（材料学专业论文）钢渣混凝土在仿海岸环境下的应用研究.pdf

【摘要】 摘要 钢渣的综合利用和开发是一个社会效益与经济效益一举两得、极具发展潜力 的朝阳产业，同时也是广受关注的环保技术课题。本文针对宝钢钢渣的综合利用 问题，探索可以提高钢渣的利用效率同时又与环境相协调的新方法，找出原有的 钢渣利用效率不高的原因。为此进行了一系列的试验研究。 1 针对钢渣进行了基本性能的品质检测并确定能否使用钢渣替代砂石用作混凝 土骨料。试验结果表明，在钢渣用作材料使用的基本性能中，除了安定性外， 其他性能都由于砂石。钢渣安定性具有先天性，一经形成，很难再用简单有 效的可行方法、技术措施予以改善。重点在于如何评价筛选钢渣的品质。 2 对磨细钢渣粉掺入水泥中作为水泥掺和料进行了试验，对该混凝土进行了的 抗压强度测试结果表明，在较低的磨细钢渣粉的掺量的情况下，所得的混凝 土标号较高，这说明在硅酸盐水泥中单掺少量钢渣粉是可行的阿。可以配制 全钢渣混凝土。对于钢渣安定性不良这个先天性的缺陷，在钢渣混凝土配合 比设计中设想使用预留孔隙法，对该设想进行了一些有益的探索。 3 将钢渣混凝土进行了人工海水养护和标准养护，对不同条件下的一定龄期的 钢渣混凝土进行了抗压强度、抗折强度以及x 衍射、压汞试验和扫描电镜试 验，试验结果均证明了全钢渣混凝土在海水环境下有着更高的强度和更致密 的结构。对同样配合比的全钢渣混凝土进行了人工海水浸泡，和普通养护条 件下的对比，结论是钢渣混凝土在海洋环境下，尤其是海岸扭王块有着一定 的应用前景。 【关键词】钢渣混凝土安定性人工海水预留孔隙法钢渣除磷 【同济大掌硕士掌位论文】 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e s i sh a se x p l o r e dan e wm e t h o dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fu s ea g eo f s t e e ls l a gi na c c o r d a n c et ot h ee n v i r o n m e n ti no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft h e c o m p r e h e n s i v eu s eo fs t e e ls l a go fb a o s t e e l t h i sa r t i c l eh a sf o u n dt h er e a s o no ft h e l o we f f i c i e n c yo fu s a g eo fs t e e ls l a g f o rt h i s ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e f i r s to fa l l ，t e s t so fq u a l i t yo fs t e e ls l a gh a v e b e e nd o n ei nt h el i g h to fs t e e ls l a g t oa s s u r ew h e t h e rs t e e ls l a gc a nb es u b s t i t u t e dt os a n da n dg r a n da sac o m p o n e n ti n t h ec o n c r e t e s t e e ls l a gh a sm a n ys o r t s i nt h i st h e s i s ，s o m ek i n d sh a v eb e e nc h o s e n s i n c et h e r ea r e a tn a t i o n a ls t a n d a r d so fs t e e ls l a ga tp r e s e n t ，i nt h ee x p e r i m e n t si c o n s u l ts o m et e s ts t a n d a r d so fs a n da sw e l la sm i n e r a ls l a g t h er e s u l t so ft e s t sh a v e s h o w e dt h a to t h e rp r o p e r t i e si na d d i t i o nt os a f e t yo f b u l ka r ea l ls u p e r i o rt os a n di nt h e p r i m a r yp r o p e r t i e so fs t e e ls l a g n e x t ，f o ru n s a f e l yo fb u l k ，t h ed e f i c i e n tf l a w , i nm a t c h i n gd e s i g n ，1w a n tt ou s e p r e l e a v e i n gc o r e si nc o n c r e t e ，i e ，t h r o u g hr e d u c i n gt h ea m o u n to fs t e e ls l a gs m a l l e r t h a n2 m m ，t h e nc h a n g ef i n e n e s s p a r a m e t e rw h i c ha c c o m m o d a t et h ee x p a n s i o n t h r o u g hl e a d i n gp r o p e rc o r e si na m o u n t ，s i z ea n ds h a p ei nc o n c r e t e t h i st e n t a t i v e p l a nh a sb e e nu s e di nt h ec o u r s eo fa s s u r i n gt h eo p t i m u mv a l u eo fm i x i n go fg r o u n d p o w d e ro fs t e e ls l a gi ne x p e r i m e n t a lm a t c h i n gd e s i g n t h et e s tr e s u l to fp r e s ss t r e n g t h s h o w e dt h a to nc o n d i t i o no fl e s sa m o u n to fm i x i n go fg r o u n dp o w d e ro fs t e e ls l a g ，w e g o tc o n c r e t eo fh i g h e rp r e s ss t r e n g t hw i t h o u te x p a n s i o nw h i c hs h o w e dt h a tt h i s m e t h o di sf e a s i b l e b e c a u s et h i sm e t h o di sp u tf o r w a r di nt h i sa r t i c l ea n di ti si nt h e p e r i o do fe x p l o r a t i o n t h i sm e t h o ds h o u l db ec o m p a r e dt ot h em e t h o do fl e a d i n g l e a d i n ga i ri nc o n c r e t et om a k es u r ew h i c h m e t h o di sb e t t e r n e x t ，b e c a u s et h es t e e ls l a gc o n c r e t ei nt h et e s tw i l lb e u s e di nt h es e a e n v i r o n m e n t ，t h ep r o p e r t i e su n d e rs e ae n v i r o n m e n to fs t e e ls l a gc o n c r e t es h o u l db e t e s t e d t h ec o n t r a s t i v et e s tf o rc o n c r e t ec u r e du n d e ra r t i f i c i a ls e ae n v i r o n m e n ta n d s t a n d a r de n v i r o n m e n t ，w h e t h e rp r e s ss t r e n g t ho rt e n s i l es t r e n g t h ，x - r a yd i f f r a c t i o nt e s t ， o p p r e s s i n gm e r c u r yt e s to rx r dt e s t ，t h er e s u l t sh a v ea l ls h o w e dt h es t e e ls l a g c o n c r e t ec u r e du n d e rs e ae n v i r o n m e n th a v eh i g h e rs t r e n g t ha n dm o r ed e n s es t r u c t u r e u n d e rm a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cc o n d i t i o n s d u et ot h ec o n c r e t ei nt h i sa r t i c l ea r e 【阍济大学硕士学位论文】 【a b s n u c t 】 p l a i nc o n c r e t ew i t h o u ts t e e lr e i n f o r c i n gb a r s 啊t hl e s se r o s i o no f s e aw a t e ri na d d i t i o n t ol i m i t e dt e s tc o n d i t i o na n dt i m e ，t h el o n g l a s t i n gp r o p e r t yu n d e rs e ae n v i r o n m e n t ， t h i sp a r te x p e r i m e n t sc a nb es u p p l e m e n t a r yi nt h el a t e rs t u d y l a s t l y , a c c o r d i n gt ot h es t u d yo ns t e e ls l a g ，t h ef r i e n d l i n e s so fs t e e ls l a gc o n c r e t e t o o r g a n i s mh a sm o r es u p e r i o r i t yc o m p a r e dt o c o m m o nc o n c r e t e s o ，i nt h e s u g g e s t i o n si nt h ef i n a lp a r t ，t h es u g g e s t i o no ft e s t i n gt h ef r i e n d l i n e s so fs t e e ls l a g c o n c r e t eh a sb e e nm e n t i o n e d t h et e n t a t i v ep l a nc o n f o r m st ot h ed i r e c t i o no f e n v i r o n m e n t a lp r o t e s to f2 15 c e n t u r yn e w b u i l d i n gm a t e r i a l sa n ds h o u l db ec a r r i e do u t i nt h e h e r e a f t e rs t u d y 【k e yw o r d s 】s t e e ls l a gc o n c r e t e ，s a f e t yo fb u l k ，p r e l e a v e i n gc o r e si nc o n c r e t e ， t h er e m o v eo fp h o s p h o r u si ns t e e ls l a g 【周矫大学硕士掌位论丈】 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成硕士学位论文“钢渣混凝土在仿海岸环境下的应用研究”。除论文中已经注 明的引用公式外，对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 学位论文作者签名：马岚 2 0 0 4 年2 月 【前耆】 前言 在炼钢过程中，除产出钢以外还伴随着产生一定数量的废渣，称之为钢渣。 盯炼钢是除去生铁中的碳、硅、磷和硫等杂质，使钢具有特定性能的过程，也 是造渣材料和冶炼反应物以及熔融的炉衬材料生成熔合物的过程。因此，钢渣是 炼钢过程中的必然副产物。排出量约为粗钢产量的1 5 2 0 ：我国年产1 亿t 钢大约产生近2 0 0 0 万t 钢渣，年处理利用钢渣约7 9 。 钢渣的形成温度在1 5 0 0 - - 一1 7 0 0 。c 高温下呈液体状态。缓慢冷却后呈块状 或粉状：转炉渣、平炉渣一般为深灰、深褐色。电炉渣多为白色。 钢渣的化学成分是由钙、铁、硅、铝、锰、磷等氧化物所组成，其中氧化钙、 氧化硅、氧化铁占绝大多数。 钢渣的矿构成分比较复杂，主要矿物组成为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄 石、游离石灰等。 从钢渣后期形成过程与硅酸盐水泥熟料形成过程有类似的反应，特别是碱度 高的钢渣矿相组成与硅酸盐水泥熟料更为接近。因此，可以认为钢渣是一种“特 殊 的硅酸盐水泥熟料。不论立窑生产还是新型干法回转窑生产，均可使用钢渣 配制生料，不仅直接作为硅酸盐水泥生料，而且可以作为燃烧硅酸盐水泥熟料的 晶种并具有加速反应的能力。所以钢渣也可以称为“一料三代 多功能新型环保 材料。 对钢渣化学成份的深入研究为钢渣的应用奠定了理论基础。目前国内对钢渣 的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) 钢渣作冶炼熔剂噶 转炉渣和平炉渣氧化钙含量较高，还含有氧化锰、氧化铁，作冶炼熔剂不仅 能代替石灰石，而且还可以回收有益的金属，如钢渣返烧结作溶剂，有如下优点： 能改善料层运气性，使垂直烧结速度加快，达到强化烧结目的； 可提高生产效率，降低能耗，提高还原率，降低风化率： 降低烧结成本。 实践证明，钢渣作冶炼熔剂是有好处，不会影响烧结矿、生铁的质量。 ( 2 ) 钢渣用于水泥生产 钢渣是经高温煅烧过的含有硅酸盐、铁铝酸盐矿相的物质，它和水泥熟料有 【同济大学硕士掌位论文】 【前言】 相似的化学成分，具有水硬活性，因此有着胶凝性能的废渣应该部分替代或者完 全替代制造成本很高价格昂贵的波特兰水泥，2 3 1 而不是仅仅作为粗集料或者道 渣使用，在水泥中掺加了钢渣后的直接后果是造成了早强较低、凝结时间较长。 加入催化剂可以加速钢渣的水化。很多研究表明，无熟料加入了碱性催化剂的钢 渣能产生比波特兰水泥更高的强度、更致密的结构和更好的耐久性。我国在钢渣 水泥方面的研究处于国际领先水平，目前生产的钢渣水泥品种主要有钢渣矿渣水 泥，钢渣矿渣硅酸盐水泥，钢渣沸石水泥和钢渣普通水泥，钢渣水泥的生产一般 经过如下工艺过程：原材料破碎钢渣磁选钥渣均化原材料烘干 配料粉磨。钢渣水泥具有后期强度高、水化热低、耐磨性能好等优点。 ( 3 ) 钢渣用于道路工程 钢渣的物理力学性能取决于处理工艺，一般经缓冷处理的钢渣比重大、硬度 大、抗磨、吸水率低，是筑路工程较好的骨料，经存放一年以上的钢渣，由于部 分分解，其混合钢渣的级配接近沥青混凝土骨料级配要求。直接用该混合钢渣作 沥青混凝土骨料，配料操作方便、简单，钢渣用作道路基础，不仅可大量利用钢 渣，而且可以节约大量土地。 ( 4 ) 钢渣用于农业 钢渣中含有大量的氧化钙、氧化镁，可用来改良酸性土壤，其它微量元素对 农作物也有增产作用，特别是p 2 0 5 含量如在5 以上，可做磷肥使用。钢渣在农 业中的应用研究工作还没有确切而科学的结论，对土壤类型、农作物种类代表面 的试验研究也不够广泛，尤其是钢渣肥料大量施用后对土壤结构的影响，钢渣中 微量元素向果实转移，肥料后效性以及对土壤的适应性都还需长期实验观察，积 累经验后以便因地制宜地推广应用。 ( 5 ) 回收废钢铁 废钢含量一般为5 - - 1 0 ，废钢的回收既减少了钢渣的污染，又使“三废” 资源得到了有效利用，具有较高的经济效益，山东省济钢、莱钢、青钢等钢铁公 司正在开发渣山，在回收废钢方面做出了一定成绩，取得了明显的环境效益、社 会效益和经济效益。 ( 6 ) 其它方面的利用 用重炼富集或化学浸取的办法可提取钢渣中的稀有金属。这在国外的研究尤 其多。另外钢渣还可制作建筑制品，加工过的转炉渣加适量石膏，经碳化后制作 砌块。还有利用转炉钢渣和水渣经磨细加适量石膏作全矿渣混凝土。另外，钢渣 【闰济大掌硕士掌位论文】 还可用作沥青混凝土集料、耐磨集料、水泥膨胀剂等多种用途。 虽然钢渣的应用范围及应用量已经很多，并且已经积累了一定的经验，而且 混凝土在海洋中的应用也有多年的历史及丰富的经验，但探讨钢渣混凝土在海洋 中的应用还刚刚开始，大量的应用还没见有报道，这是因为虽然目前国内外已经 有研究单位开始研究把钢渣应用在海洋工程中，但还有很多实际问题尚未解决。 如上海宝钢已经研制成功护堤用扭王块并放置在上海奉贤海边沙滩上，但对于放 置段时间后出现的各种现象不能给出理论上的解释，如虽然从外观上看扭王块 没有破坏现象，但其强度变化没有数据显示；在扭王块表面上有绿色的植物生殖， 从这个角度看扭王块有环保作用，但其生物附着原理还不清楚，并且无法确定这 种生物繁殖是否会对扭王块的强度、耐久性、重量和密度等带来不利影响，这些 现象之所以得不到合理的解释，是因为之前对于钢渣的海洋性应用研究甚少，缺 乏相应的理论基础，但这些现象的出现为研究者提出了新的思考方向。 除了这些扭王块本身所产生的各种现象需要研究产生机理外，还有一些相关 问题需要关注，这些相关问题的研究对钢渣应用在海洋工程中有着重要意义。如 海水中溶有大量氯离子和硫酸根离子，这两种离子对钢渣混凝土的影响原理；近 海海洋中赤潮现象较为严重，尤其在南方，赤潮给附近的海洋渔业带来了较严重 的危害等问题都是需要认真研究的，在给出理论上的解释之后仍需继续探讨钢渣 在海洋中大量使用后的可能出现的现实问题。 对钢渣在海洋工程中的应用研究较多的国家是日本。有文献称，邙最近日本 川崎制铁( 株) 开发成功海洋用钢渣岩块，除了具有与普通混凝土同等的强度和 比重外，在海水中碱性物溶出很少，对水质无污染，并且对藻类、贝类有优良的 附着性，非常适合环保型海洋工程的应用。日本川崎制铁虽然对外宣称已经研制 成功了钢渣混凝土扭王块，但从目前日本仍没有这种扭王块的大量使用的现实来 推断，日本在该领域内仍有着实际的问题尚未解决。 国内外对于钢渣的研究应用都表明，尽管对于钢渣的研究早在几十年前就已 经开始，但直到目前阶段仍无法实现对钢渣的完全合理化利用，现今对钢渣的利 用仍属粗放型处理，这就要求研究者加强对钢渣应用的研究，把钢渣应用在海洋 工程中是大量且高附加值利用钢渣的一个良好途径，本文即着眼于这方面的理论 研究，希望为钢渣的合理化应用提供一些技术上的支持。 【同济大掌硕士学位论文】 【前言】 第一章概述 1 1 防止膨胀的基本原理 在吴中伟的膨胀混凝土一书中，“鼬介绍了膨胀混凝土膨胀收缩的原理。 一般来说，在混凝土中最重要的变形是膨胀与收缩。这两种变形随着限制的不同， 会产生不同的结果。不受限制的收缩叫做自由收缩，自由收缩不会引起开裂；受 到限制的收缩叫限制收缩，限制收缩达到一定值时就引起开裂。相反，自由膨胀 会引起开裂，而限制膨胀则不会发生开裂。说明如下： ( 1 ) 小尺寸的混凝土块、板、杆，当不配筋或只配少量细钢筋，又无其它 限制时，收缩再大也不会开裂； ( 2 ) 配有较多粗钢筋或大尺寸的板，基础嵌固很牢的路面或底板，大体积 混凝土的表层，在干燥或剧烈降温时，均会产生较大的限制收缩，引起混凝土开 裂。 ( 3 ) 小尺寸的混凝土梁、板、块，还有钢筋混凝土的保护层部分，变形时 不受其它限制。当受到某些膨胀因素的作用，例如，含有氧化镁或氧化钙晶体进 行长期持续的水化，或因冰冻、化学腐蚀等作用造成体积增大时，甚至膨胀混凝 土的小试件因配合比不当产生过大的膨胀时，就会开裂或出现表面裂缝。 ( 4 ) 当补偿收缩混凝土中配筋适度，或填孔裂缝受到周围老混凝土的有效 限制时，甚至有坚固的模板限制时，膨胀变形非但不会引起开裂，还能得到质地 致密、抗渗性好、强度较高的混凝土。 为了能够更清楚地说明自由与限制两种不同的条件下，膨胀与收缩两种不同 的变形产生不同的后果，提出“相向变形 与“背向变形两个概念。 【周济大掌硕士掌位论文】 【第一章概述】 r 目由收缩卜会升裂，凼为是相同变彤 r 收缩1 ll 限制收缩会引起开裂，因为是背向变形 混凝土的主要变形 l厂自由膨胀会引起开裂，因为是背向变形 l 膨删 l 限制膨胀不会开裂，因为是相向变形 所谓相向变形，就是使混凝土质点的间距缩小的变形，而背向变形则使质点 的间距加大。因此，自由收缩是相向变形，自由膨胀则是背向变形。自由收缩使 混凝土组织更加密实，使混凝土与钢筋的粘结力提高；而自由膨胀则相反，它使 混凝土组织变松，膨胀超过一定限度就会开裂。限制条件下的收缩变形和膨胀变 形，同时包含这相向与背向两种变形。可将限制膨胀，分解为两个部分的变形： 一是假定未受到限制，质点间距从原长增加到不受限制时能够达到的长度，也就 是自由膨胀的全部变形，这个部分是相向变形。另一是因为限制的作用，质点间 距从上面达到的长度减小到限制后实际达到的长度，这个部分是相向变形。当限 制程度足够大的时候，这部分相向变形，非但能使混凝土避免开裂，并且能够起 到增强和密实的好作用。同样，限制收缩也可分析为两个部分的变形；一是假定 未受到限制，质点间距从原长减小到不受限制达到的长度，也就是自由收缩的全 部变形，这个部分是相向变形。另一是因为限制的作用，质点间距从上面达到的 长度加大到限制后实际达到的长度，这个部分是背向变形。当限制程度很大的时 候，这部分背向变形就会引起开裂。兹用下表来说明相向变形与背向变形。 【同济大掌工学硕士掌位论文】 【第一章概述】 相向与背向变形 相向变形背向变形 收缩膨胀 自由变或或 形 受压o o o o受拉o + - oc h ( = ) 限制变痂国偷i 茄 刁 瓜一您彳 形 膨胀 收缩 在实际工程中，从单一构件到尺寸较大的结构物，自由变形的情况几乎是 不存在的。混凝土的变形总是受到配筋、相邻部分、基础或结构物的整体性等的 限制，同时，在混凝土的变形中最常见的是收缩变形。混凝土的体积收缩，最主 要和最常见的是干缩和冷缩。前者是由于混凝土中水分的散失和湿度下降引起 的，后者是由于混凝土中热量的散失或温度下降引起的。将钢渣混凝土应用到海 洋工程中，显然不会发生干缩，而冷缩通常对混凝土的影响不大，因此，根据膨 胀收缩原理，钢渣混凝土在海水中发生的膨胀基本不属于限制膨胀，而属于自由 膨胀，自由膨胀是有害的，如果不采取任何措施，钢渣混凝土产生的自由膨胀就 会超过限度，混凝土将发生开裂破坏。这里提到了自由膨胀的限度，也就是说并 不是只要有膨胀混凝土就一定会开裂。这是因为，混凝土是一个毛细管一孔隙的 结构。n 2 3 这些毛细管一孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡，水泥石中的毛细 管孔腔和凝胶孔，以及水泥石和集料接触处的空穴等等。此外，还可能存在着由 于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普通混凝土的孔隙率一般有 8 - 1 0 ，如果钢渣引起的膨胀刚好填充了这些孔隙，则混凝土不仅不会开裂， 还会大大增加其致密程度，提高抗渗性，从而提高耐久性。资料显示，钢渣制品 在应用过程中遇到的最大问题就是膨胀开裂，显然，在钢渣制品中钢渣引起的膨 胀已经超过了制品本来的孔隙，这种膨胀在膨胀收缩原理中属于典型的过量自由 【周济大掌工掌硕士掌位论文】 - 6 【第一章概述】 膨胀，导致硬化的混凝土开裂，降低强度和耐久性。 本文我们研究的是钢渣混凝土，集料不用石子、砂予等普通集料，取而代之 的是各种粒径的钢渣，所以在这种混凝土中集料全部为活性集料。胶结料不用普 通水泥而直接应用宝钢生产的钢渣水泥，其中水泥熟料一般为1 0 左右，钢渣 掺量为3 0 ，其余为高炉矿渣，即钢渣混凝土的原材料只用级配钢渣、钢渣水 泥和水。从钢渣混凝土的原材料中就可以看出，钢渣的掺量是非常大的，虽然我 们所用的钢渣为预处理后的钢渣尾渣，f - c a o 的含量也在3 以上，故而钢渣混 凝土中的膨胀组分含量比普通的钢渣制品中的膨胀组分含量高很多，对于普通的 钢渣制品普遍存在的膨胀性问题，在钢渣混凝土中会更加明显。无论是普通的钢 渣制品还是本文研究的钢渣混凝土，如果根据混凝土配合比最佳密实度理论来制 备，钢渣制品或钢渣混凝土的膨胀破坏都是由于孔隙率小于钢渣的膨胀率所导致 的。这样，根据膨胀收缩原理，考虑解决钢渣制品及钢渣混凝土的膨胀性问题有 两个解决方法。一个是减少钢渣中引起膨胀的成分，另一个是人为地增加混凝土 中的孔隙。 从钢渣的直接处理方法来看，不外乎两种方法：一种是通过陈化、余热自解、 渣罐自解、渣堆自解、罐式热闷自解、热泼式自解、盘泼急冷、热泼及陈化等工 艺，2 6 1 来减少f - c a o 的含量，第二种是外掺一些矿物成份反应掉部分的f - c a o 。 第一种方法已经在各大型钢铁企业大量使用，第二种方法也有研究单位开始了研 究。这两种方法都可以说是通过减少钢渣中引起膨胀的成分来减少钢渣制品的膨 胀，考虑通过改变钢渣内部的结构来解决问题，由于钢渣本身结构十分致密且硬 度很高，上述的这两种方法都较难将f - c a o 减少到理想的含量，且加工成本较高。 其实从钢渣的各种用途看来，无论是将钢渣粒料产品用于水泥原料、制备路面转 或是将级配混合料钢渣用作路面及道路基层材料，还是本文中将钢渣用作混凝土 骨料及磨细钢渣粉用作水泥掺和料，钢渣都是在混合物中充当一种组分，如果把 含有钢渣的混合物当作一个整体，可以考虑第二种解决膨胀问题的方法。 我们知道，n 任何材料的性能与组织结构之间，都存在着密切的依存关系。 混凝土材料也不例外。因此，在考虑混凝土材料的性能时可以与其内部组织结构 联系起来，以寻求改善性能的目的。混凝土具有毛细管一孔隙结构的特点，该结 构的性质对混凝土宏观力学性能和耐久性是十分重要的，混凝土的结构可以通过 其孔结构来体。如果不改变混凝土的内部结构，即混凝土的孔结构，要提高钢渣 混合物的安定性只能采取减少钢渣膨胀的方法，即第一种方法。如果考虑改变混 【同济大掌工学硕士掌位论文】 7 【第一章概述】 凝土的孔结构，例如提高混凝土的孔隙率，让混合物中增加的孔隙来容纳钢渣的 膨胀，根据膨胀收缩原理，钢渣的膨胀性问题也可以得到解决。这种基于材料内 部结构来改善材料性能的思路也与2 1 世纪新材料的研究发展趋势“结构一性能 一用途相吻合。 ( 1 ) 加入引气剂 黄士元教授在冬季施工混凝土材料学基础系列讲座中，似深入地探讨了 混凝土的抗冻性问题，提出了解决混凝土冻融破坏的最有效的方法是加入引气 剂。在对混凝土引气剂的新认识、( ( s j - 2 新型引气剂引气混凝土性能等论 文中混凝土中掺加引气剂提高抗冻性的基本原理被进一步提出。q d 2 3 由冰冻而 引起的混凝土的劣化与水化水泥浆体复杂的微细结构有关。当混凝土毛细孔中的 水开始结冰，其体积的增大要求毛细孔的体积也有9 的增大，或能将多余的水 通过边界挤压出去、或两者兼之，在该过程中就产生了水压。压力的大小取决于 “逸出边界 的距离、相关材料的渗透性能及冰的形成速率。经验表明只有当 饱和水泥浆中每一个毛细孔与“逸出边界”的距离小于6 1 0 一8x1 0 3 m m 时才 不会产生具破坏力的水压。正确使用引气剂是能满足这一“逸出边界”距离的。 掺引气剂可人为地改善混凝土内部孔结构的性质，使混凝土内产生大量均匀稳 定、互不相通的微小气泡。由于气泡对混凝土内毛细管有切断、封闭的作用，这 些气泡切断了混凝土内部孔缝的联系，阻止外界有害成分的侵入，而这些由于掺 加引气剂而产生的气泡本身难于被水充满，成为混凝土内部孔隙内水分冻结膨胀 的特殊“缓冲阀”，并同时可降低和延缓其它物理膨胀( 如盐晶体结晶压等) 和化 学反应膨胀( 如碱骨料反应和硫酸盐反应等) 引起的混凝土破坏，从而有效地提高 了混凝土的抗冻性。在混凝土中掺加引气剂以提高混凝土的抗冻融性是多年来使 用较多的混凝土冬季施工的基本做法，使用沥青混凝土来改善混凝土的抗冻性因 其成本较高而仅使用在北方严寒地区的道路施工中。可以看出，黄士元教授的引 气剂理论使用了第二种解决膨胀的方法，通过加入引气剂在混凝土中引入一定量 的气泡，容纳了混凝土内部孔隙内水分的冻结膨胀，经过长时间的施工实践证明 该方法可行。钢渣混凝土中钢渣组分的膨胀类似于混凝土内部孔隙内水分的冻结 膨胀，那么也可以在钢渣混凝土中加入引气剂以解决钢渣的膨胀，这个思路在理 论上可行，但在实际的操作中，由于钢渣混凝土所用的原材料都是工业废渣，成 本十分低廉，而引气剂的价格十分昂贵，施工单位很难接受这样的操作，故而在 本文中没有就钢渣混凝土中加入引气剂这一课题进行进一步的探讨，而是借鉴这 【同济大掌工掌硕士学位论文】 8 - 【第一章概述】 个理论设想出一个替代方法。 ( 2 ) 间断级配 从黄士元教授和杨全兵教授的引气剂理论中可以看出，在混凝土中加入引气 剂其实是在硬化混凝土中给渗透进毛细管的水分的冻结膨胀预留空间，引气剂形 成的气泡微小而均匀，既不能被水分渗入，同时又可容纳水分的膨胀。因此，该 理论的实质是，只要在混凝土中预留一定量的微孔就可以有效地缓冲组分的膨 胀。虽然混凝土的冻融膨胀发生在混凝土的使用期，而钢渣的膨胀发生在混凝土 的硬化过程和使用期，跨越了两个阶段，但是这两种膨胀的机理很相似，因此， 引气剂原理也应该适用于钢渣的膨胀防治。所以在这个原理的指导下，我们考虑 了一个替代方法，即在不掺加引气剂的情况下通过改变混凝土级配向混凝土中引 入一定量的孔隙。 由于在钢渣混凝土中全部采用钢渣做集料，因此在配合比设计中首先要确定 用作骨料的钢渣的级配。一般地，在混凝土的集料级配中采用的是连续级配原理， 也就是密实度要求，即在拌制混凝土时，2 2 同时考虑骨料的颗粒级配和粗细程度， 使用较多的粗骨料，并以适当的中粒径及少量细粒径填充其空隙，达到空隙率及 总比表面积均较小，这样的骨料配合比较理想，不仅水泥浆用量较少，而且还可 提高混凝土的密实度和强度。可见骨料的级配和粗细程度决定了硬化混凝土的孔 隙率，如果孔隙可以利用的话，通过调整骨料的级配就可以得到一定量的孔隙。 由于孔隙的产生与细粒径骨料的含量有直接关联，所以产生一定量的孔隙的关键 在于控制细粒径的钢渣含量以及确定细粒径的粒径范围。 显然，根据连续级配理论，通过调整骨料的级配产生了一定量的孔隙，调整 后的骨料级配成了间断级配，间断级配的骨料就会在混凝土中预留孔隙，如果这 些预留的孔隙被膨胀的水解产物所密实充填，也就达到了连续级配的效果，所得 到的钢渣混凝土就可以获得较高的强度和较好的耐久性，满足海洋应用中对混凝 土强度和耐久性的要求。同时这种通过间断级配法来解决钢渣膨胀性问题的方法 也充分利用了钢渣中各种活性成份的活性来产生必要的强度，达到了废物利用的 最佳效果。 在该方法中，通过间断级配法引入一定量的孔隙，不但要人为地控制孔隙率， 而且引入孔隙的大小与数量都有要求。引入孔隙大小根据的是前面引用的混凝土 冻融破坏原理。根据研究，孔径为0 0 5 1 n u n 均匀分布的泡状气孔增多的混凝 土的膨胀率有下降的趋势。因此，间断级配要引入的孔隙孔径应在0 0 5 1 i i u l l 【同济大掌工掌硕士学位论文】 - 9 【第一章概述】 之间，所以只需要调整细骨料即砂的级配即可。工程建设标准混凝土对砂的施 工要求中是按照0 6 3 0m i l l 筛孔累计筛余量对砂子进行级配。按照该标准，将本 实验中砂的级配调整在区，并将0 3 1 5 衄筛孔和0 1 6 0 筛孔的累计筛余量控制 在要求区域的中段，以便于根据试验结果进行调整，并且要给予良好的振捣，使 得孔隙均匀且多为球形。引入的孔隙在数量上的要求根据的仍是黄士元教授等人 的引气剂理论。所以本研究中引入的孔隙量要根据卜a o 的含量来设计，目标 是达到最好的密实度，获得最好的耐久性，总结出f _ t a o 的含量和砂的级配的 关系。应该注意到的是，在钢渣混凝土中，由于卜a o 的分布并不一定均匀， 形成膨胀产物的区域也就不均匀，和混凝土的冻融膨胀区域的均匀分布不同，引 入的孔隙可能在容纳了膨胀组分之后，在没有膨胀产物的区域过剩，导致最后的 钢渣混凝土内部的孔隙量增加，强度下降。所以试验中除了观察是否发生了膨胀 开裂，强度数据也很重要。 ( 3 ) 改变连续相 根据连续级配原理，在普通混凝土拌和物中，连续相是粗骨料，然后是细骨 料加入填充粗骨料的孔隙，最后加入水泥浆填充细骨料的孔隙，这样混凝土的结 构就达到密实状态。在普通混凝土中所用的骨料是没有膨胀性的石子和砂子，这 样的多骨料少水泥的配合比既节约了水泥，同时所配制的混凝土的性能也较好。 但在钢渣混凝土中，骨料使用的是具有膨胀性的钢渣，如果配合比和普通混凝土 那样，采用粒径5 衄1 0 衄的粗钢渣作为连续相，由于钢渣的膨胀性，较大颗 粒的钢渣的膨胀性也较为显著，就可能使混凝土硬化后膨胀开裂。现在设想改变 连续相，使水泥成为连续相，这样骨料成为分散相悬浮在水泥浆体中，钢渣的膨 胀部分被水泥浆体所吸收，在混凝土硬化后再发生的膨胀已经很少，可以被混凝 土本身的孔隙所容纳，这样配合比的钢渣混凝土就可能减少膨胀性的危害了。实 现富水泥的混凝土配合比设计，要使用低标号的水泥。很明显，富水泥的混凝土 配合比设计就是要使用较多的水泥，如果水泥使用普通硅酸盐水泥，成本较高， 所以可以选择使用价格低廉标号较低的钢渣水泥来替代普通硅酸盐水泥，这样配 制的钢渣混凝土在改善膨胀性带来的危害的同时也控制了成本。 1 2 钢渣是一种过烧硅酸盐水泥熟料 因炼钢炉型不同，钢渣可分为转炉渣、平炉渣、电炉还原渣等等。钢渣中的 主要化学成分有s i o 。、a 1 2 0 3 、c a o 、m g o 、m f e 、m n o 、s 、p 、f c a o 等等。 【周济大掌工掌硕士掌位论文】 - 1 0 - 【第一章概述】 不同炼钢厂的钢渣成分大不相同，不同炉型的钢渣成分差别很大，甚至同一台炼 钢炉不同炉次的钢渣成分也往往有所差异。因此钢渣本身的性能差别很大，安定 性较差，使钢渣的有效利用难度增大。 转炉渣和平炉后期渣成分较接近，并与水泥熟料成分类似，但c a o 和a 1 。0 。含 量稍低于水泥熟料，f e o 、f e 。0 。和m 9 0 比熟料高。与矿渣相比，转炉钢渣和平炉 后期钢渣的c a o 和f e o 含量较高，a 1 ：0 。和s i o ：含量较低。此外，钢渣中还含有一 定量的p ：0 。，而矿渣中几乎不含这一成分。前期渣中f e o 含量较高，一般达2 5 以 上，不宜作为生产钢渣水泥的原料；后期渣中f e o 较低，一般小于1 5 ，适合于 生产钢渣水泥。钢渣还可用于水泥的原料组分，由于其a 1 。0 。含量偏低，常需要有 a 1 ：0 。含量高的粘土与其搭配。钢渣也作通用水泥混合材料。 钢渣中氧化钙主要生成硅酸二钙( c ：s ) 、订硅酸三钙( c 。s ) 、蔷薇辉石( c 。m s 。) 及橄揽石( c r s ) 等矿物，其中的橄揽石、蔷薇辉石等矿物是普通硅酸盐水泥熟料 中所不具有的，这些矿物使得钢渣水泥耐腐蚀性、抗渗透性等比硅酸盐水泥和矿 渣硅酸盐水泥好。 由于钢渣具有类似硅酸盐水泥的胶凝特性，n 订不仅可以把钢渣替代水泥， 还能够使用和传统混凝土相似的制备工艺，这样钢渣的使用可以大大降低先期投 入成本。目前的研究表明，可以把钢渣磨细至像水泥那样的细度作为水泥的掺和 料使用，本实验就是要通过试验确定怎样的掺量为最佳掺量。 1 3 混凝土配合比特点 在现有的试验结果和理论中所配制的混凝土中，钢渣用量不多，一般都是在 胶凝材料中用磨细钢渣粉部分取代水泥，或者用钢渣部分取代集料，而在本项试 验中配制的钢渣混凝土是用磨细钢渣粉部分取代水泥并且用钢渣全部取代骨料， 已有的试验结果不一定完全适用，需要在借鉴已有的试验结果的基础上，设计钢 渣混凝土的配合比并比较本项试验中的钢渣混凝土与以往的钢渣混凝土的异同 点。 虽然钢渣的研究已经有了很多的成果，但是施工单位仍然不敢大量使用钢 渣，这里面的原因就是钢渣的膨胀性无法得到根本的控制。所以在本项试验中， 特别就这一点设计了两种配合比的钢渣混凝土，种是使用预留孔隙法，使得游 离氧化钙的膨胀产物逐渐充满这些孔隙，故而混凝土的强度会逐渐升高，结合钢 渣混凝土本身就具有后期强度高的特点，在理论上，本实验中的钢渣混凝土应该 【同济大掌工掌硕士掌位论文】 1 1 【第一章概述】 有着较好的后期强度。由于用预留孔隙法解决钢渣混凝土的膨胀性是一个前所未 有的设想，故而在整个试验过程中可能会遇到很多未知困难，应该想法克服。除 了预留孔隙法，在本项试验中还尝试了富水泥法，即通过改变钢渣混凝土的连续 相成分，使得膨胀性较为明显的大颗粒钢渣的膨胀可以部分被水泥浆所容纳，从 而将钢渣的膨胀降到一个较小的范围内。 1 4 小结 在该章中，首先对钢渣先天性不足的缺陷一安定性不良的解决方法进行了讨 论，认为在钢渣制品中钢渣的膨胀属于过量自由膨胀。然后介绍了一般的抑制膨 胀的方法，本文要用的方法是预留孔隙法，通过一定级配的细砂在混凝土中预留 一定量的孔隙，来容纳钢渣的膨胀，除了预留孔隙法，也可以使用富水泥法，即 采用低标号水泥来实现。其次，针对钢渣可以看作一种胶凝材的认识，研究磨细 钢渣粉做水泥掺和料。最后，由于要实现预留孔隙法和富水泥法，钢渣混凝土的 配合比设计要考虑到这些特点，重点讨论这两种方法对解决钢渣混凝土的膨胀性 问题是否有效。 【同济大学工掌硕士掌位论文】 【第二章课题的研究背景、内容和研究方法】 第二章课题的研究背景、内容和研究方法 2 1 课题的研究背景 能源危机、环境危机是人类生存共同面临的严重危机；节约能源、保护环境， 是人类生存发展的主旋律。尤其是面对工业文明和知识文明的今天，保护环境、 治理污染，实现可持续发展已成为有识之士的共识。由于各国国情不同，各国对 钢渣的使用也不同。1 在美国，钢渣已经和其它再循环利用的工业废渣一道以其 良好的工程性能、环保性能和经济性能被加以充分的利用。澳大利亚、加拿大、 台湾等国家开始研究钢渣水泥。巴基斯坦、印度、巴西、台湾引入中国技术建设 钢渣水泥厂。1 3 1 中国将该项技术作为一项资源高价值利用应用到道路工程的基础 部分以及其它的市政、工业用途。“国外有报道对钢渣滤出液中的若干离子进行 研究，咖1 当考虑含铬钢渣的有效利用时，钢渣中的氧化铬的饱和溶解度和铬的原 子价都是可以研究的课题。侣一些国家将钢渣作为炼铁熔剂和烧结矿原料。近年 来国际上对资源再利用和节能已提到议事日程。许多国家对我国的钢渣水泥技术 很重视。德国、日本和环保领域高新技术与国外进行技术交流与合作。 在中国国内，化炼钢要排出炉渣，排放量约为产钢量的2 0 。据了解，目前， 我国仅大中型钢铁企业每年在生产过程中就要产生大约2 0 0 0 万吨以上的钢渣，3 1 目前较多的钢厂渣满为患。扩建渣场不但要占用宝贵的耕地，同时污染环境，所 以最佳的方法是开发钢渣的综合利用，变废为宝。近二十年来，国内钢铁企业在 这方面做了大量工作，积累了经验。例如上海宝钢渣研中心研制成功钢渣水泥， 利用钢渣水泥制造路面砖已经批量生产。事实证明，钢渣综合利用不但能降低炼 钢成本，带来直接经济效益，而且也保护了环境，有很好的社会效益。 混凝土在海洋工程中的应用，眄无论是港湾工程、沿岸工程，还是外海建筑 物，其结构往往都需耗用大量的混凝土，方量甚至达到数万、数十万立方米。如 挪威建成的大型海洋石油采油平台尼安油田平台，底部直径1 4 0 m ，高1 7 0 m ， 混凝土用量达1 4 万m 2 。随着海洋工程向大型化、深水化、现代化发展，混凝土 的用量更为增大。节省能源和资源以及保护环境是各国经济建设所面临的重大课 题。u 而利用工业废渣生产建筑材料是解决这个课题的重要途径之一。 我国有漫长的海岸线，需要大量的防浪块。近期上海正在建设深水港也需要 【同济大学工学硕士掌位论文】 1 3 【第二童课题的研究背景、内容和研究方法】 大量的防浪块。如建设洋山深水港是党中央、国务院把握世界经济和国际航运发 展新趋势，根据中国经济现状和发展战略作出的重大决策。这项工程是中国“十 五”计划期间的重大工程，也是上海“十五期间最大的基础设施项目。洋山，属 浙江省嵊泗县，5 2 1 是我国东海群岛中崎岖列岛的两颗“珍珠”，距上海市南汇芦潮 港仅27 5 公里，是最靠近上海的深水海区。建设洋山深水港需要大量混凝土 纽王块来制作护坡面，而制备扭王块的混凝土必须对水质无污染，碱性溶出物要 很少，普通的混凝土很难符合这样的条件，因此，对于大量使用混凝土的扭王块 块体来说，必须选择环保型的混凝土来制备。在本研究中开发的海洋用钢渣混凝 土应该具有与普通混凝土同等以上的强度和比重同时兼具环保性，这样就可以应 用在如洋山深水港护面坡工程中。将宝钢产生的钢渣应用在建设洋山深水港的护 面坡扭王块的制备中正是本项研究的主要内容。基于实验