不同養護條件下GBFS高強水泥基材料的力學性能

石東升, 李 科, 薛欣欣, 韓佳彤,2

(1.內蒙古工業大學 土木工程學院, 內蒙古 呼和浩特 010051;2.呼和浩特市市政工程技術服務中心, 內蒙古 呼和浩特 010020)

提高工業固體廢棄物綜合利用率,進行節能減排是中國近年來的一項重要工作[1].2018年中國粗鋼產量達到9.28億t[2],所產生的高爐礦渣超3億t;同時,中國的天然砂資源短缺問題日益突出[3].粒化高爐礦渣(GBFS)的物理性能類似天然砂,其化學組成接近于水泥熟料,具有一定的潛在水硬性[4].早在20世紀80年代就有學者針對GBFS替代天然砂，用作混凝土細骨料進行研究.依田彰彥[5]研究發現,相同配合比條件下GBFS細骨料混凝土7d抗壓強度低于普通天然砂混凝土,而5a抗壓強度高出普通混凝土5%～18%.Patra等[6-7]研究表明,GBFS代砂混凝土及代砂水泥砂漿短齡期強度小于普通混凝土,但其長齡期強度隨著代砂率的增加而增加.Gallucci等[8]研究表明,養護溫度對混凝土早期強度有積極作用;Long等[9-10]研究發現,蒸汽養護會使混凝土發生腫脹變形、脆性增大等熱傷損效應,但總體上能夠提高混凝土的強度[11].

本文以GBFS替代部分石英砂,對GBFS高強水泥基材料進行力學性能研究,以期為拓寬鋼鐵廢渣利用途徑、緩解天然砂資源供需矛盾提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

水泥：符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥.石英砂：粗、中、細3種粒徑分別為0.16～0.315mm、0.315～0.63mm和0.63～1.25mm.GBFS：某鋼鐵公司原狀粒化高爐礦渣,由于原狀礦渣中粒徑0.16～0.315mm的組分占比很少,本試驗選擇粒徑0.315～0.63mm、0.63～1.25mm和1.25～2.5mm的3種礦渣.硅灰：某硅材有限責任公司產,SiO2含量(質量分數,文中涉及的含量、水膠比等除特別注明外均為質量分數或質量比)大于91%.減水劑：聚羧酸高效減水劑.表1為原材料的化學組成.圖1為GBFS和石英砂的顯微照片.由圖1可見,GBFS顆粒形狀不規則,石英砂顆粒形狀較規則.

表1 原材料的化學組成Table 1 Chemical composition of raw materials w/%

1.2 配合比

本研究選取GBFS高強水泥基材料的水膠比(mw/mb)為0.14和0.20;GBFS代砂率(體積分數)為0%、50%和100%.6種高強水泥基材料試件的配合比見表2.

1.3 養護條件

1.3.1標準養護

將拌和物澆入試模后,在其表面覆蓋塑料薄膜,于20℃下室內養護12h;待試件脫模后,放入標準養護室((20±2)℃、相對濕度大于90%)中繼續養護至試驗齡期.

圖1 粒化高爐礦渣和石英砂的顯微照片Fig.1 Micrographs of GBFS and quartz sand

表2 試件配合比Table 2 Mix proportion of specimens kg/m3

1.3.2蒸汽養護

試件成型脫模(具體過程同標準養護)后,先將其放入蒸汽恒溫恒濕箱((70±5)℃、相對濕度大于95%)中養護72h,再轉入標準養護室中繼續養護至試驗齡期.

1.3.3高溫壓蒸釜養護

試件成型脫模(具體過程同標準養護)后,將其放入高壓釜進行蒸壓養護.高壓釜養護過程分升溫(1h)、恒溫(2h)和降溫(3h)3個階段,其中恒溫階段壓強設置為1.4MPa(換算成溫度為190℃);待試件冷卻后(約4h)取出,再轉入標準養護室中繼續養護至試驗齡期.

1.4 測試方法

1.4.1力學性能測試

試件抗壓強度和抗折強度試驗依照GB/T 17671—1999《水泥砂膠強度檢驗方法(ISO法)》進行;試件彈性模量和劈裂抗拉強度試驗依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行.

1.4.2微觀形貌觀察

利用激光共聚焦顯微鏡對7d齡期試件的骨料- 膠凝界面進行微觀形貌觀察.

2 力學性能試驗結果

2.1 抗壓強度和抗折強度

表3為不同養護條件下試件抗壓強度和抗折強度試驗結果.由表3可知：各試件28d抗壓強度在標準養護、70℃蒸汽養護、高溫壓蒸釜養護條件下分別超過100、115、125MPa,其中高溫壓蒸釜養護條件下最高可達168MPa;而在不同養護條件下其抗折強度差別較大,最小值為13.6MPa,最大值為30.8MPa.

2.2 劈裂抗拉強度與彈性模量

由于劈裂抗拉和彈性模量試件體積較大,而試驗用高溫壓蒸釜體積較小,無法進行高溫壓蒸釜養護下試件的劈裂抗拉強度和彈性模量試驗,故表4

表3 不同養護條件下試件抗壓強度和抗折強度Table 3 Compressive strength and flexural strength of specimens under different curing conditions MPa

表4 不同養護條件下試件28d劈裂抗拉強度和彈性模量Table 4 28d split tensile strength and elastic modulus of specimens under different curing conditions

僅列出標準養護與70℃蒸汽養護條件下試件28d劈裂抗拉強度和彈性模量試驗結果.由表4可知,與標準養護相比,70℃蒸汽養護能夠提高GBFS高強水泥基材料試件的劈裂抗拉強度與彈性模量,但試驗數據離散性較大.

3 力學性能結果分析

3.1 抗壓強度

由表3可見：(1)無論是何種養護方式,各試件的抗壓強度均隨著養護齡期的延長而增大,且相同代砂率、相同養護齡期條件下水膠比為0.14的試件抗壓強度大于水膠比為0.20的試件.(2)高溫壓蒸釜養護條件下,0%代砂率試件Q14、Q20的3d抗壓強度就能達到標準養護條件下28d抗壓強度的110.6%和110.0%,且50%、100%代砂率試件(M14、M20,G14、G20)3d抗壓強度可達標準養護條件下28d抗壓強度.(3)70℃蒸汽養護條件下,試件G14、G203d抗壓強度相比標準養護提高了28.4%和36.7%,且試件G147d抗壓強度達到標準養護28d的102%.(4)當養護齡期為28d時,各試件在標準養護條件下的抗壓強度與在高溫壓蒸釜養護、70℃蒸汽養護條件下的差距有所減小,且基本接近70℃蒸汽養護,但與高溫壓蒸釜養護仍有較大差距.由上可知,GBFS高強水泥基材料在高溫壓蒸釜養護、70℃蒸汽養護條件下的短齡期(3、7d)抗壓強度明顯高于標準養護,這是由于高溫高壓環境加速且充分促進了凝膠材料的水化反應,快速形成了水合物,致使GBFS高強水泥基材料早期強度高于標準養護,與文獻[12-13]結論相一致.

由表3還可見：在標準養護和70℃蒸汽養護條件下,50%代砂率試件抗壓強度最高,0%代砂率次之,100%代砂率最小;在高溫壓蒸釜養護條件下,0%代砂率試件抗壓強度最高,50%代砂率次之,100%代砂率最低,但在7～28d養護齡期時,100%代砂率試件抗壓強度增長率大于0%代砂率試件.這是由于GBFS具有潛在水硬性,高溫壓蒸釜養護促進了其潛在水硬性的發揮,使GBFS高強水泥基材料抗壓強度增長率大于石英砂高強水泥基材料,與文獻[14]試驗結果一致;但由于GBFS顆粒形狀不規則、自身缺陷較多,總體上GBFS高強水泥基材料的強度要低于石英砂高強水泥基材料.

3.2 抗折強度

由表3可知：(1)試件抗折強度變化規律與抗壓強度一樣,均隨著養護齡期的延長而增大;當養護齡期相同時,各試件抗折強度大小依次為高溫壓蒸釜養護、70℃蒸汽養護和標準養護;試件在高溫壓蒸釜養護條件下3d齡期抗折強度要遠大于標準養護.這是由于標準養護條件下凝膠材料水化反應緩慢,而高溫高壓促進了凝膠材料的水化反應,使試件在短期內提高了其抗折強度.(2)除水膠比為0.20的高溫壓蒸釜養護試件外,0%代砂率試件抗折強度最高、50%代砂率次之、100%代砂率最小.50%代砂率試件抗折強度大于100%代砂率試件,是由于50%代砂率試件中同時有GBFS和石英砂,既發揮了GBFS的潛在水硬性,又發揮了石英砂作為惰性材料和填充材料的作用.

3.3 劈裂抗拉強度

由表4可知：(1)在標準養護和70℃蒸汽養護條件下,代砂率對各試件28d劈裂抗拉強度的影響規律為0%代砂率>50%代砂率>100%代砂率.(2)相比標準養護,70℃蒸汽養護條件下,0%代砂率試件劈裂抗拉強度增長量最少;50%代砂率試件劈裂抗拉強度增長量較多;100%代砂率試件劈裂抗拉強度增長量最大,且100%代砂率試件28d劈裂抗拉強度與50%代砂率試件基本持平.

3.4 彈性模量

由表4可知：當水膠比為0.14時,3種代砂率試件在70℃蒸汽養護條件下的彈性模量相比標準養護提高較小,且均大于水膠比0.20時的彈性模量；水膠比為0.20時,3種代砂率試件在70℃蒸汽養護條件下的彈性模量相比標準養護增長幅度較大,石英砂高強水泥復合材料試件(Q20)提高了20%,GBFS高強水泥基材料試件(G20)提高了38%,混合骨料高強水泥基材料試件(M20)提高了42%.由上述分析可知,70℃蒸汽養護對于水膠比0.14的高強水泥基材料彈性模量影響較小,而對于水膠比0.20的高強水泥基材料影響較大,且水膠比為0.20時,不同代砂率的高強水泥基材料在70℃蒸汽養護條件下彈性模量提高幅度依次為：50%代砂率試件>100%代砂率試件>0%代砂率試件.

3.5 抗折強度與抗壓強度的關系

對表3中試件的抗壓強度與抗折強度關系進行擬合.結果表明：(1)3種養護條件下試件抗折強度均隨著抗壓強度的增加而增加.(2)對于代砂率為0%、100%的試件,當抗折強度相同時,高溫壓蒸釜養護條件下抗壓強度最高;對于代砂率為50%的試件,當抗折強度相同時,70℃蒸汽養護條件下抗壓強度最高.

3.6 劈裂抗拉強度與抗壓強度的關系

對表3中試件的劈裂抗拉強度與抗壓強度關系進行擬合.結果表明：(1)代砂率不同的各試件劈裂拉強度與抗壓強度均呈正相關,且劈裂抗拉強度與抗壓強度的比值為1/40～1/20.(2)隨著代砂率的增大,試件的劈裂抗拉強度與抗壓強度的比值逐漸減小.當代砂率為0%時,兩者比值接近1/20；當代砂率為100%時,兩者比值接近1/40.

3.7 彈性模量與抗壓強度的關系

本研究分別借鑒許錦峰提出的經驗公式[15]和GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》給出的彈性模量計算式,對3種代砂率試件的彈性模量與抗壓強度進行擬合,結果見表5.

許錦峰提出的經驗公式為：

(1)

GB 50010—2010給出的經驗公式為：

(2)

式中：E為彈性模量;f為抗壓強度;a、b為系數.

表5 不同代砂率試件彈性模量與抗壓強度間的公式擬合Table 5 Formula fitting of elastic modulus and compressive strength of high strength cement-based materials with different sand replacement ratio

由表5可知,GBFS高性能水泥基材料與普通石英砂高性能水泥基材料相似,其彈性模量隨著抗壓強度的增加而增加,且彈性模量隨抗壓強度的增長速率依次為代砂率100%試件>代砂率50%試件>代砂率0%試件.

4 微觀結構分析

圖2為2種高強水泥基材料試件(Q14和G14)在不同養護條件下的激光共聚焦顯微照片.由圖2可見：100%代砂率試件(G14)與0%代砂率試件(Q14)一樣,在標準養護條件下，其界面過渡區中的骨料與膠凝體有明顯區分,可清晰分辨出界面;在70℃蒸汽養護條件下,雖然其界面過渡區能分辨,但形成了較窄的模糊過渡帶,說明在蒸養環境下高強水泥基材料發育致密;在高溫壓蒸釜養護條件下,界面過渡區非常致密,骨料與膠凝漿體融為一體,已無法分辨過渡區.說明高溫高壓環境會促進高強水泥基材料內部的水化反應,這是導致在高溫壓蒸釜養護條件下高強水泥基材料的力學性能明顯優于70℃蒸汽養護和標準養護的原因.由圖2還可見：100%代砂率試件(G14)與0%代砂率試件(Q14)微觀形式有明顯不同,Q14內部骨料與膠凝漿體過渡區呈現直線形式,而G14中骨料與膠凝漿體呈不規則的曲線狀,這是由于GBFS本身具有的不規則形狀造成的.

通過以上分析可知,GBFS高強水泥基材料與普通石英砂高強水泥基材料一樣，界面過渡區結構均隨著養護溫度的提高,變得越來越密實.70℃蒸汽養護和高溫壓蒸釜養護均能改善高強水泥基材料界面過渡區的微細觀結構,使體系密實度進一步提高.尤其是高溫壓蒸釜養護使得過渡區水化填充效應得到不斷改善,體系中的骨料顆粒與水化膠凝體緊密粘結在一起,從而使抗壓強度得到提高.

圖2 GBFS高強水泥基材料在不同養護條件下的顯微照片Fig.2 Micrographs of GBFS high-strength cement-based materials under different curing conditions

5 結論

(1)GBFS高強水泥基材料強度發展規律與普通石英砂高強水泥基材料一致,其抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均隨水膠比的降低、養護齡期的增加及養護溫度的增高而增大;相同配合比、相同養護條件下,GBFS高強水泥基材料抗壓強度等力學性能要低于普通石英砂高強水泥基材料.

(2)70℃蒸汽養護和高溫壓蒸釜養護不僅能提高GBFS高強水泥基材料的早期強度,還使其后期強度發展高于標準養護;3種養護條件下GBFS高強水泥基材料的抗折強度、抗劈裂拉強度和彈性模量均隨著抗壓強度的增加而增加,其中彈性模量與抗壓強度的關系可用通常混凝土計算公式描述.

(3)GBFS高強水泥基材料與普通石英砂高強水泥基材料的微觀結構相類似.在標準養護條件下,其骨料界面過渡區中的水泥漿體與骨料結合緊密,但可明顯分辨;在70℃蒸汽養護條件下,其骨料界面過渡區進一步致密,形成了較窄的模糊過渡帶,但依然可區分骨料和水泥膠凝體;高溫壓蒸釜養護條件下,其骨料與水泥膠凝材料融為一體,已分辨不出界面過渡區.