矿渣对混凝土力学性能影响的研究.docx

西安建筑科技大学课程设计（论文）矿渣对混凝土力学性能影响的研究摘要混凝土是当代用量最大的人造建筑材料，高效减水剂和矿物掺和料的应用使混凝土作为水泥基复合材料的复合化日益突出,混凝土已从过去以强度为中心的普通混凝土发展成为高工作性、高耐久性的高性能混凝土。矿渣是一种具有潜在活性的工业废弃物,其大量堆放已对环境造成严重污染。目前，主要通过粉磨的方式将其作为活性矿物掺和料应用于水泥与混凝土中, 并已显示出了显著的技术经济效益和环保意义。研究了高炉矿渣作为细骨料的本征特性及其对混凝土的力学性能的影响。结果表明:矿渣与天然砂作为细骨料时, 其物理化学性能存在一定差异;与基准水泥砂浆相比,矿渣代砂水泥砂浆的需水性增大,早期抗折强度略有降低,但后期抗折强度不但不降低甚至还略有提高, 抗压强度略有降低,干缩性减小;相对于普通混凝土,矿渣代砂混凝土的抗折强度和抗压强度均有所提高。关键词：矿渣，混凝土，力学性能AbstractConcrete is a contemporary of the most artificial building materials, high efficiency water reducing agent and mineral material concrete were used as cement base composite material compounding increasingly prominent, from the past to strength concrete has for center of common concrete development as a high workability, high durability of concrete. Slag is a potentially active industrial waste, its vast pile up on the environment has been causing serious pollution.At present, the main through the grinding way as active mineral materials were used in cement and concrete, and has shown a remarkable technical and economic benefits and environmental significance. The blast furnace slag as the fine aggregate the eigenvalue of the characteristics and the mechanical property of concrete influence. The results show that: the slag and natural sand as fine aggregate, its physical and chemical properties, there are certain differences; Compared with the benchmark cement mortar, slag and cement mortar to need to water sand increases, the early the flexural strength depressed, but later the flexural strength not only reduce even slightly increased, compressive strength slightly lower, dry shrinkage sex decreased; Compared to the normal concrete, slag and concrete flexural strength of sand and compressive strength are improved.Keywords: slag, concrete , mechanical properties目录 1 绪论 （4）1.1 高炉矿渣介 （4）1.1.1高炉矿渣概述 （4）1.1.2 高炉矿渣的分类 （4）1.1.3 高炉矿渣的用途（4）1.1.4 高炉矿渣在混凝土中的应用分析（4）2 矿渣与天然砂物化特性差异 （5）2.1 筛分析 （5）2.2 密度分析 （5）2.3 化学活性分析 （5）3 矿渣代砂水泥砂浆物理力学性能 （6）3.1 流动性分析（6）3.2 强度分析（7）3.3 干缩性分析 （10）4 矿渣代砂混凝土强度分析 （12）5 结论 （12）参考文献（13）致谢（13）1.绪论1.1 高炉矿渣简介1.1.1 高炉矿渣概述高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。在高炉冶炼生铁时，从高炉加入的原料，除了铁矿石和燃料(焦炭)外，还要加入助熔剂。当炉温达到1400一1600时，助熔剂与铁矿石发生高温反应生成生铁和矿渣。高炉矿渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质组成的，是一种易熔混合物。从化学成分来看，高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。11.1.2 高炉矿渣的分类由于炼铁原料品种和成分的变化以及操作工艺因素的影响，矿渣的组成和性质也不同。按照冶炼生铁的品种，高炉矿渣可分为铸造生铁矿渣、炼钢生铁矿渣和特种生铁矿渣。按照高炉矿渣化学成分中的碱性氧化物的多少。高炉矿渣又可分为碱性矿渣、中性矿渣和酸性矿渣。1.1.3 高炉矿渣的用途高炉矿渣可采用多种工艺加工成具有多种用途的宝贵材料。加工成矿渣碎石可代替天然砂石，作为混凝土、钢筋混凝土以及500号以下预应力钢筋混凝土骨料，工作温度700以下的耐热混凝土骨料，要求耐磨、防滑的高速公路、赛车场、飞机跑道等的辅助材料，铁路道渣、填坑道地和地基垫层填料，污水处理介质等。高炉熔渣用大量水淬冷后，可制成含玻璃体为主的细粒水渣，有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂作用下，显示出水硬胶凝性能，是优质水泥原料。我国生产的水泥有70一80掺用了不同数量的水渣。水渣还可作保温材料，湿碾和湿磨矿渣，混凝土和道路工程的细骨料；土壤改良材料等。2 热熔矿渣可加工成多孔的膨胀矿渣，经破碎、筛分后成为混凝土轻骨料，还可加工成内含微孔、表面光滑、大小不等的颗粒膨珠。膨珠是优质的混凝土轻骨料，比用膨胀矿渣可节省水泥20；还可作水泥混合材料、道路材料、保温材料等。 用压缩空气喷吹或高压蒸汽喷吹热熔矿渣流，可制取矿渣棉。作为保温、吸音、防火材料等用途。 此外高炉矿渣还可作为铸石、微晶玻璃、肥料、搪瓷、陶瓷等的原料。1.1.4 高炉矿渣在混凝土中的应用分析 混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料。它是由胶凝材料、颗粒状集料（也称为骨料）、水以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材。3原状粒化高炉矿渣的粒度与天然砂相近, 若能将其代替天然砂应用于水泥砂浆或混凝土中, 则不仅能有效减缓天然砂资源的消耗, 而且还能进一步提高和拓宽粒化高炉矿渣的利用率，本文主要研究高炉矿渣作为细骨料的本征特性及其对混凝土的力学性能的影响，从而为使粒化高炉矿渣更有效地开发利用提供必要的技术参数和科学依据。2.矿渣与天然砂物化特性差异2.1 筛分析矿渣和砂子的筛分析试验结果见表14。由筛分析试验结果可以计算出矿渣的细度模数为2.42,砂子的细度模数为2.65,它们均属于中砂。由表1可见, 尽管试验所用的矿渣和砂子均符合级配区砂,但相比于砂子,矿渣的粗颗粒较少, 细颗粒含量明显较多。表1 矿渣和砂子的筛分析试验结果筛孔尺寸筛余物/%累计筛余物/%矿渣砂矿渣砂级区5.0004.0604.061002.500.829.390.8213.452501.258.1410.878.9624.3250100.6340.9625.6249.9249.9470410.31540.6038.8190.5288.7592700.165.768.7396.2897.48100902.2 密度分析矿渣和砂子的密度、堆积密度及由此计算得到的空隙率结果见表2。由表2可见, 矿渣的密度比砂子略大。尽管矿渣颗粒结构疏松, 孔隙率较高, 但由于矿渣含有一定量铁元素, 因而矿渣密度比砂子略大。矿渣的堆积密度比砂子小,孔隙率比砂子大, 表明矿渣的颗粒级配比砂子差。5表2 矿渣和砂子的密度、堆积密度及孔隙率样品密度/（g/mL3）堆积密度（g/mL3）空隙率/%稠密条件一般条件稠密条件一般条件矿渣2.711.481.3145.3851.66砂2.631.661.5236.8842.202.3 化学活性分析矿渣的化学成分与硅酸盐水泥熟料相近,主要是SiO2 、CaO 、Al2O3 、MgO 等氧化物,经水淬急冷后的矿渣其玻璃体含量高,结构处于高能量状态, 不稳定。 砂子的主要化学成分为SiO2 ,矿物组成为石英。由于矿渣和砂子在化学成分和微观结构上存在的差异,决定了矿渣除了具有一定火山灰活性外,同时还具有一定的胶凝性,而砂子在常温下为惰性材料。在水灰比为0.29, 20水中养护条件下, 粉磨矿渣28, 60, 90 d 龄期的抗压强度分别为18.8 ,23.9 ,30.7 MPa。该结果充分表明了矿渣所具有的胶凝性。63 矿渣代砂水泥砂浆物理力学性能3.1 流动性分析图1, 2 分别为相同水灰比(0.50) 条件下不同矿渣代砂率水泥砂浆流动性以及同流动度( 145155 mm) 条件下不同矿渣代砂率水泥砂浆需水比的试验结果。 图1 矿渣代砂率水泥砂浆流动性图2 矿渣代砂率水泥砂浆需水比由图1, 2 可见, 随着矿渣代砂率的增大,同水灰比条件下矿渣代砂水泥砂浆流动性逐渐降低,或者同流动度条件下矿渣代砂水泥砂浆需水性逐渐增大。这主要是由于矿渣颗粒结构疏松,其吸水性大于砂子,同时矿渣的颗粒级配也要比砂子差,因而随着矿渣代砂率的不断增大,水泥砂浆的有效水灰比及流动性逐渐降低,为了保证相同的流动性,则水泥砂浆需水量将不断增加。73.2 强度分析图3,4 分别为同水灰比(0.50)条件下不同矿渣代砂率水泥砂浆各龄期抗折、抗压强度的试验结果。图3 水泥砂浆各龄期抗折强度图4 水泥砂浆各龄期抗压强度由图3可见,与基准水泥砂浆相比,无论是矿渣部分代砂还是全部代砂,其水泥砂浆的早期抗折强度均略有降低,但28 d 养护龄期后,不同矿渣代砂率水泥砂浆抗折强度不但不降低，甚至还略有提高。分析其原因可能是,由于矿渣的物理性能,诸如颗粒级配、颗粒强度等劣于砂子,造成其水泥砂浆早期抗折强度略有降低,28d 养护龄期后由于矿渣的化学活性不断激发,骨料-水泥浆界面的改善,使得其化学活性优势弥补了其物理性能的不足,从而使不同矿渣代砂率水泥砂浆的抗折强度赶上甚至超过基准水泥砂浆。由图4可见,矿渣代砂水泥砂浆抗压强度略有降低,与其抗折强度变化规律略不同的是,尽管56d养护龄期后矿渣代砂率50%的水泥砂浆抗压强度可赶上基准水泥砂浆,但大代砂率(50%)水泥砂浆抗压强度仍然低于基准水泥砂浆。分析其原因可能是,相对于抗折性能,水泥砂浆的受压性能更受其内部起骨架作用的砂子或矿渣颗粒自身强度的影响,由于矿渣颗粒强度低于砂子,尽管后期矿渣的化学活性不断激发,但其化学活性的优势仍然弥补不了其物理性能的不足,致使大代砂率水泥砂浆抗压强度仍然低于基准水泥砂浆。图5 为28d龄期基准水泥砂浆和矿渣代砂水泥砂浆界面的SEM照片。8图5 基准水泥砂浆和矿渣代砂水泥砂浆界面的SEM照片由图5 可见,天然砂与水泥浆体界面附近水化物较少,界面粘结性较差,存在明显的过渡区,因而往往是试件的应力薄弱区;而矿渣与水泥浆体界面附近水化物明显较多,界面过渡区域变得不明显,使得界面粘结性得到了明显改善。3.3 干缩性分析图6 为矿渣代砂率分别为0,50% ,100% 的水泥砂浆干缩率随时间的变化曲线。图6 矿渣代砂对水泥砂浆干缩的影响由图6 可见,不同矿渣代砂率水泥砂浆其干缩性随时间的变化趋势是一致的, 即随着时间的不断延长,水泥砂浆干缩率不断增加。早期由于水泥水化程度低, 自由水多,水泥砂浆的干缩大;后期随着水泥水化的不断进行,水泥砂浆的干缩不断趋于平缓。在相同龄期条件下,随着矿渣代砂率的增大,水泥砂浆干缩率逐渐减小。这主要是由于矿渣颗粒结构疏松,其吸水性大于砂子,相比于基准水泥胶砂试件,相同龄期条件下其自由水含量相对减少,因而其水泥砂浆的干缩率也相对降低。4 矿渣代砂混凝土强度分析图7 为不同强度等级矿渣代砂混凝土与基准混凝土各龄期抗压强度的比较。图7 矿渣代砂混凝土与基准混凝土抗压强度的比较由图7 可见,矿渣代砂混凝土与普通混凝土的抗压强度随龄期变化的趋势是一致的,随着龄期的不断增加,混凝土抗压强度不断提高;在龄期、水灰比相同的条件下,由于矿渣颗粒与砂子相比具有较强的吸水性,相当于降低了矿渣代砂混凝土的有效水灰比,又因矿渣具有一定的化学活性,可改善骨料-水泥浆界面结构,因此,不同强度等级的矿渣代砂混凝土抗压强度均比普通混凝土有一定提高。9图8（a）,（b）分别为水灰比为0.50的不同矿渣代砂率混凝土28d 抗折、抗压强度试验结果。图8 矿渣代砂对混凝土抗折、抗压强度的影响由图8 可见,随着矿渣代砂率的增大,其混凝土抗压强度和抗折强度值均缓慢提高,且二者的变化规律很相似。对比矿渣代砂水泥砂浆强度和混凝土强度的变化趋势可以看出,矿渣代砂不但没有明显提高水泥砂浆抗压强度,反而使其略有降低,但是矿渣代砂可使混凝土抗压强度有所提高。出现这种差异的原因可能是:对于水泥砂浆,由于其内部起骨架作用的矿渣颗粒级配及自身强度均低于砂子,这一负面影响未能被矿渣吸水性和化学活性这些有利因素所弥补,因而导致水泥砂浆抗压强度略有降低,但对于混凝土,石子作为粗骨料起主要骨架作用,矿渣颗粒级配及自身强度比砂子较低的负面影响对混凝土抗压强度影响较小,矿渣吸水性和化学活性的有利因素表现为提高了矿渣代砂混凝土的抗压强度。105.结论1. 矿渣与天然砂作为细骨料其物理化学性能差异明显:两者细度相近, 但矿渣的颗粒级配比砂子略差,孔隙率比砂子大;矿渣兼有火山灰活性和一定的胶凝性,而砂子在常温下是惰性材料。2. 随着矿渣代砂率的增加, 同水灰比条件下水泥砂浆的流动度逐渐降低, 或同流动度条件下水泥砂浆的需水性逐渐增大。3. 矿渣代砂水泥砂浆早期抗折强度略有降低, 28 d 养护龄期后其抗折强度不但不降低,甚至还略有提高;矿渣代砂水泥砂浆抗压强度略有降低;随着矿渣代砂率的增加,水泥砂浆的干缩率减小。4. 不同强度等级的矿渣代砂混凝土抗压强度均比普通混凝土有一定提高, 且随着矿渣代砂率的增大,其混凝土抗压强度和抗折强度均缓慢提高。参考文献1王葆霞.矿渣微粉的特性及应用.山西建筑,30(1):5051.2李建,谢友均,刘宝举等.石屑代砂混凝土力学性能研究J .混凝土, 2001, (7):2325.3 JOAO A.Rossignolo，Marcos V.C.Agnesini.M