3 71 9 0 2 41 10 2 50 3 7 0 2 51 10 2 50 3 7 0 2 61 10 2 50 3 71 9 1 2 9 6 9 1 3 5 9 4 1 4 0 o o 1 4 3 3 0 1 4 1 2 51 5 0 1 5 2 5 01 5 2 1 6 6 2 51 7 6 1 6 5 - 3 81 8 5 1 6 9 0 61 8 5 1 6 1 2 52 0 7 5 1 5 5 3 12 1 2 1 4 4 3 82 2 6 1 4 8 1 32 3 9 1 3 5 3 12 5 8 1 2 5 3 1 2 4 4 1 2 5 2 6 0 1 2 4 0 0 2 5 8 1 2 5 2 6 5 1 2 0 6 3 1 2 1 2 5 1 1 5 3 1 1 1 6 8 8 注：w 1 0 和w il 这两组料浆因为流动性好，不能用跳桌法测量。 ”- - i _ 1 1 - 1 - 1 _ 1 - l - l - 1 1 - 1 1 _ 1 - 1 1 1 1 1 - l - 1 1 1 - 北京工业大学工学硕士学位论文 水灰比 图4 q a ) 水灰比变化对r p c 抗折强度的影响 f i g4 - a ) t h ei n f l u e n c eo f w co i lr p cc o m p r e m i v e8 协：n g 血 o 埔o i 0 2 0 2 0 2 2 u , 2 1 d j 水灰比 图4 - l ”水灰比变化对r p c 流动度的影响 f i g4 - 1t h e i n f l u e n c eo f w co nr p cf l u i d i t y w c 再将图中两条折线相比较，可以看出在w c o 1 9 时，钢渣粉r p c 的抗压 强度要比水泥r p c 的大；在0 2 3 w c o 1 9 时，它们的抗压强度值相差不大。这种现象可以解 释为：在w c o 2 3 时，尽管钢渣粉r p c 和水泥r p c 的流动度都不好，但是从 图4 _ 1 b ) 可以看出，钢渣粉r p c 的流动度还是比水泥r p c 的流动度要好的，所 _ 孤 伸 t毛世鼎幽嚣 栅 瑚 瑚 锄 柚 啪 恤 m e山，心最豫螽餐 以钢渣粉r p c 充实模具的程度比水泥r p c 要好，r p c 的抗压强度就较高。同样， 水泥r p c 的抗压强度峰值比钢渣粉r p c 的峰值出现所对应的水灰比要大也是由 于这个原因。对于普通混凝土来说，同水灰比条件下，坍落度大的混凝土强度低。 在0 2 3 w c 0 1 9 这一范围内，由流动度数据可以看出，在相同水灰比条件下， 钢渣粉r p c 的流动度要远远大于水泥r p c 的流动度，因此在这一阶段，钢渣粉 r p c 的抗压强度要大于水泥r p c 的抗压强度。w c 0 2 3 时，钢渣粉r p c 的流 动度值与水泥r p c 的值相近，因此它们的抗压强度值相近。 综合考虑r p c 的强度和工作性，在采用本实验的原料和工艺条件下，钢渣 粉r p c 的最佳水灰比范围为0 。1 8 0 2 0 。 4 2 3 2 高效减水剂掺量对r p c 性能的影响高效减水剂是配制高性能混凝土不 可缺少的组分之一，它能够使混凝土在低水胶比下获得所需工作性；高效减水剂 另外一个重要功能就是对硬化混凝土性能的改善作用。高效减水剂掺量的不同， 其对混凝土性能的改善效果也不同。 表4 4 减水剂掺量变化对r p c 的影响 t a b l e4 - 4t h ei n f l u e n c eo f s u p e r p l a s t i e i z e rd o s a g eo i lr p c 编号水泥铜渣水灰比石英砂硅灰石英粉减水剂抗压强度流动度 m p a m m 一 1 4 9 3 81 7 4 0 1 91 10 2 50 3 7l l1 5 5 9 51 7 6 0 1 91 10 2 50 3 71 5 0 1 91 10 2 50 3 72 o 0 1 9t 10 2 50 3 7 2 5 0 1 91 10 2 50 3 7 3 o 0 1 9 1 1 0 2 50 3 73 5 0 1 91 10 2 50 3 7 4 o 1 6 1 5 61 7 3 1 6 1 2 51 8 5 1 8 4 0 61 8 0 1 5 6 7 51 8 6 1 7 5 8 8 2 2 0 1 4 5 3 i 1 8 8 1 5 9 6 9 1 7 2 1 2 0 0 01 9 2 1 3 5 6 31 7 6 - 1 7 3 1 3 3 4 41 7 2 一 1 7 2 2 9 1 1 - l - 1 - 1 1 - 1 m 眩 b 酷 酯 町 北京工业大学工学硕士学位论文 图睨是高效减水剂掺量对r p c 强度和流动度的影响。从图4 - 2 a ) 来看， 随着减水剂掺量的增加，r p c 的抗压强度先升高后降低这可能与减水剂掺量 太少或太大，r p c 的流动度都不好有关。流动度不好导致工作性能不好，影响 了r p c 的强度。钢渣粉r p c 在减水剂掺量为1 5 时抗压强度最大，为 1 6 1 2 5 m p a ，水泥r p c 在减水剂掺量为2 0 0 , 6 时抗压强度最大，为1 8 4 0 6 m p a 高效减水剂对于钢渣粉r p c 来说与水泥r p c 一样，也具有饱和性从图 4 - 2 b ) 中可以看出，钢渣粉r p c 在掺量达3 时流动度达最大值，此后随减水剂 掺量增大，料浆越粘稠，包裹在其中的气泡不易被排出，因此流动度降低。在采 用本实验的原料和工艺条件下，钢渣粉r p c 的最佳减水剂掺量为1 5 2 5 罡 禹 鬟 水御参量 图4 - 2 a ) 减水剂掺量变化对r i c 抗压强度的影响 f i 9 4 - 2 a ) t h ei n f l u e n c eo f s u p e r p l a s t i c i a e fd o s a g eo l lr p ca 如叩嘲i v es a e n g t h 硪水谢掺量 图4 - 2 b ) 减水剂掺量变化对r p c 流动度的影响 f i g4 - 2 t h ei