钢渣掺合料对碱集料反应抑制及有效性评估.docx

钢渣掺合料对碱集料反应抑制及有效性评估 李云峰1，2 ，王 玲1 ，姚 燕1 ，林晖1( 1. 中国建筑材料科学研究总院，北京100024;2. 山东科技大学 土木建筑学院，山东 青岛266510)摘 要: 利用 astm c441 方法进行钢渣掺合料抑制碱集料反应的有效性评估试验，钢渣掺合料抑制碱集料反应效果良好，砂浆棒膨胀率能够减少约 50% ; 针对实际工程集料，采用提高养护温度和养护碱溶液浓度的优化试验方法进行有效性评估试验. 试验结果表明，矿物掺合料达到胶凝材料总量的 30% ，单掺矿渣粉以及钢渣粉和矿渣粉复掺比例为 1 2 时，钢渣掺合料对碱集料反应有较强的抑制效果.关键词: 钢渣; 掺合料; 碱集料反应; 有效性评估中图分类号:文献标识码:tu528. 041aeffectiveness of steel slag powder on suppressing alkali-aggregate reaction ( aar) expansion and its evaluationli yun-feng1，2 ，wang ling1 ，yao yan1 ，lin hui1( 1. china building materials academy，beijing 100024，china; 2. school of civil and architecture，shandong university of science and technology，qingdao 266510，china)abstract: the effectiveness of steel slag powder on suppressing alkali-aggregate reaction ( aar) expansion wasassessed using the method of astm c441. the results show that mineral admixtures with steel slag powder as par-tial replacement for portland cement in concrete is an effective means for controlling expansion due to aar. about50 percent decrease in expansion rate of mortar bars can be found. when actual engineering aggregate is tested，asuitable method can be used to assess the effectiveness of steel slag powder on suppressing aar expansion with thetemperature is higher and the alkali solution is more concentrated. the results show that mineral admixtures withsteel slag powder have effective prevention of expansion while total admixture content is 30 percent by mass of ce-ment，especially，mineral admixtures with only blast furnace slag and compound mineral admixture prepared withsteel slag powder to blast furnace slag ratios of 0. 5.key words: steel slag; mineral admixture; alkali-aggregate reaction ( aar) ; efficiency assessment( aar)是影响混凝土耐久性的主要原因之一，使用矿物掺合料是预防混凝土碱集料反碱集料反应应破坏的最实用、经济和有效的途径. 同时，矿物掺合料的掺加既降低了水泥用量，又延缓水泥的水化速度，降低水泥的水化 热，减少混凝土收缩与裂缝，对提高混凝土的耐久性有重要作用1. 掺 加 粉 煤 灰、沸石、高炉矿渣等复合超细掺合料可用于制备耐久性良好的高性能混凝土2，这些超细掺合料具有表面能高、化学活性高和微观填充强等新特性，在不同的使用环境下，采用不同数量、品种的超细粉体复合，收稿日期:责任编辑: 柴海涛2008 12 30基金项目: “十一五” 国家科技支撑计划资助项目 ( 2006baf02a00)作者简介: 李云峰 ( 1971) ，男，山东广饶人，博士.tel: 0532 86057590，e mail: hhliyunfeng 126. com1345第 10 期李云峰等: 钢渣掺合料对碱集料反应抑制及有效性评估可使混凝土的强度、抗氯离子渗透等耐久性有较大幅度提高3 4，对碱集料反应有一定的抑制效果5.我国钢铁产业每年排放大量的钢渣，钢渣中含有一定数量的水泥熟料的主要矿物 c2 s，c3 s 等，具备可用作水泥混合材和混凝土掺合料的条件6. 磨细钢渣粉作为混凝土的活性矿物掺合料，可降低水化热，提高混凝土的耐磨性，改善混凝土的工作性能、力学性能和耐久性，尤其是钢渣粉与矿渣粉双掺作混凝土掺合料时，两者有相互活化的效果，可作为混凝土工程中一种理想的活性矿物掺合料，为制备绿色高性能 混凝土提供一条有效的途径，同时可以实现钢渣资源化和高价值化的综合利用7.本文针对钢渣掺合料替代水泥后对碱集料反应的抑制作用进行试验研究，分别采用 astm c441 及优 化的试验方法对钢渣掺合料抑制 aar 的有效性进行评价，并对掺合料抑制混凝土碱集料反应机理进行分 析，便于在工程实践中推广应用.1钢渣掺合料抑制碱集料反应试验方法原材料性能指标试验采用的钢渣粉以及矿渣粉测定的化学成分及性能指标见表 1.1. 1表 1 钢渣粉、矿渣粉化学成分与性能指标chemical composition and properties of steel slag powder and blast furnace slagtable 1化学成分 / %活性指数 / %密度 /比表面积 /需水量比 / %流动度比 / %掺合料 32 1( gcm )( m kg )so3sio2caomgop2 o5fcao7 d28 d钢渣矿渣( s95)0. 472. 7818. 2832. 1039. 6939. 269. 379. 271. 260. 021. 980. 123. 462. 9438738210010010310265. 876. 374. 2102. 01. 2参照 astm c441 方法碱集料反应试验方法astm c441 是评价矿物掺合料抑制碱集料反应有效性比较 常用的试验方法.该方法采用活性集料 ( pyrex 玻璃) 作为标准集料，颗粒级配符合标准要求，采用总碱含量为 0. 95% 1. 05% 的高碱水泥，成型的砂浆棒试件尺寸为 25 mm 25 mm 285 mm. 本试验不同编号的砂浆棒配合比见表 2.表 2 pyrex 玻璃与工程集料碱集料反应试验配合比mix proportion of aar test with pyrex aggregate，coarse and fine aggregatetable 2材料编号水泥 / g钢渣 / g矿渣 / g集料 / g水 / g流动度 / mm养护温度 / 123456784003003003003003003202800100. 0033. 350. 066. 780. 0120. 000100. 066. 750. 033. 300900900900900900900900900166. 5181. 2182. 4184. 3179. 7178. 7183. 3182. 51031121111131101071141074040404040404040pyrex 玻璃163 ( 158)157 ( 160)159 ( 167)160 ( 169)164 ( 160)164 ( 160)118 ( 110)116 ( 112)116 ( 108)118 ( 118)118 ( 119)115 ( 115)1234564003003003003003000100. 0033. 350. 066. 700100. 066. 750. 033. 3900900900900900900808080808080工程集料注: 工程集料中的用水量及流动度数据为采用粗集料 ( 细集料) 情况的试验数据.煤炭学报13462009 年第 34 卷( 24 2)h，拆模后将试件放入 40 水溶液中养护( 24 2 ) h，试件成型后放入标准养护室内养护进行砂浆棒初长的测定，然后在 40 水溶液中养护至 7，14，21，28，56 d 龄期时，对砂浆棒的长度进行测定，计算出试件长度膨胀率.astm c441 试验方法采用高活性硬质玻璃来评价掺合料对碱集料反应的抑制作用，无法确定工程混凝土中掺合料的种类与掺量对碱集料反应的抑制效果，因此需要针对具体工程用集料的活性程度，采用优化的试验方法开展掺合料抑制碱集料反应的有效性评估.1. 3钢渣掺合料抑制碱集料反应优化试验方法由于碱集料反应是一个十分复杂、速度很慢的化学和物理过程，为快速正确地评价掺合料对抑制碱集 料反应的作用，针对实际工程混凝土的天然集料，采用提高养护温度、使用高碱度养护溶液等措施，优化 试验方法，能够快速、可靠地评价掺合料抑制碱集料反应的有效性.分别取工程用天然粗集料、细集料进行掺合料抑制碱集料反应试验. 采用粗集料时，制备粒径范围4. 75 2. 36，2. 36 1. 18，1. 18 0. 60，0. 60 0. 30 和 0. 30 0. 15 mm 的骨料试样，颗粒级配按质量百分比分别为 10% ，25% ，25% ，25% ，15% ; 利用细集料进行试验时，取实际工程用天然河砂. 采 用 碱含量在 0. 8% 以上的水泥、使用 1 mol / l 的 naoh 溶液进行养护. 试验不同编号的砂浆棒配合比见表 2.试件成型后放入标准养护室内养护( 24 2) h，拆模后将试件放入 80 、1 mol / l 的 naoh 溶液中养护( 24 2) h，进行砂浆棒初长的测定，然后在 80 、1 mol / l 的 naoh 溶液中养护至 3，7，14，21，28 d 龄期时，对砂浆棒的长度进行测定，计算出试件长度膨胀率.22. 1钢渣掺合料抑制碱集料反应有效性评估astm c441 方法试验结果利用 astm c441 试验方法评价钢渣掺合料抑制碱集料反应有效性的试验结果如图 1( a)所示.图 1 pyrex 玻璃、粗集料和细集料碱集料反应试验结果fig. 1 experimental results of aar test with pyrex aggregate，coarse aggregate and fine aggregate( a)可知，随钢渣掺量的增加，混凝土碱集料反应被抑制的程度增强; 单掺矿渣粉时，砂浆由图 1棒膨胀率最小，混凝土碱集料反应被抑制的程度最强; 钢渣粉与矿渣粉复掺，掺合料数量为 30% 胶凝材料总量情况，复掺比例为 1 2 时钢渣掺合料抑制碱集料反应有效性较好，砂浆棒膨胀率能够减少约 50% .2. 2优化试验方法测试结果利用钢渣掺合料抑制碱集料反应优化试验方法，调整养护温度，使用高碱度养护溶液等措施，分别进 行粗集料、细集料的钢渣掺合料抑制碱集料反应有效性评估试验.( b)所示. 由图可知，采用优化的试验方法测定的试验数据具有较采用粗集料时的试验结果如图 1好的规律性，随养护龄期的增长，掺合料抑制碱集料反应的有效性逐步显现，钢渣粉、矿渣粉对混凝土碱集料反应均有较强的抑制作用. 单掺矿渣粉时混凝土碱集料反应被抑制的效果最好，砂浆棒膨胀率能够减 少约 25% ; 钢渣粉与矿渣粉复掺，复掺比例为 1 2 时，抑制碱集料反应也有不错的效果.1347第 10 期李云峰等: 钢渣掺合料对碱集料反应抑制及有效性评估( c)所示. 由图可知，掺合料抑制碱集料反应的有效性更加明显，采用细集料时的试验结果如图 1在 28d 龄期，单掺矿渣粉砂浆棒膨胀率能够减少约 60% ; 钢渣粉与矿渣粉复掺，复掺比例为 1 2 时，砂浆棒膨胀率减少约 30% .抑制碱集料反应有效性评估优化试验方法与实际混凝土工程的试验参数接近，加快反应速度，缩短评判时间，能够在高碱度溶液养护条件下比较不同掺合料抑制碱集料反应的差别，采用该试验方法可快速、可靠评价掺合料抑制碱集料反应的有效性.3钢渣掺合料抑制碱集料反应机理分析钢渣掺合料加入混凝土中，一方面掺合料能够物理填充混凝土微结构中的孔隙，并且掺合料能够与水泥水化产物发生反应，结构会变得密实，同时，钢渣掺合料能够改善混凝土的工作性8，具有辅助减水的作用，这些因素使得混凝土中碱离子的迁移受到阻滞，从而有效减少碱集料反应的发生; 另一方面，掺 合料水化产物 csh 凝胶对碱的吸附和滞留，改善碱集料反应产物的形貌、成分、活性集料与浆体界 面区微结构9等因素，也对碱集料反应具有一定的抑制作用.图 2 为无掺合料和有掺合料 2 种情况下，混凝土碱集料反应的生成产物 sem 分析. 在不加入掺合料 时，sem 研究发现集料发生明显碱集料反应，有无定型的 asr 凝胶和纤维状和柱状晶体产物生成; 混凝 土中加入适宜活性掺合料时，碱集料反应程度明显降低，asr 产物较少，由于掺合料的作用，减少了到 达活性集料表面的碱离子数量，从而有效抑制碱集料反应.图 2 无掺合料与有掺合料情况混凝土碱集料反应的生成产物 sem 图fig. 2 sem photograph of aar with mineral admixtures and no mineral admixtures4结论混凝土中加入钢渣掺合料能够有效抑制混凝土碱集料反应，同时为制备绿色高性能混凝土提供一条有效的途径. 利用 astm c441 试验方法评价钢渣掺合料抑制碱集料反应有效性时，掺合料数量为胶凝材料 总量的 30% ，单掺矿渣粉以及钢渣粉和矿渣粉复掺比例为 1 2，钢渣掺合料抑制碱集料反应有效性较好， 砂浆棒膨胀率能够减少约 50% . 利用提高养护温度及养护溶液碱度的优化试验方法评价钢渣掺合料抑制 碱集料反应有效性时，单掺矿渣粉以及钢渣粉和矿渣粉复掺比例为 1 2 情况，掺合料抑制碱集料反应有不 错的效果. 优化试验方法可快速、可靠评价掺合料抑制碱集料反应的有效性.煤炭学报13482009 年第 34 卷参考文献:1mehta p k，burrows r w. building durable structures in the 21st century j. concrete international，2001，23 ( 1) : 57 63.gao peiwei，deng min，feng naiqian. the influence of super plasticizer and superfine mineral powder on the flexibility，strength and durability of hpc j. cement and concrete research，2001，31 ( 7) : 703 706.冯乃谦，石云兴. 超细粉对水泥浆体的流化与增强效应 j. 混凝土与水泥制品，1997 ( 2) : 4 7.feng naiqian，shi yunxing. effect of super fine powder on fluidity and strength of cement mortar j. china concrete and ce-ment products，1997 ( 2) : 4 7.234章春梅，黄敬东，秦鸿根，等. 超细粉煤灰在高性能混凝土中的应用研究 j. 混凝土与水泥制品，199617.( 1) : 15 zhang chunmei，huang jingdong，qin honggen，et al. application of super fine fly ash on high performance concrete j.china concrete and cement products，1996 ( 1) : 15 17.梁晶晶，陆文雄，陈立斌，等. 能有效抑制碱集料反应的复合矿物掺合料 j. 粉煤灰，2005 ( 6) : 7 8.liang jingjing，lu wenxiong，chen libin，et al. composite mineral admixture inhibiting alakli aggregate reaction effectivelyj. coal ash china，2005 ( 6) : 7 8.56朱 航，丁庆军，彭艳周，等. 钢渣矿粉混凝土的物理力学性能研究 j. 武汉理工大学学报，2005，27 ( 1) :43.zhu hang，ding qingjun，peng yanzhou，et al. effect of super-fine steel slag powder on mechanical properties of concretej. journal of wuhan university of technology，2005，27 ( 1) : 40 43.刘天成，杨华明. 超细钢渣及高性能混凝土掺合料的最新进展 j. 金属矿山，2006 ( 9) : 8 13.liu tiancheng，yang huaming. ultrafine steel slag and latest advance in blending materials of high performance concre