钢渣基胶凝材料的化学减缩及其对混凝土早期开裂性能响

钢渣基胶凝材料的化学减缩及其对混凝土早期开裂性能响钢渣基胶凝材料的化学减缩及其对混凝土早期开裂性能响 钢渣基胶凝材料的化学减缩及其对混凝土早期开裂性能的影响1实践 目的钢渣是炼钢过程中产生的副产品 全球每年生产数亿吨钢渣 其中大部分被堆积起来 只有少部分被 堆积起来 利用率较低 同时废弃钢渣不仅占用大量土地资源 还会造成环境污染 因此对钢渣的综合利用途径已经成为急需解决的问题 目前 钢渣的综合利用途径主要有建筑 回填 炼钢 作为水泥或 混凝土掺合料等 钢渣矿物组成主要是硅酸三钙 C2S 硅酸二钙 C3S 铁铝酸盐 C4 AF 和少量的方镁石 MgO 以及游离氧化钙 钢渣的化学成分主要有C aO SiO 2 Fe2O 3 MgO 此外还有少量A12O 3 MnO 2 P2O5等 可见钢渣矿物化学组成与硅酸盐水泥熟料相似 钢渣经化学激发和机械激发后均具有较强的水硬胶凝性 具备用作 水泥混合材和混凝土掺合料的基础条件 1 本次综合实践通过对钢渣的基本物性的分析 了解其矿物组成及化 学成分 利用钢渣单掺及其掺量或与粉煤灰复掺研究对水泥或混凝土性能的 影响 来确定单掺钢渣掺量 钢渣与粉煤灰复掺掺量对钢渣水泥早 期化学减缩 混凝土坍落度 早期抗裂性 失水率等的影响规律 从而提高钢渣资源的回收利用和减少其对环境的污染 2实践内容在本次实验中 基于基准混凝土 以不同掺量的钢渣 钢 渣与粉煤灰1 1比例复掺对水泥的化学减缩影响 以单掺钢渣 钢渣 与粉煤灰复掺制成混凝土 与基准混凝土形成对照组 配合比见表1 并对对照组进行失水率试验 抗裂性试验 来确定单掺钢渣掺量 钢渣与粉煤灰复掺对混凝土性能的影响规律 表1混凝土配合比编号水泥钢渣粉煤灰砂 kg m3石子 kg m3水 kg m3 掺量 质量 kg m3掺量 质量 kg m3掺量 质量 kg m3C0100357000 07431070180CG170250301570157CGF2702501578 51578 5注C0表示基 准混凝土 CG1表示单掺钢渣30 的混凝土 CGF2表示钢渣与粉煤灰 复掺 下同 3试验原料及化学试剂水泥本试验所用的水泥是由苏州市第一建筑公 式提供的天山PO42 5水泥 其矿物分析如图1 图1水泥X射线衍射图砂本试验所用的砂是用4 75mm的筛子进行过筛 处理过 细度模数为2 52 砂的级配在 区 属于中砂 筛余检测结果见表2 表2砂的筛分表筛孔尺寸 mm4 75筛余量 g29 6累计筛余 g29 6累计 筛余百分率 5 982 3641 671 214 391 1850 8122 024 660 688 9 210 942 630 3210 9421 885 260 1571 3493 199 68底盘1 6494 71 00合计494 7494 7100石本试验所用的石子进过筛余试验后级配良好 石子的筛分表如表3 表3石子的筛分表筛孔尺寸 mm30筛余量 g1 55累计筛余 g1 545累计 筛余百分率 15 45253 805 3553 5202 447 79577 95151 689 479 4 7100 519 97599 7550 0210100合计1010100钢渣使用李氏瓶测得 密度为3 06g cm3 用勃式透气测得比表面积为423 5cm2 g 用FC 6型数显式水泥游离氧化钙快速测定仪测得的游离氧化钙为2 36 的 褐色粉末状固体 其矿物分析如图2 图2钢渣X射线衍射图粉煤灰本试验所用的粉煤灰为烘干标准样 化学试剂聚羧酸减水剂 固含量为42 4试验方案4 1钢渣等掺合料水泥的化学减缩试验本次实验中 化学 减缩试验利用量管中的液面高度作为原始体积 以后按不同水化龄 期读取液面高度 计算各龄期的体积减小值 用来表征该水泥的化学收缩 装置图如图3 2 实验步骤 称取50g试样放入锥形瓶 用玻璃棒搅拌使试样分散 并 排气泡 再将量管插入胶塞中 用胶塞塞紧瓶口 量管与胶塞接触处用凡 士林密封 用滴管通过量管向瓶内加水 使液面上升至接近量管的最大刻度 向量管中加一滴机油 用以封盖水面 防止水分蒸发 待稳定后 即可读取液面初始数据 再分别读取2h 4h 6h 8h 10h 12h 24h 1d 2d 3d量管的读数 并记录数据 图3化学减缩试验装置图4 2混凝土早期抗裂性试验 1 试验原理试验用于浇注试件的钢制模具平板 示意图如图4 试验的试件尺寸为600mm 600mm 64mm模具底部是一块有厚度为1cm 的有机玻璃板 其作用为防止随着时间推移混凝土试样中的水分从 底面蒸发损失 平板限制收缩法的基本原理是在平板试模四边的边框上面分别内设1 3根 8mm 长度为100mm的栓钉 这些栓钉的中心轴距为40mm 当混凝土在早期水化过程中 会导致塑性收缩 这些栓钉则阻止混 凝土试件收缩移动 充当裂缝诱发装置 对被测混凝土试件周边实 施等效的开裂诱导 使试件在其他试验条件相同的情况下快速开裂 2 试验步骤 将按配合比设计好的原料按照顺序投入混凝土搅拌 机搅拌 搅拌好后进行试件浇注 振实 抹平 将试样拿到室外 用塑料薄膜盖好 2h后取下薄膜并抹面 然后观察裂缝 纪录裂缝出现的时间 待24h后 再观察试件裂缝数量 宽度和长度 纪录裂缝的数量 测量宽度 长度 裂缝宽度W用40倍精度0 01mm的读数显微镜测量 取裂缝最宽处的数 值代表该裂缝的宽度 裂缝的长度以肉眼可见为准 用棉纱线沿着裂缝的走向测裂缝长度 再用钢尺测量其长度值L 试验时间应从混凝土搅拌加水开始计算 应在 24 0 5 h测读裂 缝 用棉纱线沿着裂缝的走向测裂缝长度 再用钢尺测量其长度值L 当一个刀口上有两条裂缝时 可将两条裂缝的长度相加 折算成一 条裂缝 裂缝宽度应采用放大倍数40倍的读数显微镜进行测量 并应测量每 条裂缝的最大宽度D 平均裂缝面积 单位面积的裂缝数目和单位面积上的总开裂面积应 根据混凝土浇筑24h测量得到裂缝数据来计算 根据24h的开裂情况 画出混凝土开裂示意图 根据24h的开裂情况 计算下列3个参数1 裂缝的平均裂开面积按公式 1 计算2ii1DL mm 2NiaN 根 1 2 单位面积的开裂裂缝数目按公式 2 计算2 mNbA 根 2 3 单位面积上的总裂开面积按 3 式计算22mm mCa b 3 式中Di 第i根裂缝的最大宽度 mm Li 第i根裂缝的长度 mm N 总裂缝数目 根 A 平板的面积0 36m2 图4平板试验图4 3混凝土失水率试验本次实验中 关于失水率的测 定是利用混凝土失水后质量变化的原理测定的 模具尺寸为24 5cm 24 5cm 5cm 试样与平板试样同时成型 成型后试样质量M0 为保持试样的一致性 成型后用塑料薄膜盖好 2h后取下薄膜 分别测定2h 3h 4h 6h 8h 10h 12h 24h试样的质量 然后按式 4 计算混凝土失水率0T0MMMS 4 式中S 失水率 M0 初始质量 MT T时刻的质量 5试验结果及分析5 1混凝土配合比设计及基本性能本试验所用进行 抗裂性试验时所用的混凝土配料表如表4所示 表4混凝土配料表编号水泥钢渣粉煤灰砂子 kg石子 kg水 kg聚羧酸 质量 kg掺量 100质量 kg掺量 质量 kg掺量 C010 71000022 2 932 105 401CG17 50703 223000CGF27 5701 61151 6115混凝土坍落 度按GB T50080 xx 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 对试验所用的混凝土 进行混凝土坍落度试验 记录如表5 表5坍落度试验数据编号CO CG1CGF2坍落度 mm125145170050100150200COCG1CGF2编号坍落度 mm 图5混凝土坍落度试验示意图图5为混凝土坍落度试验示意图 基准 混凝土的坍落度为125mm 单掺钢渣30 的混凝土的坍落度为145mm 而复掺钢渣与粉煤灰的混凝土的坍落度更高为170mm 坍落度大可解释为钢渣的活性较低 达到可塑性所需的水量较少 用钢渣替代部分水泥后 复合胶凝材料的需水量小于等质量纯水泥 的需水量 因此 在用水量不变的情况下 掺入钢渣会增加混凝士的流动性 3 而复掺钢渣与粉煤灰可使混凝土流动性更大 施工和易性良好 5 2钢渣等掺合料水泥的化学减缩试验本次试验对基准水泥试样 不 掺钢渣与粉煤灰 钢渣单掺掺量为10 20 30 40 钢渣与 粉煤灰掺量分别为为15 15 复掺 的6个试样进行2h 4h 6h 8h 10h 12h 24h 1d 2d 3d的量管液面进行测量 如图6所示 测量结果如表6所示 数据处理如图7所示 图6化学减缩试验实例图表6化学减缩编号收缩率 10h2h4h6h8h12h 24h48h72h CG011 7012 7714 8917 0219 1523 4036 1745 7452 13CG112 7715 9617 0219 1521 2824 4737 2345 7452 13CG213 7517 5017 5020 0 023 7526 2537 5050 0057 50CG311 8315 0516 1318 2819 3522 58 32 2641 9446 24CG420 0028 4233 6841 0547 3753 6873 6883 168 5 26CGF512 9015 0516 1318 2810 4322 5832 2643 0149 46注C0表 示基准水泥 CG1表示单掺钢渣10 CG2表示单掺钢渣20 CG3表示 单掺钢渣30 CG4表示单掺钢渣40 CGF5表示钢渣与粉煤灰复掺 由图7可知 单掺钢渣对钢渣水泥的化学减缩存在一个最佳掺量值 钢渣掺量为10 时的化学减缩比基准水泥试样无明显变化 钢渣掺量 达20 时可明显减少化学减缩 并且随钢渣掺量的增加化学减缩明显 减少 但当钢渣掺量达到40 时 钢渣水泥的化学减缩突然明显增加 钢渣与粉煤灰分别以15 掺量参加时 效果与钢渣单掺20 时相当 单掺钢渣40 时 钢渣水泥化学减缩增大的原因可能是因为水泥水化 产生的产物激发了钢渣的活性 使得钢渣水化 钢渣与水泥水化产 物充分反应 水泥水化收缩 钢渣水化也收缩 因而收缩值增大 化学减缩变明显 4 单掺钢渣30 时可为减少化学减缩的最佳值 0102030405060708090100061218243036424854606672时间 h收缩率 CG0CG1CG2CG3CG4CGF5图7化学减缩试验示意图5 3混凝土失水率试 验本次试验是研究钢渣及粉煤灰对混凝土水分蒸发的影响 对基准水泥 不掺钢渣及粉煤灰 单掺30 钢渣 复掺钢渣 粉煤 灰各15 的3块混凝土试块进行2h 3h 4h 6h 8h 10h 12h 24h 的时间间隔测量试样的质量 计算失水率结果如表7所示 各龄期的 失水率示意图如图8所示 表7混凝土失水率实验结果编号失水率 6h0h2h3h4h8h10h12h24h C001 732 603 394 024 334 734 814 81CG101 452 373 293 904 13 4 204 284 36CGF201 201 932 804 004 264 464 534 53由图8可知 基准混凝土和单掺钢渣以及钢渣与粉煤灰复掺的混凝土试件的失 水率较为同步 在前6h内失水率折线较陡 试件的水分蒸发量较大 钢渣与粉煤灰 复掺的试件失水率明显小于其他试件 在6h之后失水率折现渐渐趋于平缓 12h之后试件基本不再失水 单掺钢渣的试件失水率值最低 保水性较好 在水泥中掺钢渣 粉煤灰可减少混凝土的失水率 01234504812162024时间 h失水率 C0CG1CGF2图8混凝土失水率实验 结果示意图5 4混凝土开裂试验本次试验式样一共三块 其中一块不 掺钢渣及粉煤灰的基准混凝土试块 一块单掺30 钢渣的混凝土试块 及一块复掺钢渣及粉煤灰各15 的混凝土试块 三组试块开裂实验结果如表8 基准混凝土出现裂缝的试件时最早的 单掺及复掺的试块出现裂缝 的时间相当 表8混凝土开裂试验结果编号初始裂缝出现时间 min总裂缝数目5单 位面积裂缝数目 根 m2总裂缝面积 mm2单位裂开面积 mm2 m2裂缝平 均裂开面积 mm2 根C08013 89201 02279 1920 01CG1134513 89181 41251 9618 14CGF2135513 89410 93570 7441 09试块开裂图分别如 图9 11所示 从中可看出三块试块的裂缝数都为5条 因为混凝土板外表面上出现 较多泌水花纹 由于经验不足及当时试验条件 所以选取较为成熟 的裂缝进行记录 开裂试验的混凝土板外表面上出现的多是裂宽细小的裂缝 单掺钢渣的混凝土试块出现的裂纹都为细直 复掺混凝土的裂缝也 较直 但比前者裂缝长度长 基准混凝土的裂缝则多为分叉 单掺钢渣及钢渣与粉煤灰复掺对混凝土早期开裂性能的影响可从图1 2中看出 单掺钢渣的混凝土试块总裂缝面积 单位面积裂缝数目都 比基准混凝土低 但当钢渣粉煤灰复掺时开裂面积增大 比基准混 凝土都大 单掺钢渣时可抑制混凝土的早期开裂 而钢渣与粉煤灰1 1复掺时 混凝土的开裂加大 其原因可能是钢渣与粉煤灰的配比不合适 5 图9基准混凝土试块图10单掺30 钢渣混凝土试块图11复掺钢渣及粉 煤灰各15 的混凝土试块0100 xx00400500600C0CG1CGF2单