鋼渣集料對泡沫混凝土性能的影響

石司琴,陳德鵬,2,趙 亮

鋼渣集料對泡沫混凝土性能的影響

石司琴1,陳德鵬1,2,趙 亮1

(1.安徽工業大學建筑工程學院,馬鞍山 243002; 2.安徽工業大學綠色建材研究所,馬鞍山 243002)

為探索鋼渣的低能耗資源化利用途徑,該文以鋼渣作為集料,對使用不同級配和不同摻量鋼渣集料的泡沫混凝土的基本性能進行試驗研究。試驗中采用了5種不同鋼渣級配和5個鋼渣摻量等級(10%～50%)用作泡沫混凝土的集料,從抗壓強度、吸水率和干體積密度3個方面對其綜合性能進行測試。試驗結果表明:鋼渣作為集料會增大泡沫混凝土干密度及吸水率,且混凝土強度均呈先增后減趨勢,當鋼渣粒徑定為0.3 mm,摻量在30%時強度達到最大。同時,隨著鋼渣粒徑的增大和摻量的增加,泡沫混凝土后期強度變化率均增大,這說明鋼渣與水泥之間具有協同作用,有利于促進水化反應,一定程度上提高了鋼渣泡沫混凝土的強度。

鋼渣; 泡沫混凝土; 抗壓強度; 干體積密度; 吸水率

鋼渣是鋼鐵生產過程中的常見工業固體廢棄物,其排出量約占粗鋼產量的15%～20%[1]。鋼渣的堆積,不僅占用了大量的土地,并且造成了嚴重的環境污染,破壞生態環境。2015年3月發布的《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》明確要求,到2015年我國工業固體廢物綜合利用率要達到72%。

由于鋼渣的組成成分和水泥大致相同,目前大多采用鋼渣取代水泥制備鋼渣泡沫混凝土,也有相關研究者[2-4]將鋼渣采用超細粉磨激發水化活性并消除f-Cao的危害。化學激發復合方式來改善其安定性和水化活性,但由于鋼渣成分不穩定,膠凝性能較水泥低,以致鋼渣粉末不能大量取代水泥。許多研究的試驗結果表明:鋼渣粉取代水泥會降低混凝土的強度,鋼渣泡沫混凝土的吸水率和導熱系數均會上升[5-9]。

該文將考慮鋼渣在墻體材料中的應用,將鋼渣砂作為細集料配制鋼渣泡沫混凝土。鋼渣用于細集料減少了其超細粉磨、化學激發的步驟,能夠有效地降低鋼渣利用中的能耗并實現鋼渣的大宗量利用。鋼渣集料泡沫混凝土開拓了鋼渣產品在墻體材料中的應用,也有望打破限制鋼渣在混凝土中大量、高附加值利用技術瓶頸,為鋼渣在建筑材料方面的利用提供理論支撐,并有助于推動泡沫混凝土的廣泛應用。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥:安徽海螺牌P O 42.5級普通硅酸鹽水泥,比表面積為357 m2/kg,表觀密度為3 100 kg/m3。初、終凝時間分別為203 min和259 min,3 d、28 d抗壓強度為27.4 MPa和55.6 MPa。

鋼渣:采用的鋼渣為安徽馬鞍山馬鋼鋼渣,鋼渣陳伏時間較長(2年),鋼渣表面較為粗糙且多孔。表1為水泥、鋼渣的化學成分。

表1 水泥和鋼渣的化學組成w/%

鋼渣表觀密度為3 400 kg/m3,堆積密度為1 640 kg/m3,松散空隙率為51.76%。鋼渣含水率是3.23%,吸水率為17.75%,鋼渣X射線衍射分析結果如圖1所示。從表1和圖1中可知:鋼渣中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3為主要成分,占全部組分的87.59%,由于鋼渣陳伏時間較長,使得鋼渣中部分氧化物轉化成氫氧化物,經計算所用檢驗批的鋼渣堿度為3.7%,屬高堿度鋼渣,且鋼渣堿度越大活性越高,高堿度的鋼渣中含大量的C2S和C3S,以C3S為主。

此外,發泡劑優選使用蘇州華航化工的K12,化學名稱為十二烷基硫酸鈉,稀釋倍數30倍,其發泡倍數、1 h泌水量和1 h沉降距均能滿足要求。穩泡劑采用長沙仙山源農業有限責任公司的茶皂素,摻量為0.5%。早強劑選用上海影佳實業發展有限責任公司甲酸鈣,其摻量為1.5%。減水劑是高效萘系減水劑,摻量為1.5%。速凝劑為安徽廬江縣礬山眾興新型建筑材料廠生產,摻量4%。

1.2 方法

1)鋼渣泡沫混凝土制作工藝過程

鋼渣泡沫混凝土試件的制備包括泡沫的制備、鋼渣水泥漿體的制備、泡沫摻入漿體的攪拌過程及最后的入模澆筑過程。

鋼渣泡沫混凝土的制作工藝流程圖如圖2所示。

鋼渣泡沫混凝土制作過程為:取適量發泡劑稀釋30倍,采用高速攪拌機攪拌4 min發泡,再按設定的水泥、鋼渣、水及外加劑等物料計量混合攪拌,加入泡沫攪拌5 min制成均勻的漿體,澆筑成100 mm×100 mm ×100 mm試塊,室溫下養護1 d后脫模,在(20±2)℃相對濕度大于90%的養護室內養護至合適齡期。

2)鋼渣泡沫混凝土性能試驗方法

參照《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)測定抗壓強度、干體積密度和吸水率。

3)鋼渣泡沫混凝土配合比

試驗中,鋼渣作為集料加入泡沫混凝土中進行試驗測試性能,泡沫混凝土配合比依據李應權[10]的固定混合料的體積法進行設計,比較鋼渣的不同摻量和不同粒徑對泡沫混凝土基本性能的影響。試驗配合比分兩種情況,首先保持摻量不變,改變鋼渣粒徑,最大粒徑分別為0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm和2.36 mm,鋼渣為連續級配;然后固定鋼渣粒徑為0.15 mm,鋼渣摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%;試驗中水灰比為0.5,材料用量比例見表2。

表2 鋼渣泡沫混凝土配合比

因鋼渣自身有一定的含水率和吸水性,且粒徑為0.15 mm的鋼渣實驗組因粒徑太小導致顆粒間作用力增大,為防止鋼渣出現團聚現象,試驗中添加減水劑和適量水使得漿體拌合均勻流動性好,同時可以控制因漿體稠度低而出現鋼渣分層離析的現象。

2 結果與討論

2.1 鋼渣粒徑對泡沫混凝土的影響

試驗中鋼渣摻量固定為一定量20%,泡沫混凝土設計密度等級為800 kg/m3,按計量稱量各原材料制作鋼渣泡沫混凝土,鋼渣粒徑為5個等級的連續級配,澆筑試模養護至齡期,測試其試塊干密度、吸水率、7 d和28 d強度等指標。數據見表3。

表3 不同粒徑的鋼渣泡沫混凝土性能

從表3中可見,鋼渣摻量固定不變時,不同鋼渣粒徑制得鋼渣泡沫混凝土的干密度、吸水率、7 d和28 d抗壓強度均有一定變化。對表3中干體積密度數據作圖分析可直觀看出(見圖3):鋼渣的摻入會大大改變鋼渣泡沫混凝土的干密度,且隨著鋼渣粒徑的增大,鋼渣泡沫混凝土的干體積密度增大,增長率也呈上升趨勢。原因是鋼渣作為集料加入,其自身重量較水泥大而直接增大泡沫混凝土的干體積密度,再加之鋼渣質量大且有吸水性,摻入泡沫混凝土中,鋼渣水化反應所需的水分會占據泡沫一部分,泡沫因外部水膜失水而致使破滅,進而鋼渣泡沫混凝土的干體積密度增大,其密度等級屬于JG/T 266—2011標準中的A09～A10級。鋼渣集料泡沫混凝土的吸水率曲線關系如圖4所示,鋼渣粒徑為0.15 mm的試塊吸水率比普通泡沫混凝土低,可能是因為鋼渣粒徑偏小,顆粒間作用力增大,且鋼渣活性增強,泡沫氣孔較小致使吸水低。隨著鋼渣粒徑增大,吸水率快速上升,鋼渣比表面積的減小,鋼渣自身后期吸水量增大,且鋼渣粒徑較大,鋼渣吸水后體積膨脹使得混凝土的界面過渡區結構蓬松,多余水分在硬化過程中蒸發,增加了泡孔間壁開口孔隙的幾率,進而導致吸水率增大,摻入鋼渣后的吸水率等級達到了W25左右。

不同鋼渣粒徑泡沫混凝土7 d、28 d抗壓強度關系曲線見圖5。從圖5中可見,鋼渣泡沫混凝土砌塊的7 d和28 d抗壓強度隨著鋼渣粒徑的增大呈先上升后下降變化趨勢。7 d強度中鋼渣粒徑為0.3 mm和0.6 mm的試塊強度比純泡沫混凝土的強度高,但28 d強度中僅0.3 mm粒徑的強度大。當鋼渣粒徑最小時,其強度比純泡沫混凝土的小,這可能是因為鋼渣粒徑太小,篩分過程中含有雜質等,鋼渣粒徑過細導致顆粒間作用力增大出現團聚現象使得強度降低。當鋼渣最大粒徑超過0.3 mm后,鋼渣泡沫混凝土強度下降趨勢明顯,原因可能是鋼渣粒徑增大,鋼渣、泡沫和水泥漿體之間不能很好融合,且鋼渣吸水率大,鋼渣吸水膨脹使得界面過渡區原結構變化,增大粒徑使得鋼渣活性降低,鋼渣泡沫混凝土的強度也會下降。采用以下公式計算觀察強度變化趨勢

經計算當鋼渣粒徑大于0.3 mm時,隨著粒徑的增大,強度變化率呈增長趨勢,這說明鋼渣粒徑大的早期活性低,后期強度變化較大。可直觀看出,鋼渣粒徑在0.3 mm時,鋼渣泡沫混凝土7 d、28 d強度均達到最大值。

2.2 鋼渣摻量對泡沫混凝土的影響

試驗中固定最大粒徑為0.3 mm的連續級配鋼渣,泡沫混凝土設計干體積密度為800 kg/m3,設計水灰比0.5,發泡劑稀釋30倍,鋼渣摻量分為10%、20%、30%、40%、50%。標準條件下養護并進行相關性能測試,數據見表4。

表4 不同摻量的鋼渣泡沫混凝土性能

由表4數據作圖分析,分析鋼渣摻量對試塊的干體積密度影響,由體積法計算出摻入的鋼渣對混凝土干體積密度的影響和鋼渣消泡而引起的干密度變化趨勢如圖6所示,鋼渣摻量的增加使得泡沫體積下降,試塊的干體積密度上升,鋼渣作為集料摻入直接影響泡沫的體積,鋼渣外觀特性及吸水性使得泡沫大量破滅。鋼渣摻量達到50%時,曲線略上升,可能因鋼渣摻量大使得漿體拌合后鋼渣出現沉淀,漿體不均勻現象造成下部鋼渣較多而泡沫上浮,注模后的試塊中鋼渣含量無增加以致鋼渣不能充分利用的現象,所制得鋼渣集料泡沫混凝土試件其密度達到A10等級。圖7為鋼渣摻量對泡沫混凝土吸水率影響曲線關系,鋼渣泡沫混凝土的吸水率呈快速上升趨勢,其中鋼渣摻量在20%-30%之間的變化率達到最大,吸水率變化在W20左右。

由圖8可見,隨著鋼渣摻入量的增大,鋼渣泡沫混凝土砌塊的抗壓強度整體呈先增大后降低趨勢,特別是當鋼渣摻入量達到30%時,強度仍然高于純泡沫混凝土時的強度,然而,當繼續增加鋼渣摻量時,強度卻比純水泥時低。摻入的鋼渣粒徑為0.3 mm,隨著鋼渣摻入量增加,鋼渣泡沫混凝土強度先上升的原因,可能是鋼渣所含與水泥相同的成分,鋼渣的水化活性及活性物質含量較水泥熟料低,作為集料摻入會增大混凝土中膠凝材料含量,進而強度會增大。但隨著鋼渣摻入量的繼續增加,混凝土中鋼渣量多而容易出現分層離析現象,且鋼渣水化產生產物量增多和鋼渣膨脹,導致混合漿料致密性下降,所以鋼渣量多反而會出現鋼渣泡沫混凝土砌塊的抗壓強度降低。當鋼渣摻量比小于等于30%時,鋼渣泡沫混凝土7 d、28 d強度較純泡沫混凝土時高,且經計算強度變化率也隨摻量增加而逐漸增大,這說明鋼渣對泡沫混凝土的后期強度影響較大。

鋼渣摻量應該控制在一個適當范圍內,且鋼渣與水泥之間具有協同作用,該作用有利于促進水化反應,進而提高其強度。這樣的鋼渣摻入既有利于鋼渣大量用于墻體材料降低超細化成本,又有利于改善泡沫混凝土的性能。

3 結 論

a.隨著鋼渣集料的摻入,混凝土的干體積密度和吸水率均呈上升趨勢。鋼渣粒徑的改變使得混凝土干體積密度屬于JG/T 266—2011標準中的A09～A10級,其吸水率等級達到W25左右。改變鋼渣摻量其干密度達到A10等級,吸水率變化在W20左右。鋼渣摻量對泡沫混凝土的干體積密度影響比鋼渣粒徑大,而對吸水率的影響比鋼渣粒徑小。

b.隨著鋼渣粒徑的增大,鋼渣泡沫混凝土砌塊的7 d和28 d抗壓強度呈現先上升后下降的變化。在試驗條件下,僅鋼渣粒徑定為0.3 mm時,鋼渣泡沫混凝土的強度大于純泡沫混凝土。

c.隨著鋼渣摻入量增加,混凝土強度仍呈先增后減趨勢。當鋼渣摻量比小于等于30%時,鋼渣泡沫混凝土7 d、28 d強度較純泡沫混凝土時的高,且摻量在30%時強度達到最大。繼續增加鋼渣摻量,砌塊的強度降低且強度變化率增大。

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Effect of Steel Slag Aggregate on Properties of Foamed Concrete

SHI Si-qin1,CHEN De-peng1,2,ZH AO Liang1
(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China;
2.Institute of Green Building Materials,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China)

In order to explore the utilization of slag with low-power approach,the basic performance of foamed concrete used steel slag as aggregates with different gradations and dosage was investigated in this paper.Five different slag gradation and five steel slag content levels(10%-50%)used as the foamed concrete aggregate in experiment,and the compressive strength,water absorption and dry bulk density were tested and analyzed.The results showed that steel slag aggregates will increase the dry density and water absorption of the foamed concrete.The concrete strength will decrease after the first increase phase and showed the maximum strength when the steel slag particle size is around 0.3 mm and the 30%dosage of steel slag.Meanwhile,with the increase of steel slag dosage and particle size,the change rate of the late strength of foamed concrete increases.The results indicated that there is a synergistic effect between the steel slag and cement which promotes the hydration reaction,to some extent,which improves the strength of steel slag foamed concrete.

slag; foamed concrete; compression strength; thermal conductivity; water absorption

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.004

2015-08-15.

國家級大學生創新訓練項目(201210360074),安徽省自然科學基金(1308085QE83)和安徽工業大學研究生創新研究基金項目(2014064).

石司琴(1989-),碩士生.E-mail:shisiqin@163.com