钢渣结题报告终稿

1、工程科技创新基金项目研究报告项目编号 项目名称 以工业废料钢渣作为粗骨料和掺合料的 混凝土试件的制备及力学性质研究 项目主持人 肖倍 联系电话学 号 222012322250021 专业班级 农业建筑环境与能源工程专业 指导教师 潘云霞 申请日期 2014.6.1 起止年月 2014.6.12015.6.1 目录：一、钢渣的性质21.1钢渣的物理性质21.2钢渣的化学性质3二、钢渣混凝土实验内容32.1钢渣的物理处理32.2钢渣的化学处理32.3钢渣的试件制作42.3.1称量材料质量42.3.2材料混合搅拌、装模52.3.3养护62.4力学测试6三、钢渣混凝土强度检验

2、结果73.1编号PT组实验73.1.1强度统计表73.1.2强度分布线形图73.1.3数据说明73.2编号10%GZ组实验83.2.1强度统计表83.2.2强度分布线形图93.2.3数据说明93.3编号25%GZ组实验103.3.1强度统计表103.3.2强度分布线形图103.3.3数据说明103.4编号50%GZ组实验113.3.1强度统计表113.3.2强度分布线形图123.3.3数据说明123.5编号75%GZ组实验123.3.1强度统计表123.3.2强度分布线形图133.3.3数据说明133.5有效数据143.5.1有效强度汇总表143.5.2强度变化走势图14四、实验分析154.1

3、前期分析154.2中期分析164.3结果分析17钢渣混凝土力学性质研究报告摘要：随着工业的不断发展，大量工业废弃物钢渣的弃置和堆积为人们的生产生活带来了危害和影响。将钢渣运用在混凝土制作中，解决污染问题的同时，也能够改善混凝土力学性质。在基于混凝土安定性的前提之下，通过控制变量和相同制作工艺下的空白对照实验，研究钢渣混凝土的力学性质，探究其本身属性与混凝土强度之间的作用机理，使之成为一种安全、耐久、高强度的环保混凝土材料。关键字：钢渣 粗骨料 安定性 强度一、钢渣的性质钢渣主要由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以

4、及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等。有的地区因矿石含钛和钒，钢渣中也稍含有这些成分。钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种以及每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异。由于钢渣的成分波动较大、极不稳定，因此迟迟未能实际应用。例如，用钢渣做混凝土的骨料，一段时间后混凝土会起鼓、爆裂。 钢渣在温度15001700下形成，高温下呈液态，缓慢冷却后呈块状，一般为深灰、深褐色。有时因所含游离钙、镁氧化物与水或湿气反应转化为氢氧化物，致使渣块体积膨胀而碎裂；有时因所含大量硅酸二钙在冷却过程中(约为675时)由型转变为型而碎裂。如以适量水处理液体钢渣，能淬

5、冷成粒。1.1钢渣的物理性质钢渣呈黑色，外观像结块的水泥熟料，其中夹带部分铁粒，硬度大，密度为17002000kg/m31。钢渣组成来源于铁水与废钢中所含铝硅锰等元素氧化后形成的氧化物；金属料带入的泥砂；加入的造渣剂，如石灰、萤石等；作氧化剂或冷却剂使用的铁矿石、烧结矿、氧化铁皮等；被侵蚀的炉衬材料和炉材料；脱氧用合金的脱氧产物和熔渣的脱硫产物等。1.2钢渣的化学性质 钢渣的主要化学成分有：氧化钙，SiO2，氧化铁，Al2O3，氧化镁等，成分组成基本稳定。钢渣的主要矿物组成为橄榄石(氧化铁·SiO2)，硅酸二钙(2CaO·SiO2)，硅酸三钙(3CaO·SiO2)

6、，铁酸二钙(2CaO·Fe2O3)和f-氧化钙等。二、钢渣混凝土实验内容2.1钢渣的物理处理2.1.1钢渣的物理粉碎钢渣原材料取自湖南省某钢厂，出厂形态成块状，体积参差不齐，为满足后期实验试件的制作需求，对钢渣进行了离解和粉碎两种处理，碎块按照混凝土骨料级配标准进行筛取。选取棱角较为分明的细块进行磨粉，以掺合料的细度作为标准进行准备。较大钢渣采用人工锤段和机械锤断的方法，将最大直径为5cm左右的块状钢渣，按照钢渣表面理解纹路，粉粹成为最长直径不超过1.5cm的细石。研究表明，由于离解面的分子内部引力较非离解面部分的分子引力小的多，抗剪强度低，能够呈面状断裂，有利于保护钢渣微观构成，不

7、对其造成早期空隙破坏和强度损失2。针对作为掺合料要求粉状钢渣粉，通常取最大直径不超过2cm，并且带有明显直棱角的块状钢渣，放入研磨机进行机械研磨，研磨出细度满足掺合料在2030µm之间，使得遇水膨化过后能够填补空隙，使得连接的整体性增强，减少空隙使得骨料等微观结构更密实。2.2钢渣的化学处理考虑到钢渣后期f-Cao稳定性问题，部分试件样品用带有轻微碱性的热肥皂水浸泡，使得在弱碱环境下的的缓慢反应，预先Cao+2OH-1+CO2=CaCO3+H2o(弱碱环境）反应，消耗破坏后期稳定后的反应物。使试件不会因为内部体积膨胀而产生稳定性破坏和预应力。2.3钢渣的试件制作2.3.1称量材料质量

8、 通过电子称、量筒、量杯、台秤等一些系列称量工具，称量各组分的质量。考虑仪器误差和工艺误差，对各组分的误差处理提出了分别处理办法：（1） 石子，考虑其体积较大并且质量较大，仪器灵敏误差和人工误差较小，认为人为读数误差为主，采取台秤和电子称分开称量的方式，分别称量两次，取四次数据的算术平均值最为样品量。（2） 砂，主要考虑由于簸箕和称量盘所带来的丢失误差，采取现称量盘子，再称细砂和盘，再称量盘子，两次盘子本身的质量之差，作为补充沙量。如无变化，说明称量误差不足以达到灵敏要求，则增加1%的砂量作为补充量。（3） 水，主要考虑由于水分子表面粘性带来的水分缺失，由于钢渣混凝土的和易性差，统一考虑加入5

9、00ml，便于搅拌，防止由于水分散失而造成的试件干裂。（4） 水泥，同砂处理方法一致。（5） 钢渣，同石头处理方法一致。钢渣混凝土试件材料表（表格不要颜色，其他的一起改过来）试件编号试件试件尺寸数量 配合比养护时间养护条件水砂 石头水泥钢渣PTO415150mm×150mm×150mm53.111020.267.65028d阴凉处膜养护ZF0415150mm×150mm×150mm31.85611.9224.5O.4128d阴凉处膜养护10%GZ0415150mm×150mm×150mm53.11+0.51018.237.652.02

10、28d阴凉处膜养护25%GZ0420150mm×150mm×150mm74.21+0.513.820.5610.366.8528d阴凉处膜养护50%GZ0420150mm×150mm×150mm74.21+0.513.813.7110.3613.7128d阴凉处膜养护75%GZ0425150mm×150mm×150mm74.21+0.513.86.8510.3620.5628d阴凉处膜养护2.3.2材料混合搅拌、装模由于搅拌机器损坏，混凝土材料搅拌全部依靠人工手动搅拌。但为了避免水泥灰弥散造成材料损失，采用模拟大型搅拌机的“二次投料法

11、”，先将所有量水泥和砂一同倒进搅拌盆，砂砾会防止水泥在倾倒过程中的飞散，然后掺入30%的水量，运用两人同时作业进行30s的正方螺旋搅拌，使水泥在水分作用下开始胶结，然后再次将所有分料投入，进行完整搅拌。连续搅拌30min左右，在40min的混凝土初凝时间之前完成填模捣实工作。搅拌使得粗细骨料和水分能够充分混合均匀后，搬出150mm×150mm×150mm的铸铁材料的混凝土试模，用钢勺进行填装。填装过程要分为多层来完成，每次均匀填满表面，厚度达到12cm时，然后用钢筋和钢勺配合进行插孔捣实，反复数十次，在进行填装。填装完毕后，要继续用木板和钢筋进行捣实。为避免混凝土试件表面出

12、现缝隙和空洞，捣实工作必须反复和细致，并同时进行骨料的增减。磨平，完成填装捣实后，需要用铲刀，对混凝土表面进行去多余材料，拍平，抛光。使得混凝土表面平整、细腻、有光泽。图1 钢渣混凝土试件2.3.3养护 平整置放在背阴处，第一层覆盖塑料保湿模，第二层覆盖白色帆布防止暴晒。养护第一周，隔一定时间进行喷水保湿，具体时间，视混凝土表面水分蒸发情况而定。第一周后拆模，然后继续覆膜养护。15d后拆模，只简单覆盖帆布，直至28d。2.4力学测试每一批试件28d养护期到期后，原则上不超过3天内开始对试件进行力学强度测试。根据现有实验资源，采用手动式液压万能试验机进行力学测试，通过液压锤对放置在台座处的混凝土

13、试件进行逐一压力测试，当裂缝贯穿或者感应器感应抗力突变时，视为试件失效，并且达到弹性理论下的屈服强度。根据液压测力盘，读出相应的数据，转换计算抗压强度。同一类别试件，应一次相继完成测试，便于通过回归分析，减小误差得出真实强度值。三、钢渣混凝土抗压强度检验结果3.1编号PT组实验3.1.1强度统计表编号PT组试件实测数据表样品编号液压力（kN）受压面积(mm2)极限应力(Mpa)PTO415012582250011.47 PTO415022532250011.24 PTO415033082250013.69 PTO415043022250013.42 PTO415052652250011.78

14、3.1.2强度分布线形图3.1.3数据说明编号PT0415表示，其构成是按照普通土混凝土C30级配料，进行制作，没有任何钢渣成分的添加，制作日期为4月15日，以作为后期试件组的空白对照样本。实验数据出现波动并有起伏状，考虑搅拌和捣实过程的人工工艺的影响，采取下列公式进行数据整理和有效误差规避：P3-P5-P1+P4-P22=P13.69-11.78-11.47+13.42-11.242=P=12.445 Mpa3.2编号10%GZ组实验3.2.1强度统计表编号10%GZ组试件实测数据样品编号液压力（kN）受压面积(mm2)极限应力(Mpa)10%GZ0415013452250015.33 10

15、%GZ0415023722250016.53 10%GZ0415033392250015.07 10%GZ0415043112250013.82 10%GZ0415053152250014.00 10%GZ0415063742250016.62 10%GZ0415073202250014.22 3.2.2强度分布线形图3.2.3数据说明10%GZ编号表示，取与混凝土粗骨料质量的10%等质量的钢渣，取代混凝土粗骨料，进行试件制作。制作试件为4月5日。探究由于10%骨料类别变化引起的整体试件的力学性质的波动情况。实验数据呈线性分布，考虑各种误差原因，认为是较为理想的数据组，出现起伏波段，围绕统一中

16、心线上下波动是分布，采取以下公式进行有效值计算：P1+P2+P3+P4+P5+P6+P77=P15.33+16.53+13.82+14+16.62+14.22+15.077 =15.09Mpa3.3编号25%GZ组实验3.3.1强度统计表编号25%GZ组试件实测数据样品编号液压力（kN）受压面积(mm2)极限应力(Mpa)25%GZ0420015202250023.11 25%GZ0420024322250019.20 25%GZ0420034412250019.60 25%GZ0420045092250022.62 25%GZ0420054572250020.31 25%GZ04200640

17、32250017.91 25%GZ0420074142250018.40 3.3.2强度分布线形图3.3.3数据说明25%GZ编号表示，取与混凝土粗骨料质量的25%等质量的钢渣，取代混凝土粗骨料，进行试件制作。制作试件为4月20日。探究由于25%骨料类别变化引起的整体试件的力学性质的波动情况。实验数据呈线性分布，考虑各种误差原因，认为是较为理想的数据组，出现起伏波段，围绕统一中心线上下波动是分布，采取以下公式进行有效值计算：P1+P2+P3+P4+P5+P6+P77=P23.11+19.20+19.60+22.62+20.31+17.91+18.407=P=20.17Mpa3.4编号50%GZ

18、组实验3.3.1强度统计表编号50%GZ组试件实测数据样品编号液压力（kN）受压面积(mm2)极限应力(Mpa)50%GZ0420016502250028.89 50%GZ0420026882250030.58 50%GZ0420037662250034.04 50%GZ0420047202250032.00 50%GZ0420057662250034.04 50%GZ0420067302250032.44 50%GZ0420076902250030.67 3.3.2强度分布线形图3.3.3数据说明50%GZ编号表示，取与混凝土粗骨料质量的50%等质量的钢渣取代混凝土粗骨料，进行试件制作。制作

19、试件为4月20日。探究由于50%骨料类别变化引起的整体试件的力学性质的波动情况。图表线型呈现波动起伏较大，没有均匀趋于某一条中性轴，所以考虑用以下公式取有效值P4-P7-P1+P6-P2+P5-P32=P32.0-30.67-28.89+32.44-30.58+34.04-34.042=P =28.36Mpa3.5编号75%GZ组实验3.3.1强度统计表编号75%GZ组试件实测数据样品编号液压力（kN）受压面积(mm2)极限应力(Mpa)75%GZ0425024792250021.29 75%GZ0425035402250024.00 75%GZ0425045172250022.98 75%G

20、Z0425054982250022.13 75%GZ0425066322250028.09 75%GZ0425074202250018.67 3.3.2强度分布线形图3.3.3数据说明75%GZ编号表示，取与混凝土粗骨料质量的75%等质量的钢渣取代混凝土粗骨料，进行试件制作。制作试件为4月20日。探究由于75%骨料类别变化引起的整体试件的力学性质的波动情况。情况表明整体线性波动不大，各别数据出现大幅度波动，分析误差，给予去除，取剩下数据平均值。公式如下：P1+P2+P3+P4+P5+P66=P21.29+24+22.98+22.134=P=22.60Mpa3.5数据误差处理值 3.5.1有效强

21、度汇总表有效强度汇总表试件编组受压面积(mm2)有效应力PTO415052250012.4410%GZ0415072250015.0925%GZ0420012250020.1750%GZ0420062250028.3675%GZ0425072250022.63.5.2强度变化走势图四、实验分析4.1前期分析钢渣处理前期，自身硬度较大，而且容易掺杂种类石子，需要进行鉴别，主要依靠外形和硬度。碎块过程中，尽可能按照纹理来进行破碎，以便破碎后的钢渣成有几何形状的细小块状，可以作为粗骨料进行试件承载。钢渣磨粉过程中，能够观察到粉末中有明显的金属光泽。钢渣粉遇水后，能够发生明显区别于水泥的水化膨胀，资料

22、表明是随着颗粒的变小，与空气和水分的接触面积变大，促进氧化钙、氧化铁等不稳定氧化物，反应固定。3同时渣粉的吸水性大，在非机械拌合的条件下和易性差，渣粉的加入使得整体自由水的总量减小，造成粗细骨料以及胶凝剂之间没有充分反应，搅拌均匀。考虑在钢渣的实践运用中，应测试出新比例的增水系数，在原有水灰比的基础之上进行增水系数的放大，使得材料整体能够均匀搅拌，不分层。钢渣块作为粗骨料参与混合的过程中，除了与渣粉相似的吸水和易性差以外，由于其自身密度较一般石子的密度都要大，所以搅拌难度高，需要在初凝以前完成对材料的均匀搅拌，需要合理的设计搅拌设备。一般的平动转轮式搅拌机难以满足搅拌要求，较为理想的应该为提升

23、式搅拌机，但是搅拌叶片的消耗也将因为钢渣的硬度较大，而损耗过大。钢渣试件的填充过程中，空洞极大，强力压缩之下，内部空洞塌陷较普通的混凝土明显很多。通过使用坍落桶对坍落度的测量发现，其塌落度明显低于一般混凝土，而且随钢渣含量的增加而差距越大。所以在填筑过程中，应使用可以深插入混凝土内部的振动棒对混凝土进行内部振动，而人工则需反复捣实填装，插孔再捣实再填装。 阿迪看看哎 图2 钢渣搅拌反应图4.2中期分析随着试件的装填完成和进入养护阶段后，在保温和避光条件之下，混凝土内部水分析出效果明显，表面形成具有光泽的水膜。在晒水养护条件下，试件的干裂孔减少，整体完整性较好。钢渣混凝土上表面会有明显的体积膨胀

24、，在养护前期随龄期增加而不断增长，接近15d时不再凸起变化。膨胀外观表现成方形面抬升，高度不超过2cm，平均为1.3cm左右，拖穿孔观察并未造成内部较大空洞，对于试件单个承载影响较小，但对大面积混凝土养护成形有着较大的影响。已有研究表明，钢渣混凝土由于其后期的体积膨胀，作为混凝土的安定性带来不可控因素4。由于混凝土实际养护过程中，会因为水分丢失的收缩，温度升高的膨胀，造成各种内部应力。而钢渣混凝土的膨胀应力更为不可控的是，它是内部的自身反应造成的，外界除了细致观察其体积膨胀外，并不能有其他的指标发现，而随着混凝土大面积的浇灌，应力集聚后，会使得混凝土内部应力提前破坏尚未成型的抗压骨料搭接级配，

25、使得混凝土实际值明显低于设计值，为工程运用带来安全隐患。 4.3结果分析通过多组数据，不同配比，在相同制作工艺和养护工艺条件下，进行同一仪器的力学强度检测，得出5组原始数据。根据各组数据线性分布情况，考虑各种误差影响，按照不同的有效取值方法，取出各组数据的代表值。由各组代表值，绘制出钢渣配比变化和试件强度的变化的趋势图。基于长久以来的不断试验，可以得出以下三个结论：（1） 随着钢渣在混凝土中组分比例的提高，混凝土强度有着极大的提升，效果明显，在50%左右达到最大提升限度。（2） 随着钢渣取代量的超过50%，即在混凝土中钢渣的量超过普通粗骨料的石子，成为粗骨料的主要构成部分后，并没有继续发生强度提高的现象。反而是突然折返降低，趋势明显。（3） 钢渣的强度的受稳定性制约，在50%比例后将会造成强度的大幅度降低。大面积刚渣混凝土的养护使用，稳定性差将导致整个构件失效。所以如何有效地促进钢渣的内部Ca2+、Sio2-2、Fe3+等沉淀性离子，在前期的反应消耗，将会成为钢渣混凝土的实际使用的关键。钢渣作为一种替代传统石材，来作为