礦渣對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的研究

1、礦渣對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的研究摘要混凝土是當(dāng)代用量最大的人造建筑材料，高效減水劑和礦物摻和料的應(yīng)用使混凝土作為水泥基復(fù)合材料的復(fù)合化日益突出,混凝土已從過去以強(qiáng)度為中心的普通混凝土發(fā)展成為高工作性、高耐久性的高性能混凝土。礦渣是一種具有潛在活性的工業(yè)廢棄物,其大量堆放已對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。目前，主要通過粉磨的方式將其作為活性礦物摻和料應(yīng)用于水泥與混凝土中, 并已顯示出了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義。研究了高爐礦渣作為細(xì)骨料的本征特性及其對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:礦渣與天然砂作為細(xì)骨料時(shí), 其物理化學(xué)性能存在一定差異;與基準(zhǔn)水泥砂漿相比,礦渣代砂水泥砂漿的需水性增大,早期抗折強(qiáng)度略有降

2、低,但后期抗折強(qiáng)度不但不降低甚至還略有提高, 抗壓強(qiáng)度略有降低,干縮性減小;相對(duì)于普通混凝土,礦渣代砂混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有所提高。關(guān)鍵詞：礦渣，混凝土，力學(xué)性能Concrete is a contemporary of the most artificial building materials, high efficiency water reducing agent and mineral material concrete were used as cement base composite material compounding increasingly prominent

3、, from the past to strength concrete has for center of common concrete development as a high workability, high durability of concrete. Slag is a potentially active industrial waste, its vast pile up on the environment has been causing serious pollution.At present, the main through the grinding way a

4、s active mineral materials were used in cement and concrete, and has shown a remarkable technical and economic benefits and environmental significance. The blast furnace slag as the fine aggregate the eigenvalue of the characteristics and the mechanical property of concrete influence. The results sh

5、ow that: the slag and natural sand as fine aggregate, its physical and chemical properties, there are certain differences; Compared with the benchmark cement mortar, slag and cement mortar to need to water sand increases, the early the flexural strength depressed, but later the flexural strength not

6、 only reduce even slightly increased, compressive strength slightly lower, dry shrinkage sex decreased; Compared to the normal concrete, slag and concrete flexural strength of sand and compressive strength are improved.Keywords: slag, concrete , mechanical properties目錄 1 緒論 （4）1.1 高爐礦渣介 （4）1.1.1高爐礦渣

7、概述 （4）1.1.2 高爐礦渣的分類 （4）1.1.3 高爐礦渣的用途（4）1.1.4 高爐礦渣在混凝土中的應(yīng)用分析（4）2 礦渣與天然砂物化特性差異 （5）2.1 篩分析 （5）2.2 密度分析 （5）2.3 化學(xué)活性分析 （5）3 礦渣代砂水泥砂漿物理力學(xué)性能 （6）3.1 流動(dòng)性分析（6）3.2 強(qiáng)度分析（7）3.3 干縮性分析 （10）4 礦渣代砂混凝土強(qiáng)度分析 （12）5 結(jié)論 （12）參考文獻(xiàn)（13）致謝（13）1.緒論1.1 高爐礦渣簡(jiǎn)介1.1.1 高爐礦渣概述高爐礦渣是冶煉生鐵時(shí)從高爐中排出的一種廢渣。在高爐冶煉生鐵時(shí)，從高爐加入的原料，除了鐵礦石和燃料(焦炭)外，還要加入助

8、熔劑。當(dāng)爐溫達(dá)到1400一1600時(shí)，助熔劑與鐵礦石發(fā)生高溫反應(yīng)生成生鐵和礦渣。高爐礦渣是由脈石、灰分、助熔劑和其他不能進(jìn)入生鐵中的雜質(zhì)組成的，是一種易熔混合物。從化學(xué)成分來(lái)看，高爐礦渣是屬于硅酸鹽質(zhì)材料。11.1.2 高爐礦渣的分類由于煉鐵原料品種和成分的變化以及操作工藝因素的影響，礦渣的組成和性質(zhì)也不同。按照冶煉生鐵的品種，高爐礦渣可分為鑄造生鐵礦渣、煉鋼生鐵礦渣和特種生鐵礦渣。按照高爐礦渣化學(xué)成分中的堿性氧化物的多少。高爐礦渣又可分為堿性礦渣、中性礦渣和酸性礦渣。1.1.3 高爐礦渣的用途高爐礦渣可采用多種工藝加工成具有多種用途的寶貴材料。加工成礦渣碎石可代替天然砂石，作為混凝土、鋼筋混

9、凝土以及500號(hào)以下預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土骨料，工作溫度700以下的耐熱混凝土骨料，要求耐磨、防滑的高速公路、賽車場(chǎng)、飛機(jī)跑道等的輔助材料，鐵路道渣、填坑道地和地基墊層填料，污水處理介質(zhì)等。高爐熔渣用大量水淬冷后，可制成含玻璃體為主的細(xì)粒水渣，有潛在的水硬膠凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激發(fā)劑作用下，顯示出水硬膠凝性能，是優(yōu)質(zhì)水泥原料。我國(guó)生產(chǎn)的水泥有70一80摻用了不同數(shù)量的水渣。水渣還可作保溫材料，濕碾和濕磨礦渣，混凝土和道路工程的細(xì)骨料；土壤改良材料等。2 熱熔礦渣可加工成多孔的膨脹礦渣，經(jīng)破碎、篩分后成為混凝土輕骨料，還可加工成內(nèi)含微孔、表面光滑、大小不等的顆粒膨珠。膨珠是優(yōu)質(zhì)的混凝土輕骨

10、料，比用膨脹礦渣可節(jié)省水泥20；還可作水泥混合材料、道路材料、保溫材料等。 用壓縮空氣噴吹或高壓蒸汽噴吹熱熔礦渣流，可制取礦渣棉。作為保溫、吸音、防火材料等用途。 此外高爐礦渣還可作為鑄石、微晶玻璃、肥料、搪瓷、陶瓷等的原料。1.1.4 高爐礦渣在混凝土中的應(yīng)用分析 混凝土是土木工程中用途最廣、用量最大的一種建筑材料。它是由膠凝材料、顆粒狀集料（也稱為骨料）、水以及必要時(shí)加入的外加劑和摻合料按一定比例配制，經(jīng)均勻攪拌，密實(shí)成型，養(yǎng)護(hù)硬化而成的一種人工石材。3原狀?；郀t礦渣的粒度與天然砂相近, 若能將其代替天然砂應(yīng)用于水泥砂漿或混凝土中, 則不僅能有效減緩天然砂資源的消耗, 而且還能進(jìn)一步提高

11、和拓寬?；郀t礦渣的利用率，本文主要研究高爐礦渣作為細(xì)骨料的本征特性及其對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響，從而為使粒化高爐礦渣更有效地開發(fā)利用提供必要的技術(shù)參數(shù)和科學(xué)依據(jù)。2.礦渣與天然砂物化特性差異2.1 篩分析礦渣和砂子的篩分析試驗(yàn)結(jié)果見表14。由篩分析試驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算出礦渣的細(xì)度模數(shù)為2.42,砂子的細(xì)度模數(shù)為2.65,它們均屬于中砂。由表1可見, 盡管試驗(yàn)所用的礦渣和砂子均符合級(jí)配區(qū)砂,但相比于砂子,礦渣的粗顆粒較少, 細(xì)顆粒含量明顯較多。表1 礦渣和砂子的篩分析試驗(yàn)結(jié)果篩孔尺寸篩余物/%累計(jì)篩余物/%礦渣砂礦渣砂級(jí)區(qū)5.0004.0604.061002.500.829.390.8213.45

12、2501.258.1410.878.9624.3250100.6340.9625.6249.9249.9470410.31540.6038.8190.5288.7592700.165.768.7396.2897.48100902.2 密度分析礦渣和砂子的密度、堆積密度及由此計(jì)算得到的空隙率結(jié)果見表2。由表2可見, 礦渣的密度比砂子略大。盡管礦渣顆粒結(jié)構(gòu)疏松, 孔隙率較高, 但由于礦渣含有一定量鐵元素, 因而礦渣密度比砂子略大。礦渣的堆積密度比砂子小,孔隙率比砂子大, 表明礦渣的顆粒級(jí)配比砂子差。5表2 礦渣和砂子的密度、堆積密度及孔隙率樣品密度/（g/mL3）堆積密度（g/mL3）空隙率/%稠

13、密條件一般條件稠密條件一般條件礦渣2.711.481.3145.3851.66砂2.631.661.5236.8842.202.3 化學(xué)活性分析礦渣的化學(xué)成分與硅酸鹽水泥熟料相近,主要是SiO2 、CaO 、Al2O3 、MgO 等氧化物,經(jīng)水淬急冷后的礦渣其玻璃體含量高,結(jié)構(gòu)處于高能量狀態(tài), 不穩(wěn)定。 砂子的主要化學(xué)成分為SiO2 ,礦物組成為石英。由于礦渣和砂子在化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)上存在的差異,決定了礦渣除了具有一定火山灰活性外,同時(shí)還具有一定的膠凝性,而砂子在常溫下為惰性材料。在水灰比為0.29, 20水中養(yǎng)護(hù)條件下, 粉磨礦渣28, 60, 90 d 齡期的抗壓強(qiáng)度分別為18.8 ,2

14、3.9 ,30.7 MPa。該結(jié)果充分表明了礦渣所具有的膠凝性。63 礦渣代砂水泥砂漿物理力學(xué)性能3.1 流動(dòng)性分析圖1, 2 分別為相同水灰比(0.50) 條件下不同礦渣代砂率水泥砂漿流動(dòng)性以及同流動(dòng)度( 145155 mm) 條件下不同礦渣代砂率水泥砂漿需水比的試驗(yàn)結(jié)果。 圖1 礦渣代砂率水泥砂漿流動(dòng)性圖2 礦渣代砂率水泥砂漿需水比由圖1, 2 可見, 隨著礦渣代砂率的增大,同水灰比條件下礦渣代砂水泥砂漿流動(dòng)性逐漸降低,或者同流動(dòng)度條件下礦渣代砂水泥砂漿需水性逐漸增大。這主要是由于礦渣顆粒結(jié)構(gòu)疏松,其吸水性大于砂子,同時(shí)礦渣的顆粒級(jí)配也要比砂子差,因而隨著礦渣代砂率的不斷增大,水泥砂漿的有

15、效水灰比及流動(dòng)性逐漸降低,為了保證相同的流動(dòng)性,則水泥砂漿需水量將不斷增加。73.2 強(qiáng)度分析圖3,4 分別為同水灰比(0.50)條件下不同礦渣代砂率水泥砂漿各齡期抗折、抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。圖3 水泥砂漿各齡期抗折強(qiáng)度圖4 水泥砂漿各齡期抗壓強(qiáng)度由圖3可見,與基準(zhǔn)水泥砂漿相比,無(wú)論是礦渣部分代砂還是全部代砂,其水泥砂漿的早期抗折強(qiáng)度均略有降低,但28 d 養(yǎng)護(hù)齡期后,不同礦渣代砂率水泥砂漿抗折強(qiáng)度不但不降低，甚至還略有提高。分析其原因可能是,由于礦渣的物理性能,諸如顆粒級(jí)配、顆粒強(qiáng)度等劣于砂子,造成其水泥砂漿早期抗折強(qiáng)度略有降低,28d 養(yǎng)護(hù)齡期后由于礦渣的化學(xué)活性不斷激發(fā),骨料-水泥漿界面的

16、改善,使得其化學(xué)活性優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了其物理性能的不足,從而使不同礦渣代砂率水泥砂漿的抗折強(qiáng)度趕上甚至超過基準(zhǔn)水泥砂漿。由圖4可見,礦渣代砂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度略有降低,與其抗折強(qiáng)度變化規(guī)律略不同的是,盡管56d養(yǎng)護(hù)齡期后礦渣代砂率50%的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度可趕上基準(zhǔn)水泥砂漿,但大代砂率(>50%)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度仍然低于基準(zhǔn)水泥砂漿。分析其原因可能是,相對(duì)于抗折性能,水泥砂漿的受壓性能更受其內(nèi)部起骨架作用的砂子或礦渣顆粒自身強(qiáng)度的影響,由于礦渣顆粒強(qiáng)度低于砂子,盡管后期礦渣的化學(xué)活性不斷激發(fā),但其化學(xué)活性的優(yōu)勢(shì)仍然彌補(bǔ)不了其物理性能的不足,致使大代砂率水泥砂漿抗壓強(qiáng)度仍然低于基準(zhǔn)水泥砂漿。圖5 為2

17、8d齡期基準(zhǔn)水泥砂漿和礦渣代砂水泥砂漿界面的SEM照片。8圖5 基準(zhǔn)水泥砂漿和礦渣代砂水泥砂漿界面的SEM照片由圖5 可見,天然砂與水泥漿體界面附近水化物較少,界面粘結(jié)性較差,存在明顯的過渡區(qū),因而往往是試件的應(yīng)力薄弱區(qū);而礦渣與水泥漿體界面附近水化物明顯較多,界面過渡區(qū)域變得不明顯,使得界面粘結(jié)性得到了明顯改善。3.3 干縮性分析圖6 為礦渣代砂率分別為0,50% ,100% 的水泥砂漿干縮率隨時(shí)間的變化曲線。圖6 礦渣代砂對(duì)水泥砂漿干縮的影響由圖6 可見,不同礦渣代砂率水泥砂漿其干縮性隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是一致的, 即隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng),水泥砂漿干縮率不斷增加。早期由于水泥水化程度低, 自由水

18、多,水泥砂漿的干縮大;后期隨著水泥水化的不斷進(jìn)行,水泥砂漿的干縮不斷趨于平緩。在相同齡期條件下,隨著礦渣代砂率的增大,水泥砂漿干縮率逐漸減小。這主要是由于礦渣顆粒結(jié)構(gòu)疏松,其吸水性大于砂子,相比于基準(zhǔn)水泥膠砂試件,相同齡期條件下其自由水含量相對(duì)減少,因而其水泥砂漿的干縮率也相對(duì)降低。4 礦渣代砂混凝土強(qiáng)度分析圖7 為不同強(qiáng)度等級(jí)礦渣代砂混凝土與基準(zhǔn)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度的比較。圖7 礦渣代砂混凝土與基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的比較由圖7 可見,礦渣代砂混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的趨勢(shì)是一致的,隨著齡期的不斷增加,混凝土抗壓強(qiáng)度不斷提高;在齡期、水灰比相同的條件下,由于礦渣顆粒與砂子相比具有較

19、強(qiáng)的吸水性,相當(dāng)于降低了礦渣代砂混凝土的有效水灰比,又因礦渣具有一定的化學(xué)活性,可改善骨料-水泥漿界面結(jié)構(gòu),因此,不同強(qiáng)度等級(jí)的礦渣代砂混凝土抗壓強(qiáng)度均比普通混凝土有一定提高。9圖8（a）,（b）分別為水灰比為0.50的不同礦渣代砂率混凝土28d 抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。圖8 礦渣代砂對(duì)混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度的影響由圖8 可見,隨著礦渣代砂率的增大,其混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值均緩慢提高,且二者的變化規(guī)律很相似。對(duì)比礦渣代砂水泥砂漿強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度的變化趨勢(shì)可以看出,礦渣代砂不但沒有明顯提高水泥砂漿抗壓強(qiáng)度,反而使其略有降低,但是礦渣代砂可使混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高。出現(xiàn)這種差異的原因可能是:對(duì)于

20、水泥砂漿,由于其內(nèi)部起骨架作用的礦渣顆粒級(jí)配及自身強(qiáng)度均低于砂子,這一負(fù)面影響未能被礦渣吸水性和化學(xué)活性這些有利因素所彌補(bǔ),因而導(dǎo)致水泥砂漿抗壓強(qiáng)度略有降低,但對(duì)于混凝土,石子作為粗骨料起主要骨架作用,礦渣顆粒級(jí)配及自身強(qiáng)度比砂子較低的負(fù)面影響對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小,礦渣吸水性和化學(xué)活性的有利因素表現(xiàn)為提高了礦渣代砂混凝土的抗壓強(qiáng)度。105.結(jié)論1. 礦渣與天然砂作為細(xì)骨料其物理化學(xué)性能差異明顯:兩者細(xì)度相近, 但礦渣的顆粒級(jí)配比砂子略差,孔隙率比砂子大;礦渣兼有火山灰活性和一定的膠凝性,而砂子在常溫下是惰性材料。2. 隨著礦渣代砂率的增加, 同水灰比條件下水泥砂漿的流動(dòng)度逐漸降低, 或同流動(dòng)度條件下水泥砂漿的需水性逐漸增大。3. 礦渣代砂水泥砂漿早期抗折強(qiáng)度略有降低, 28 d 養(yǎng)護(hù)齡期后其抗折強(qiáng)度不但不降低,甚至還略有提高;礦渣代砂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度略有降低;隨著礦渣代砂率的增加,水泥砂漿的干縮率減小。4. 不同強(qiáng)度等級(jí)的礦渣代砂混凝土抗壓強(qiáng)度均比普通混凝土有一定提高, 且隨著礦渣代砂率的增大,其混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均緩慢提高。參考文獻(xiàn)1王葆霞.礦渣微粉的特性及應(yīng)用.山西建筑,30(1):5051.2李建,謝友均,劉寶舉等.石屑代砂混凝土力學(xué)性能研究J .混凝土, 2001, (7):2325.3 JOAO A.Rossignolo，Marcos V.C.Agne