釩鐵爐渣用于配制混凝土收縮補(bǔ)償摻合料初探

■李味然 ■同濟(jì)大學(xué)，上海 200092

釩鐵爐渣是釩鐵制品冶煉過程中產(chǎn)生的廢渣。隨著釩鐵市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，釩鐵爐渣排放量也逐年增長(zhǎng)，這些廢渣堆放處置對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生很大危害。如何高效、合理的利用釩鐵爐渣對(duì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和治理環(huán)境污染具有十分重要意義。

在建筑工程中混凝土開裂是很常見且很難避免的問題，但是混凝土開裂通過一定的手段是可以控制和處理的。混凝土開裂原因多種多樣總的可以分為由荷載、溫度、收縮等幾方面引起的，開裂不僅會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)承載能力下降，也會(huì)影響混凝土的完整性、耐久性及防水性。根據(jù)吳中偉教授膨脹混凝土理論指出當(dāng)混凝土發(fā)生體積膨脹時(shí)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，它可抵消部分或全部限制收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力。控制好混凝土膨脹與硬化的時(shí)間，當(dāng)混凝土開始收縮時(shí)，其抗拉強(qiáng)度已增長(zhǎng)到足以抵抗收縮引起的拉應(yīng)力，從而防止和減少收縮裂縫產(chǎn)生。根據(jù)前人的研究，我們知道在混凝土中摻入一定的物質(zhì)可以引起混凝土的膨脹，制成膨脹混凝土。

本文將針對(duì)混凝土因材料收縮引起的開裂問題，設(shè)想用釩鐵爐渣制成混凝土收縮補(bǔ)償摻合料，利用釩鐵爐渣內(nèi)含有的f-CaO 及方鎂石等堿性成分在水化過程中發(fā)生體積膨脹，混凝土內(nèi)部在鄰位限制的作用下產(chǎn)生一定預(yù)壓應(yīng)力用以抵消混凝土自縮產(chǎn)生的應(yīng)力以減少裂縫的產(chǎn)生。問題的關(guān)鍵在于體積膨脹量的控制以及應(yīng)力成長(zhǎng)與硬化速度的匹配。

1 原料

釩鐵爐渣:江西新余某公司生產(chǎn)。釩鐵爐渣化學(xué)組成見表1。

表1 釩鐵爐渣化學(xué)成分/%

水泥:洋房水泥PO42.5R(普通硅酸鹽水泥)，見表2。

表2 洋房普通硅酸鹽水泥物理性能技術(shù)指標(biāo)

粉煤灰:粉煤灰(II 級(jí))化學(xué)成分見表3。

表3 粉煤灰(II 級(jí))化學(xué)成分/%

二水石膏:CaSO4·2H2O 化學(xué)成分見表4。

表4 CaSO4·2H2O 化學(xué)成分/%

細(xì)骨料:天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.66，為中砂，顆粒級(jí)配良好;

粗骨料:粒徑為5mm-31mm 的碎石，視密度為2681kg/m3，堆積密度為1456kg/m3，含水率0.2%。

根據(jù)對(duì)釩鐵爐渣進(jìn)行化學(xué)分析可知，釩鐵爐渣中含有游離氧化鈣(f-CaO)。游離氧化鈣(f -CaO)水化生成氫氧化鈣產(chǎn)生體積膨脹，OH-激發(fā)粉煤灰中活性SiO2和Al2O3形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，摻入石膏后，水泥石孔隙中液相Ca2+、SO4、OH、AlO2等離子形成鈣礬石，鈣礬石在形成時(shí)結(jié)合6 個(gè)水分子，配位26 個(gè)水分子，使鈣礬石固相體積增大125%左右。控制鈣礬石和氫氧化鈣的形成速度和數(shù)量，讓其形成與水泥硬化同步且數(shù)量適當(dāng)，它所產(chǎn)生的膨脹勢(shì)能將能將可用來抵消水泥基材料體積收縮趨勢(shì)。另外釩鐵爐渣中含有一定量方鎂石，方鎂石的水化膨脹是一個(gè)緩慢的過程，按一定比例摻入粉煤灰對(duì)阻止方鎂石在后期過量膨脹有所幫助，使混凝土在早期和后期膨脹都能得到有效控制，從而達(dá)到對(duì)混凝土補(bǔ)償收縮的效果。

2 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)研究將釩鐵爐渣、粉煤灰和石膏按一定比例配制成收縮補(bǔ)償摻合料，研究其對(duì)混凝土體積變形性能的影響。釩鐵爐渣(比表面積660 m2/kg)水泥采用洋房牌P.O42.5R。試驗(yàn)依據(jù)(GB/T 50082 -2009)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中非接觸式混凝土收縮實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行。

表5 釩鐵爐渣收縮補(bǔ)償摻合料組成

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

表6 收縮補(bǔ)償摻合料混凝土配合比及強(qiáng)度

圖1 混凝土收縮量與齡期的關(guān)系

從表6 的結(jié)果可以看出，與未摻料水泥混凝土對(duì)比，摻釩鐵爐渣收縮補(bǔ)償摻合料混凝土雖然早期(3d、7d)抗壓強(qiáng)度稍有降低，摻10%組3d 降低了12%，7d 降低了4%，摻20%組3d 降低了9%，7d 降低了6%，但后期28d 抗壓強(qiáng)度都有所提高，摻10%、20% 組分別提高了2.7%和0.4%。

根據(jù)圖1 可知，不同摻量收縮補(bǔ)償摻合料對(duì)混凝土收縮變形影響顯著，未摻料水泥混凝土(1#)自收縮程度較大，28d 的收縮量大約154μm;當(dāng)收縮補(bǔ)償摻合料摻量達(dá)10%水泥時(shí)，其收縮量比未摻料水泥混凝土小，說明釩鐵爐渣摻合料具有補(bǔ)償收縮功能，28d的收縮量約為122μm，收縮量降低了20%，當(dāng)摻量達(dá)到20%時(shí)，28d 的收縮量為40μm，收縮量比不摻釩鐵爐渣摻合料降低了73%，38d 收縮量比未摻料水泥的減少了75%。同時(shí)，摻入20%收縮補(bǔ)償摻合料，前13d 均保持微膨脹，38d 內(nèi)一直保持收縮在0.1%以下，有效遏制水泥自收縮。收縮變形在齡期28d 以后基本保持穩(wěn)定，而未摻料水泥混凝土的收縮量繼續(xù)發(fā)展。釩鐵爐渣摻合料的補(bǔ)償收縮效果非常明顯。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，釩鐵爐渣收縮補(bǔ)償摻合料對(duì)于控制混凝土收縮保持混凝土體積穩(wěn)定性有明顯效果，在合理的摻量下混凝土強(qiáng)度略有提升。釩鐵爐渣制備混凝土收縮補(bǔ)償摻合料是一項(xiàng)合理利用工業(yè)廢渣的舉措，符合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，綠色建材的大方向。因釩鐵爐渣中含有較高的f-CaO 和MgO，在大摻量時(shí)有可能帶來混凝土體積安定性不良的問題，找出釩鐵爐渣收縮補(bǔ)償摻合料合適的摻量還有待進(jìn)一步試驗(yàn)檢驗(yàn)來確定。

［1］吳中偉，張鴻直.膨脹混凝土.中國(guó)鐵道出版社，1990.

［2］倫云霞等.處理方式對(duì)水泥混凝土用鋼渣砂體積安定性的影響［J］.混凝土，2011(11):21 -26.

［3］游寶坤.鈣礬石與膨脹水泥［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，1985(3).