钢渣显微构造和特性及其在混凝土中的应用研究

1、0引言目前,我国钢渣的年产量已达1400万t ,积存已有1.8亿t ,这些废渣不仅污染了环境,而且占据了很大的空间。欧美一些国家钢渣平均利用率达65%以上,而我国钢渣的利用率仅为38.7%左右1,所以我国学者正在潜心研究钢渣的特性,以便合理地开发利用钢渣,使其变废为宝。混凝土本身具有复杂性和变化性,这种复杂性和变化性主要体现在其内部结构,尤其是显微构造上。因此,对混凝土显微构造的研究在解决其结构与力学性能的定性与定量关系、土木工程中的实践问题,都具有十分重要的意义2。本文主要从钢渣及钢渣混凝土的显微构造着手,通过测定不同矿物相及不同构造处的显微硬度值,来分析其显微硬度的变化规律,从而为钢渣代替

2、天然砂作混凝土细集料提供显微构造方面的研究基础。这对合理利用资源、保护环境,促进可持续发展具有十分重要的意义。1试验用原材料及成分分析1.1水泥在试验中所用水泥为华新堡垒P O 42.5级水泥,其化学成分见表1。1.2钢渣本试验所用钢渣为自然冷却的武汉钢铁(集团公司鄂城钢铁有限公司转炉钢渣,经破碎磁选后,陈放1个月,过4.75mm 标准筛,粒径在4.75mm 以上的为粗钢渣,粒径在4.75mm 以下的为细钢渣。表2给出了钢渣的化学成分分析结果。表1华新堡垒P O 42.5级水泥熟料的化学成分%成分含量f-CaO 1.00SiO 221.78Al 2O 34.85Fe 2O 33.36CaO 6

3、5.66MgO 2.61SO 30.582007年第11期(总第217期Number 11in 2007(Total No.217混凝土Concrete涂文懋,魏茂(武汉理工大学,湖北武汉430070Abstract:At present ,steel slag emits largely in iron and steel industry in China ,but the utilization rate of steel slag is much less than othercountries.For efficient utilization of steel slag ,its

4、microstructures and characteristics must be adequately clarified.In this paper the microstructures and the micro-hardness of steel slag and steel slag concrete were researched respectively by optical microscopy and micro-hardness tester.The re-sults indicate that steel slag may be substituted for gr

5、avel-sand aggregate in concrete.Key w ords:steel slag ;concrete ;microstructure ;micro-hardness摘要:目前我国钢铁工业中钢渣的排放量较大,但是钢渣的利用率却远远低于其它国家。为更好地利用钢渣,必须充分了解钢渣的显微构造及特性。利用光学显微镜研究了钢渣及钢渣混凝土的显微构造特征,借助显微硬度测试仪研究了钢渣自身及钢渣混凝土的显微硬度,为钢渣代替砂石集料在混凝土中应用提供显微构造方面的研究基础。关键词:钢渣;混凝土;显微构造;显微硬度中图分类号:TU528.041文献标志码:A 文章编号:1002-355

6、0-(200711-0077-03Microstructures &characteristics of steel slag and its application to concreteTU Wen-mao ,WEI Mao(Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China 钢渣显微构造和特性及其在混凝土中的应用研究收稿日期:2007-08-08从表2可以看出,钢渣的主要化学成分是CaO 、SiO 2、Fe 2O 3、MgO ,还有少量的Al 2O 3、K 2O 、Na 2O 、MnO 、P 2O 5、SO 3、TiO 2。据其矿物组分及

7、碱度值的大小,MASON 将钢渣分为四种不同类型的渣:碱度0.91.4为橄榄石渣;1.41.6为蔷薇辉石渣;1.62.4为硅酸二钙渣;2.4为硅酸三钙渣3。按碱度值,该鄂钢钢渣为硅酸三钙渣,即硅酸三钙为钢渣中的主要成分之一。1.3粉煤灰取自阳逻电厂I 级粉煤灰,用于调整钢渣混凝土的工作性和长期耐久性。1.4减水剂减水剂选用德国BASF 公司的产品GLENIUM SP8CR-HC ,为带侧链的羧酸醚聚合物类。用于钢渣混凝土中以提高了钢渣混凝土的工作性。表2钢渣的化学成分%样品粗钢渣细钢渣原材料及辅助物料MATERIAL AND ADMINICLE772试验方法2.1钢渣岩相的分析利用德国Carl

8、 Zeiss 公司的Axioskop 40-Pol 偏光显微镜观察钢渣的显微构造。试样可在50、100、200、500的放大倍数下进行钢渣矿物组成的观测研究。2.2显微硬度的测试本研究中采用上海尚光显微镜有限公司生产的HXS-1000型数字式智能显微硬度仪。利用该仪器可测试钢渣内部各矿物相的显微硬度及钢渣混凝土中钢渣水泥砂浆界面薄弱区的显微硬度。相邻测试点的最小距离为10!m ,仪器附带显微镜放大倍数为100及400,仪器数显分辨率为0.03m 。在此运用维氏硬度来表征混凝土界面的显微硬度。维氏硬度所用的载荷有l 、3、5、10、20、30、50、100和120kg 等。2.3钢渣混凝土的制备

9、在配制混凝土之前,钢渣通过压蒸釜进行安定性处理,以使其游离氧化钙和游离氧化镁消解,以减少钢渣混凝土安定性不良的问题。处理工艺是将钢渣置于压蒸釜,在2.0MPa ,216的条件下处理3h ,之后进行筛分。压蒸后钢渣的颗粒级配组成见表3。钢渣混凝土的制备参照公路工程水泥混凝土试验规程4进行,其混凝土配合比示于表4。表3钢渣的颗粒级配%筛孔尺寸/mm粗钢渣细钢渣26.51001001991.71001674.1100按钢渣混凝土配合比制备好试件,1d 后脱模。至7d 龄期时将混凝土试块制成100mm 100mm 10mm 的光片,进行混凝土界面过渡区显微硬度的测定。3试验结果与分析3.1钢渣显微结构

10、特征分析从堆场中选取具有代表性的钢渣块,经过打磨、抛光等工艺制成光片,在偏光显微镜下观察钢渣自身的显微构造。在显微镜下观察得到钢渣的岩相组成如图1所示。由图1可见,在正交偏光下钢渣中含有大量C 2S 、C 3S 、C 2F 、镁铝尖晶石以及纯铁相等。在反光下观察到黑色类圆形矿物为C 2S 、黑色板状为C 3S 、富含铁的浅色中间相(以晶态、非晶态共存,FeO 、铁酸盐和富铁玻璃相居多和分布在浅色中间相中的深灰色点滴状富含镁铝硅的深色中间相(晶态、非晶态共存,镁铝尖晶石和富硅玻璃相居多。在反光下,还可观察到部分已经消解的粉化区及一定量的气孔,钢渣中孔隙分布不均匀,孔径大多在1mm 以下。另据X

11、射线衍射分析表明,粉化区的矿物相以氢氧化钙、碳酸钙和FeO 为主。表4混凝土配合比混凝土配合比/(kg/m 3强度等级C50水胶比0.33减水剂SP8-CR4.90 由上述可知,钢渣的矿物组分种类较多,分布很不均匀,通过某一个矿物相的显微硬度值是无法反映钢渣整体的显微硬度特性,因此,我们针对不同的矿物相选区,分别测定其维氏硬度,以从整体上了解钢渣的显微特性。表5列出了不同选区的显微硬度值,该硬度值为48个测定点的平均值。78从表5显微硬度值可以看出,钢渣的矿物相不同,显微硬度值不同。含玻璃相的浅色和深色中间相的显微硬度值最高,达300MPa 以上。硅酸二钙和硅酸三钙其次,分别达194.6MPa

12、 和181.0MPa 。纯铁的维氏硬度亦很高,达100MPa 以上。但在钢渣粉化区内维氏硬度值极低,仅约50MPa 。这也表明粉化区是影响钢渣整体强度的薄弱点。该粉化区的出现是由于游离氧化钙遇水水化形成氢氧化钙,进而碳化为碳酸钙的过程中造成体积膨胀,从而使得钢渣粉化而形成的。3.3钢渣混凝土界面过渡区显微硬度在抛光后的试样表面,随机选取界面过渡区清晰的钢渣(见图2,每个钢渣选取6个不同的矿物相界面处,从骨料开始依次每20!m 测一次显微硬度。测试点的走向应与界面垂直,各点显微硬度测试结果如图3所示。图3中横坐标的0距离点是靠近界面过渡区的骨料上的一点,依次向浆体延伸。由图3结果表明,随着显微硬

13、度曲线从界面附近的0距离点逐步延伸至浆体,各测点的显微硬度变化均呈现明显的凹字形,钢渣混凝土在20m 处出现显微硬度最低值(平均值为22.3MPa ,该区域即为钢渣混凝土中钢渣和水泥砂浆的界面过渡区。之后在6080#m 处趋于平缓(维氏硬度为3040MPa ,即表明该处为砂浆区。因此,对钢渣混凝土,其界面过渡区仍然是制约钢渣混凝土整体强度的重要因素,因此如何提高钢渣和水泥砂浆的界面区强度是配制钢渣混凝土应该密切关注的问题。4结论(1鄂城钢铁有限公司转炉钢渣的主要矿物为C 2S 、C 3S 、FeO 、C 2F 及玻璃相,还有部分含氢氧化钙和碳酸钙等。钢渣的构造特征为不同晶体大小的类圆形C 2S

14、 和板状C 3S 较均匀地分布在深色和浅色中间相中,同时深灰色点滴状富含镁铝硅的深色中间相不均匀地分布在富含铁的浅色中间相中。(2钢渣的矿物相不同,显微硬度值不同。按其维氏硬度值由大到小依次为:深色中间相浅色中间相硅酸二钙硅酸三钙纯铁粉化区。故粉化区是影响钢渣整体强度的薄弱点。(3虽然钢渣自身显微硬度值较高,但钢渣混凝土界面过渡区显微硬度值与之相比却很低,如何提高钢渣混凝土的界面过渡区强度将为今后关注的问题。参考文献:1Motz H ,Geiseler J.Products of steel slags an opportunity to save natu-ral resourcesJ.In

15、 :Waste Management ,2001,21:285-293.2Zhao Q ,Stark J ,Freyburg E.Charakterisierung des mikrogef ges von LD-Granulat und seine wirkung hinsichtlich der reduzierung deralkali-kiesels #ure-reaktionJ.Zement-Kalk-Gips(International ,2005,58(9:74-79.3赵青林.冶金渣碱活性及其抑制碱集料反应的研究D.武汉:武汉理工大学,2006.4中华人民共和国交通部.JTJ

16、053-94,公路工程试验规程S.北京:人民交通出版社,2000.作者简介:涂文懋(1971-,男,博士研究生。单位地址:湖北省武汉市洪山区珞狮路122号武汉理工大学资源与环境学院(430070联系电话:139*表5钢渣的维氏硬度铁相112.3选区HV/MPa C 2S 194.6深色中间相336.9C 3S 181.0行业资讯10月17日,第九届北京国际工程机械展览与技术交流会开展之际,三一重工66米世界最长臂架泵车抵达北京。此台创造了吉尼斯世界纪录的最长臂的架泵车于当天下午在北京某工地现场施工。此泵车完全由中国企业自主研发制造。生产企业三一重工提交的世界第一臂架吉尼斯世界纪录申请报告已通过

17、确认,66米泵车创造了吉尼斯世界纪录。这让中国工程机械业首次站到了世界泵车制造领域的最前沿,令“中国制造”在混凝土机械方面也成为世界标杆。泵车是现代化的建筑机械,它可以借助核心部分臂架,将建筑用混凝土输送至任意施工点,臂架越长,输送的范围就越广,对高层、宽广范围的现代化建筑建设来说更是不可或缺。66米不仅是一个数字或一个产品,而是整个混凝土机械行业高技术的体现,66米泵车的诞生,标志着泵车制造达到了一个新的高度,必将带动整个泵车技术的全面提升。工程机械领域有句行话“臂长增一米,难于上青天”,即说明了泵车臂架增长的艰辛。泵车对平衡和稳定性要求非常高,加长臂架绝不仅仅是长度的简单增加,臂架加长后,泵车负载随之增大,所有细微的增加都会影响到整个泵车的抗摆动性和平稳性,所谓“牵一发而动全身”,必须对其结构进行全面调整、优化。臂架技术是混凝土泵车的一项关键技术,以前一直掌握在德国人、美国人手中。目前,世界上能够生产56米臂架泵车的也只有德国的普茨迈斯特、施维英、中国的三一等少数几个工程机械企业。而66米泵车的