磨细钢渣_粉煤灰对混凝土强度和抗氯离子渗透性能的影响研究_百

1、表2磨细钢渣(SS 与粉煤灰(FA的物理性能0前言利用活性矿物配制混凝土可以节约资源,利于环保,同时矿物掺合料自身具有形态效应和填充效应,能有效提高混凝土强度和耐久性,尤其是抗氯离子渗透性能1。由于目前的研究基本上都是集中于单一组分尤其是粉煤灰、矿渣对混凝土的影响,对磨细钢渣及粉煤灰的复合效应研究很少,因此,本文主要研究单掺粉煤灰、磨细钢渣及两者复掺对混凝土强度和耐久性的影响,为今后进一步的研究提供依据,同时为在工程中更好的推广使用复合掺合料提供理论保障。1原材料及基本性能1.1硅酸盐水泥(C 本试验所用水泥为南京产硅酸盐水泥(P ·52.5级,水泥的物理性能见表1所示。1.2磨细钢

2、渣(SS本试验采用马鞍山钢铁公司露天陈放一年以上的钢渣,用SM-500型试磨机粉磨90min ,过0.16mm 的方孔筛得到磨细钢渣,物理性能如表2所示。1.3粉煤灰(FA本试验所用粉煤灰为华能级粉煤灰,表观密度2.00g/cm 3,比表面积为294m 2/kg ,物理性能如表2所示。磨细钢渣、粉煤灰对混凝土强度和抗氯离子渗透性能的影响研究李贞,夏继宗,贾文亮(中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,徐州221008摘要:研究了单掺粉煤灰、磨细钢渣和双掺粉煤灰-磨细钢渣对混凝土强度和氯离子扩散系数的影响。试验表明:双掺粉煤灰-磨细钢渣的混凝土强度和抗氯离子渗透性能优于基准组及单掺粉煤

3、灰、磨细钢渣的混凝土,同时磨细钢渣对混凝土性能改善的贡献稍大于粉煤灰。关键词:水泥;粉煤灰;磨细钢渣;混凝土;强度;氯离子扩散Abstract :The effects of the individual mixture of fly ash or steel slag and the combinations of fly ash and steel slag on strength and chloride diffusion coefficient of concrete are studied.The results indicate that comparing to the pur

4、e cement sample and the individual mixture of fly ash or steel slag cement sample,the combination of the admixtures can improve the mechanical properties and the resis -tance to chloride ion permeability of concrete.The contribution of steel slag to concrete performances is slightly larger than fly

5、ash.Key words:Cement ;Fly ash ;Steel slag ;Concrete ;Strength ;Chloride diffusion 中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1000-4637(201005-11-04表1水泥物理性能细度/(m 2/kg标准稠度用水量/%凝结时间/min 体积安定性抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝膨胀值/mm f-MgO/%SO 3/%3d 7d 28d 3d 7d 28d 370>30029.01401951.752.12.07.709.159.8132.546.963.2表观密度/(g/cm 2比表面积/(

6、m 2/kg需水量比/%活性指数/%3d 7d 28d 钢渣粉煤灰66758479102831.4集料细集料(S:马鞍山产,表观密度2540m 2/kg ,含水量2.24%,细度模数为2.9,属于中砂,无潜在碱活性。粗集料(G:南京白云矿碎石,满足525mm 颗粒级配要求,表观密度2710m 2/kg ,含水量1.04%,压碎值为8.8%,无潜在碱活性。1.5标准砂采用中国ISO 标准砂(GSB08-1337-2001,由厦门某公司生产,净含量(1350±5g 。1.6外加剂2010年第5期混凝土与水泥制品2010No 510月CHINA CONCRETE AND CEMENT PR

7、ODUCTSOctober表3水泥胶砂试验配比与结果萘系减水剂FDN-5,减水率大于25%。1.7水采用自来水。2抗压、抗折强度试验及分析2.1试验设计为了叙述方便,本文规定单掺级粉煤灰的水泥胶砂记为CFA,单掺磨细钢渣的水泥胶砂记为CSS ,双掺级粉煤灰-磨细钢渣的水泥胶砂记为CFS.分别测定CFA 、CSS 和CFS 3d 、7d 、28d 、60d 的抗折与抗压强度,其中FA 掺量分别为20%、30%、40%,SS 掺量分别为30%、40%、50%,减水剂以外掺形式加入,不计入成分组成。胶凝材料用量为450g ,标准砂为1350g ,水灰比取0.5。水泥胶砂和混凝土的成型、养护以及强度的

8、测定均参照JTJ 270-1998水运工程混凝土试验规程中相关试验方法进行。试验配比与结果如表3所示。2.2试验结果分析(1FA 的影响由表3可以看出,CFA 各龄期强度随FA 掺量增加逐渐减小,3d 、7d 强度均低于基准试件;随着龄期的延长,CFA 抗压强度与基准强度越来越接近。FA 掺量为20%时,28d 水泥胶砂强度已达到基准组的96%,60d 时超过基准组的强度,说明级FA 在28d 时活性作用达到一定程度。级FA 掺量超过30%时,抗压与抗折强度下降趋势明显增大,所以宜将FA 掺量控制在30%以内。(2SS 的影响CSS 强度随着SS 掺量增加而逐渐下降,当掺量超编号取代量/%FA

9、/g SS/g C/g 抗折强度/MPa抗压强度/MPa0203040304050303030404040505050过40%时下降趋势明显增大,所以宜将SS 掺量控制在40%以内。7d 时,30%SS 掺量下CSS 强度与基准组的比值高于3d 时的比值,说明SS 在7d 前就参与了水泥的水化反应;28d 时,其抗折强度高于基准组。CSS 的抗折强度早期降低不多,后期接近基准,抗折强度的提高对混凝土抗裂性十分有利。随着龄期的延长,CSS 抗压强度与基准组越来越接近。(3FA 和SS 复合效应的影响当复合掺量为30%时,CFS3d 强度仍低于基准组,但比CFA 和CSS 的3d 强度高,说明SS

10、 可以提高FA 的活性,使其较早参与反应;28d 时,CFS 强度高于基准组、CFA 和CSS 强度;60d 时,CFS 强度明显高于CFA 和CSS 的60d 强度,并且其强度的增长率也最大。上述试验结果表明,复合FA 和SS 会产生“叠加效应”23。通过第7、10、13组数据可以看出:SS:FA 为21时,CFS 3d 、7d 、28d 和60d 的抗折强度以及3d 、7d 、28d 的抗压强度先是随着FA 和SS 总掺量的增加显著上升,当总掺量达到40%时,强度最大;之后强度又随着总掺量的增加而迅速下降,且强度下降的幅度明显大于增长的幅度,由此说明SS 与FA 为2:1时,最佳总掺量为4

11、0%。第10组CFS 60d 的抗压强度相对较小,没有遵循上述变化规律,可能是由于制作试块时浆液振捣不均引起浆体孔数量相对较多,结构疏松,以致试块60d 时抗压强度相对较小。从第7、8、9组数据可以看出:当FA 和SS 总掺量为30%时,变化两者间的比例,随着FA 相对掺量的减小,CFS 3d 、7d 和28d 的抗压与抗折强度逐渐提高,而60d 的抗压与抗折强度却表现为逐渐减小,说明在复掺情况下,SS 有利于水泥胶砂早期强度的提高,而FA 则有利于水泥胶砂后期强度的增长。2010年第5期混凝土与水泥制品总第175期由第715组试验数据可以看出,随着龄期的延长,不同配比CFS 的抗压强度逐渐接

12、近。对水泥胶砂90d 的抗压强度进行测试后发现,各配比CFS 90d 的抗压强度基本都在8588MPa 之间。2.3FA 和SS 复合效应机理分析级粉煤灰和磨细钢渣复掺能够提高混凝土强度的原因在于掺合料各组分本身固有活性差异和粉料物理化学性质的差别。这一差别将导致各种掺合物在水泥水化过程中会发生“梯度水化效应”4。首先,水泥水化产生Ca(OH2,Ca(OH2作为磨细钢渣的碱性激发剂同时与磨细钢渣中的活性组分相互作用,生成大量的低密度水化硅酸钙、钙矾石及Ca(OH 2。这些具有大比表面积的水化产物聚集在级粉煤灰颗粒周围,起着晶核的作用,从而加速级粉煤灰的水化反应。其次,由于磨细钢渣的碱度远大于级

13、粉煤灰,磨细钢渣水化时,将提高胶凝材料体系中的OH -含量以及新拌混凝土浆体中的碱度。碱度的提高,将打破级粉煤灰的玻璃相,加速级粉煤灰的水化5。级粉煤灰和磨细钢渣复合使用,可以借助磨细钢渣的晶核作用及其对水泥胶砂碱度的提高,激发级粉煤灰的活性,使两者产生的“叠加效应”充分发挥。然而,如果水泥取代量过大,其水化生成的Ca(OH2量就相对较少,影响反应环境中的碱含量,对级粉煤灰、钢渣微粉活性的发挥不利。3掺磨细钢渣、级粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能试验3.1试验方法参照水运工程混凝土试验规程(DL/T5150-2001中混凝土抗氯离子渗透快速试验方法,通过测量在一定交流电压下流过混凝土的电荷量或电

14、导,反映出透过混凝土的氯离子量,并根据Ernst-Plank 方程式推算出氯离子的电迁移扩散系数6。具体试验装置如图1所示。本试验选用的混凝土配比为水胶比0.57,胶凝材料用量为341.2kg ,砂率为37%,28d 抗压强度为69MPa 。研究了单掺级粉煤灰、磨细钢渣和双掺级粉煤灰-磨细钢渣的掺量及比例对混凝土28d 、45d 、91d 龄期下抗氯离子渗透性能的影响。试验结果如图2所示。3.2试验结果分析(1FA 的影响。从图2可以看出,FA 的掺入,有利于混凝土抗氯离子渗透性能的提高。随着龄期的增长,1789102345674591万能电桥;2紧固螺杆;3紧固螺母;4试验槽;5铜网;63%

15、NaCl 溶液;7导线;80.3mol/L NaOH 溶液;9混凝土试件;10橡皮垫圈图1氯离子渗透快速试验仪器装置示意图氯离子扩散系数/(×10-12m 2/s 15304501530450153045粉煤灰磨细钢渣粉煤灰+磨细钢渣掺量/%28d 45d 91d图2粉煤灰、磨细钢渣及粉煤灰-磨细钢渣掺量对混凝土氯离子渗透性能的影响(粉煤灰:磨细钢渣=1:1李贞,夏继宗,贾文亮钢渣、粉煤灰对混凝土强度和抗氯离子渗透性能的影响研究氯离子扩散系数/(×10-12m 2/s 1:21:12:1粉煤灰:磨细钢渣28d 45d 91d图3粉煤灰和磨细钢渣比例对混凝土氯离子渗透性能的影

16、响FA 的火山灰效应逐渐发挥,混凝土更加密实,抗氯离子侵蚀的能力也随之提高。FA 掺量为30%时,抗氯离子渗透性能提高最多,其91d 氯离子扩散系数为4.89×10-12m 2/s,只有空白组的79%。(2SS 的影响。随着SS 掺量的提高和龄期的延长,混凝土的抗氯离子渗透性能均有不同程度的提高。特别是SS 掺量为45%时,混凝土抗氯离子渗透性能较其余掺量时为最佳,且优于相同掺量粉煤灰混凝土的抗侵蚀能力。可见SS 在改善混凝土孔结构、增加混凝土密实度、降低渗透性方面要优于粉煤灰7。(3FA 与SS 的复合效应。如图2所示,当FA:SS=1:1时,随着FA 与SS 总掺量的增加,混凝土

17、抗氯离子渗透性能提高;同时随着龄期的增长,混凝土的氯离子扩散系数也明显降低。究其原因,首先是粉煤灰、磨细钢渣的复合掺入优化了粉体材料的微级配,由于磨细钢渣的细度高于粉煤灰,复掺后材料颗粒间能够相互填充空隙,材料堆积更加紧密,从而改善了浆体的微观孔结构,提高了混凝土的密实度,产生了“叠加效应”;其次,级粉煤灰和磨细钢渣取代了部分水泥,使水泥中的C 3A 含量降低,这也有助于改善混凝土的抗氯离子渗透性能8。图3为粉煤灰与磨细钢渣比例对混凝土氯离子渗透性能的影响。从图3可以看出,FA 与SS 总掺量为30%时,变化FA 与SS 的相对掺量,FA 相对掺量的增加不利于混凝土抗氯离子渗透性能的提高。随着

18、龄期的增长,混凝土的氯离子扩散系数也明显降低。4结论(1磨细钢渣与级粉煤灰复掺具有较好的适应性。两者复掺可以互相补偿,充分发挥复合叠加效应。合理的复掺比及取代量可以改善水泥胶砂和混凝土的力学性能。(2粉煤灰和磨细钢渣对混凝土抗氯离子侵蚀性能均有不同程度的改善,两者复掺比单独掺入时具有更加良好的改善效果。参考文献:1杨华全,董维佳,王仲华.掺矿渣粉及粉煤灰混凝土微观性能试验研究J.长江科学院报,2005,22(1:46-49.2李家和,盖广清,刘铁军.双掺硅灰超细矿渣高强混凝土的研究J.吉林建筑工程学院学报,2000(1:11-15.3赵美丽,陆文雄,等.不同矿物掺合料配制C30混凝土的性能比较

19、J.粉煤灰,2005(3:7-9.4李志刚.粉煤灰与矿渣复合掺合料对混凝土强度影响J.低温建筑技术,2009(4:17-18.5陈雷,肖佳,唐咸燕,等.粉煤灰和矿渣双掺对混凝土性能影响的研究J.粉煤灰综合利用,2007(2:22-25.6Mandal S ,hakraborty S ,Gupta A .Some studies on durability of recy -cled age concreteJ.The Indian Concrete Journal ,2002(6:385-388.7刘孟贺.矿渣微粉用作混凝土活性掺合料的研究J.新型建筑材料,2004(11:47-49.8王绍东,黄镔,王