鋼渣高性能混凝土抗沖耐磨性能試驗

信玉良,侍克斌,努爾開力·依孜特羅甫,吳福飛

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊 830052)

鋼渣高性能混凝土抗沖耐磨性能試驗

信玉良,侍克斌,努爾開力·依孜特羅甫,吳福飛

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊 830052)

為有效利用大宗廢料鋼渣,設計制作了15組摻鋼渣粉混凝土試件,試驗研究鋼渣粉摻量對混凝土的工作性能、力學性能及抗沖耐磨性能的影響極其作用機理。結果表明:鋼渣粉可以改善混凝土的工作性能;在不同水膠比下,摻鋼渣粉混凝土的早期強度均小于基準混凝土,鋼渣摻量在10％～30％以內時,混凝土的后期強度與基準混凝土基本持平,且略有提高,鋼渣摻量大于30％時混凝土的后期強度下降較大;采用水下鋼球法測試混凝土28 d抗沖磨強度,得出鋼渣摻量在10％以內時混凝土的抗沖磨強度比基準混凝土略有提高,當鋼渣粉摻量大于20％時,混凝土的抗沖磨強度呈下降趨勢。因此,鋼渣粉作為混凝土摻合料時其摻量應控制在20％以內為宜。

鋼渣粉;高性能混凝土;工作性能;力學性能;抗沖耐磨強度

高速含沙水流對混凝土的沖刷磨損嚴重影響水工建筑物的服役壽命以及運行可靠度,是泄水建筑物出現損壞的主要因素之一[1-2]。隨著中國西南部一系列大壩的興建,如何提高嚴酷條件下水工混凝土的抗沖磨性能已經成為中國水電行業可持續發展的焦點問題之一[3],特別是在新疆這種河流泥沙含量較高的地區,對混凝土抗沖耐磨性能的研究就有更高的學術價值和經濟效益。

鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣,其產量是粗鋼產量的10％～15％[4-5]。隨著我國經濟的發展,對粗鋼的需求量不斷增加,我國鋼渣的排放量已經十分龐大。據統計,2009年鋼渣產生量為7 950萬t,利用量為1 749萬t,利用率僅為22％。鋼渣的堆存,不僅占用大量耕地,而且造成環境污染。目前,我國鋼渣應用主要是用于路基回填、鋼渣水泥、筑路材料等,與歐美等發達國家相比仍處于低附加值的利用模式,經濟效益和社會效益較低[6-9]。鋼渣中含有C2S、C3S等具有膠凝性能的成分,這與水泥的主要礦物成分相似,將鋼渣充當水泥混凝土摻合料不僅可以提高鋼渣的附加利用值,而且還使混凝土的傳統性能得到改善。

目前國內外使用的抗沖磨混凝土主要有纖維增強混凝土、鐵鋼砂混凝土、硅粉混凝土等,但纖維增強混凝土施工較困難,鐵鋼砂混凝土價格昂貴,硅粉價格高,大面積使用仍有困難[10],因而具有良好的施工性能、強度高、體積穩定性好、廉價的高性能混凝土成為當前國內外混凝土領域中的研究熱點。由于鋼渣廉價、耐磨的性質,本文對摻鋼渣粉混凝土進行試驗研究,以探究其工作性能、抗壓強度及抗沖耐磨性能方面的優劣。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

a.水泥:天山水泥廠生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥,化學成分見表1。

表1 水泥和鋼渣粉的化學成分％

b.細集料:細集料選用烏拉泊水庫上游烏魯木齊河中的水洗砂,為細度模數2.8(Ⅱ區)的中砂,含泥量0.3％,表觀密度為2610 kg/m3。

c.粗集料:粗集料采用烏拉泊水庫上游烏魯木齊河中的河卵石,粒徑5～20mm連續級配,含泥量1.6％。

d.鋼渣粉:鋼渣粉是產自寶鋼集團新疆八一鋼鋼鐵有限公司的鋼渣,先經過DM-Ⅱ型數顯洛杉磯磨耗試驗機粗磨120min,然后用ND7-10L球磨機細磨30 min所得粒徑小于0.63mm部分,細度為425m2/kg。磨細鋼渣粉的主要化學成分見表1。

e.減水劑:減水劑是新疆格輝科技有限公司生產的FDN高效減水劑。

f.水:符合JGJ63—2006《混凝土用水標準》要求的自來水。

1.2 試驗方案

a.將鋼渣微粉摻入混凝土,測試鋼渣混凝土的工作性能和力學性能及抗沖耐磨性能。水膠比取0.27、0.31、0.35,磨細鋼渣微粉以等質量取代水泥,取代量為水泥質量的0％、10％、20％、30％、40％。

b.高性能混凝土配合比參照相關規范[11]中的體積法來設計,坍落度取值范圍為16～21cm,具體配合比見表2。

表2 混凝土配合比

c.混凝土工作性能及力學性能參照相關試驗規程[12-13]進行試驗。

d.混凝土的抗沖耐磨性能按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》中具體規定進行。試驗儀器為南京水利科學研究院研制的HKS-Ⅱ型混凝土抗沖磨試驗機,該儀器應用攪拌葉在水中高速旋轉帶動水下不同直徑的鋼球,將荷載施加于鋼球上,對混凝土進行沖磨,磨掉的材料被循環水帶走,不斷暴露出新的表面,以此模擬高速流動具有推移質的河道;進而測定混凝土表面受水下高速流動介質磨損的相對抗力,用于評價混凝土表面的相對抗磨性能。

其中，xi為第i個地區的親子游網絡關注度，T為所有地區親子游網絡關注度總數，n為地區總數。一般來說，G的取值為0～100，G值越接近100，網絡關注度越集中；G值越小，網絡關注度則越分散。

混凝土抗沖磨試件規格為直徑300mm、高100mm的圓柱體,成型后將試塊移入養護室,在標準養護條件下養護28 d。試驗前需將試塊移入水中浸泡48 h,擦去表面水分,稱取質量m1,然后將試塊放入抗沖磨試驗機。確定軸轉速1 200 r/min,累計沖磨72 h,清洗干凈,擦去表面水分,稱取質量m2。混凝土抗沖磨指標以抗沖磨強度表示。抗沖磨強度計算式為

式中:Rn為抗沖磨強度,(h·m2)/kg;T為試驗累計時間,h;A為試驗受沖磨面積,m2;m1,m2分別為試驗前、后的質量,kg。

磨損率按下式計算:

式中L為磨損率。

2 試驗結果與分析

2.1 工作性能

表3 混凝土的坍落度及各齡期的抗壓強度

2.2 力學性能

對不同配合比混凝土各齡期的抗壓強度進行測試,試驗結果如表3所示。由表3可見,在不同水膠比下單摻鋼渣粉時,混凝土的早期抗壓強度隨著鋼渣摻量的增加逐漸減小,且均小于基準混凝土的抗壓強度。鋼渣混凝土的后期強度增長較快,當鋼渣摻量為10％時混凝土后期強度最大。鋼渣摻量大于10％時隨著摻量的增加其后期強度逐漸減小,且鋼渣摻量為20％時后期強度與基準混凝土基本持平,當鋼渣摻量大于30％時混凝土的后期強度較基準混凝土下降較快,這與膠凝材料本身的化學成分及水化特點密切相關。鋼渣主要化學成分為C3S、C2S、C3A、C4AF以及RO等[15],其中具有水硬性的C3S、C2S、C3A、C4AF含量較少,其水化反應從大到小次序為:C3A、C3S、C4AF、C2S[16],且鋼渣中所含C3A、C3S活性比水泥中的要小,而C4AF、C2S卻較水泥熟料高。早期水化較快的C3A、C3S與水迅速反應生成C-S-H、Ca(OH)2和Al2O3·H2O等。其中C-S-H為水化硅酸鹽膠凝相,對硬化水泥漿體的性質起決定作用。所以摻鋼渣微粉的混凝土早期強度(1 d、3 d、7 d)均小于基準混凝土,且隨著鋼渣摻量的增加混凝土的早期強度下降越大。反應物中的Ca(OH)2可以激化鋼渣粉水化并與其發生二次水化,一方面減小了Ca(OH)2晶體的含量,同時又生成了水化鋁硅酸鈣,與水泥漿硬化體晶格堅固地結合起來,對混凝土后期(28 d、60 d、90 d)強度的發展有利。然而當鋼渣摻量過大時,水化產物C-S-H卻減小,使得混凝土的后期強度降低。故鋼渣摻量在一定范圍時混凝土后期強度略有提高,當鋼渣摻量大于30％時混凝土的后期強度出現下降趨勢,所以鋼渣摻量應控制在10％～30％以內。

2.3 抗沖磨試驗分析

圖1 部分試驗抗沖磨前后對比(水膠比為0.27)

圖1是水膠比為0.27時,鋼渣摻量為10％和30％混凝土試件抗沖磨前后照片。由圖1可見,在相同水膠比下鋼渣粉的摻量對混凝土的抗沖磨性能有較大影響。表4是不同配合比混凝土28d抗沖磨結果,圖2為抗沖磨強度與鋼渣摻量的關系。由表4、圖2可知,混凝土的抗沖磨強度主要與水膠比和鋼渣摻量有關。無論摻鋼渣與否,混凝土28 d的抗沖磨強度均隨水膠比的增大而降低。在相同水膠比下,隨著鋼渣摻量的增加混凝土抗沖磨強度下降較快,在鋼渣摻量小于或等于10％時,混凝土的抗沖磨強度會略有提高,但與基準混凝土的抗沖磨強度基本持平。當鋼渣摻量大于20％時,混凝土的28 d抗沖磨強度隨鋼渣粉摻量的增加逐漸下降。鋼渣粉摻量對混凝土28 d的抗沖磨強度的影響大于水膠比。其原因是:①鋼渣粉比表面積不大,產生的水化產物不能很好地填充水泥石間的微空隙結構使其足夠密實;②鋼渣摻量在20％以內時混凝土的抗壓強度與基準混凝土大致持平,但摻量大于30％時較基準混凝土低,沒有強度優勢;③根據相同稠度的單礦物漿體水泥石及單礦物水泥砂漿的磨損試驗得出結論:C3S抗磨蝕能力最好,C2S最差,C3A和C4AF兩者的抗磨蝕能力較接近[17]。由于鋼渣粉與水泥化學成分的差異,使摻鋼渣粉混凝土形成水泥石的抗磨蝕能力比基準混凝土差。這樣就造成摻鋼渣粉摻量在小于或等于10％時,混凝土的抗沖磨強度較基準混凝土沒有明顯優勢,在摻量大于20％時隨著鋼渣摻量的增加,其抗沖磨強度下降。

表4 不同配比混凝土28 d抗沖磨試驗結果

圖2 抗沖磨強度與鋼渣摻量的關系

3 結論

a.摻入鋼渣粉可以改善混凝土的工作性能,其保水性和黏滯性較基準混凝土有很大改善,坍落度和流動性亦能滿足泵送要求,有利于混凝土生產和施工。

b.不同鋼渣粉摻量的混凝土抗壓強度隨水膠比的減小而增大,隨混凝土齡期的增大而增大,且28 d以前混凝土的抗壓強度增長較快,90 d以后增幅不明顯。這與普通混凝土抗壓強度的發展規律相同。但摻鋼渣粉混凝土和基準混凝土的抗壓強度隨齡期的變化有差異,摻鋼渣粉混凝土的前期強度(1 d、3 d、7 d)較基準混凝土增長慢,后期強度(28 d、60 d、90 d)卻比基準混凝土增長快。

c.摻入鋼渣粉使混凝土的早期強度降低,并且鋼渣粉摻量越大早期強度下降越大;摻鋼渣粉混凝土的后期強度增長較快。同水膠比、同齡期下,當鋼渣粉摻量小于或等于20％時,混凝土的后期強度比基準混凝土略有提高,但幅度不大。當鋼渣摻量大于30％時混凝土的后期強度較基準混凝土小,且隨著鋼渣粉摻量的增加,混凝土的后期強度較基準混凝土減小幅度變大。

d.摻入鋼渣粉對混凝土的抗沖磨強度影響較大,當鋼渣摻量小于10％時,混凝土28d抗沖磨強度比基準混凝土會略有提高,摻量大于20％時混凝土的抗沖磨強度小于基準混凝土,且隨著鋼渣粉摻量的增加而下降。這與同齡期混凝土抗壓強度隨水膠比的變化規律相似。

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Study on the abrasion resistant properties of high performance concrete with steel slag powder

//XIN Yuliang,SHI Kebin,YIZITELUOPU Nuerkaili,WU Fufei(The College of Civil and Hydraulic Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

In order to use a large amount of industrial waste more efficiently,15 groups of concrete specimens with different contents of steel slag powder(SSP)were designed and produced.An experimental study with a special emphasizes on the influence of SSP contents on the workability,mechanical properties,and abrasion resistance of concrete was carried out.The test results showed that the workability of concrete could be improved by steel slag powder,and in the different water glue ratio,the early strength of concrete with steel slag powder is less than the reference concrete.When the dosage of steel slag is within 10％-30％,the late strength of concrete with steel slag powder is approximately equal or slightly higher than the reference concrete.While the dosage of steel slag is greater than 30％,the late strength of concrete decreased greatly.In this experiment,the concrete's anti-abrasion strength of 28 day is tested by high-speed under water method.The results show that anti abrasion strength of concrete with steel slag powder increases slightly than the benchmark concrete when the steel slag content within 10％.When the steel slag is greater than 20％,the anti-abrasion strength of concrete decreased.Therefore,when the steel slag poses as admixture of concrete,the volume should be controlled within 20％.

steel slag powder;high performance concrete;workability;mechanical properties;abrasion resistant properties

TU528

:A

:1006-7647(2014)06-0040-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.009

2013-09-05 編輯:徐娟)

高等學校博士點專項科研基金(20106504110005);新疆科技支撐計劃(201233132);新疆水利水電工程重點學科基金(XJzdxk-2010-02-12)

信玉良(1987—),男,河南許昌人,碩士研究生,從事水工材料應用研究。E-mail:xinjianghenan@126.com

侍克斌(1957—),男,新疆石河子人,教授,博士,主要從事水利水電工程施工研究。E-mail:xndsg@sina.com