无水泥钢渣重载路面混凝土

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摘　要: 以钢渣为粗细骨料代替传统天然砂石， 碱溶液废渣粉制备胶凝材料代替水泥， 配置路面混凝土。系统研究了碱掺量对强度和其工作流动性的影响， 配置出28 d 抗压强度达44M Pa， 抗折强度达8. 3M Pa， 同时具有良好工作性能的钢渣路面混凝土。进行重载路面工程试验的效果良好。

关键词: 路面混凝土； 钢渣； 矿渣； 粉煤灰； 碱激发

传统混凝土作为最大宗人造材料以天然砂石和水泥为原料， 由于水泥生产和砂石过度开采造成的资源、能源与环境问题十分突出， 必须及早解决， 否则将成为不可持续发展的材料。虽然目前钢渣、矿渣以及粉煤灰等具有水硬活性的工业废渣已广泛用于建材和公路铁路建设， 但也仅仅是作为少部分代替水泥的填料来制备混凝土， 未能全部取代水泥和天然砂石， 同时也不能成为大批消耗钢渣等工业废渣的有效方法[ 1～ 8 ]。

如果能将生产原料全部采用工业废渣， 它的意义将不仅在于解决大量工业废渣所造成的固体废弃物污染， 更是实现能源的循环利用； 同时由于使用废渣而不是水泥， 避免由于生产水泥而引发的能源耗费以及二氧化碳排放造成的大气环境问题。本论文使用以钢渣碎石和钢渣砂代替传统混凝土所使用的天然砂石为混凝土骨料， 并以由粉煤灰等工业废渣制备胶凝材料代替传统水泥， 生产标号为C30 的建筑路面混凝土。

1　原材料

在钢渣混凝土的研制过程中， 应用到的原料有钢渣磨细粉、钢渣碎石(粗骨料)、钢渣细砂、矿渣磨细粉、粉煤灰和不同浓度的碱溶液， 以及少量外加剂。

(1) 钢渣磨细粉。

来自北京首钢资源综合利用开发公司钢渣磨细粉生产线， 勃氏比表面积约350m2/kg， 密度3. 22 g.cm 3。经XRD 检测分析， 主要矿物成份为·- C2S、B- C2S、RO 相、方镁石、镁蔷薇辉石等矿物， 其化学分析结果见表1。从表1 看， 钢渣磨细粉中CaO、SiO2、Fe2O3 含量较高，A l2O 3 含量低， 仅为1.93%； 此外其MgO 含量也相对较高， 以方镁石及镁蔷薇辉石等物相存在。将钢渣磨细粉制成试饼， 经蒸煮试验确定无f- CaO 引起的安定性不良问题。

(2) 矿渣磨细粉。

来自北京首钢， 为符合国家标准的磨细高炉水淬渣， 密度为2197 g.cm 3， 勃氏比表面积为400 m 2.kg， 其化学分析结果见表1。其主要矿物成分为玻璃相， 化学活性较高， 是研制钢渣路面混凝土不可缺少的重要组分。

(3) 粉煤灰。

来自北京某热电厂二级粉煤灰， 勃氏比表面积约为200 m 2.kg， 某化学分析结果见表1。

(4) 钢渣碎石骨科。

取自北京首钢资源综合利用开发公司， 为钢渣慢冷的结晶产物， 质硬、多孔。本次试验所用骨料粒径为10～ 20 mm 的钢渣碎石。

(5) 钢渣砂。

取自北京首钢资源综合利用开发公司， 总体粒度小于10 mm。用10 mm、5. 0 mm、2. 5 mm、1. 25 mm、0. 63mm、0. 315mm 及0. 160mm 的标准砂石筛过筛， 测定钢渣砂粒级分布和细度模数， 其结果见表2。用作钢渣混凝土细骨料的钢渣砂为过10 mm 筛孔的部分， 以下无特殊指明， 钢渣砂指小于10 mm 的砂。

(6) 外加剂: 自制碱溶液。

(7) 缓凝剂: 自制缓凝型减水剂。

2　结果与讨论

本次试验所用仪器设备、制备方法和测试方法完全符合GB85- 86 的要求， 制备150 mm ×150 mm ×150mm 标准试块测试3 d、7 d 和28 d 的抗压强度， 100 mm ×100 mm ×400 mm 试块测试抗折强度。表3～ 表5 中各配比试验将研究各原料不同添加量对混凝土的强度和坍落度的影响。本次试验所用粗、细骨料质量比为3∶2。

2.1　碱溶液和水的掺入量对混凝土抗压强度的影响

为了尽可能多的使用钢渣， 同时由于钢渣本身所能产生的强度较低， 因而掺入了较多的矿渣磨细粉提高强度， 结果如表3 所示。　　

表3 配方A 2～ A 5 使用同一浓度的碱溶液(11% )。在现场拌制混凝土时， 投入各个配方所设计量的碱溶液后， 混凝土基本没有流动性， 因此需要继续加入适量的水以保证混凝土的工作流动性。同时发现如果提高碱溶液掺量， 混凝土的强度也逐渐提高。总体来看，A 2～A 5 的7 d 强度基本在28 d强度的60% 以上， 相比传统混凝土具有早强的优点。

2.2　集灰比对混凝土早期强度的影响　　

表4 中配方B1～B3 的集灰比下降即提高胶凝粉的用量， 不仅提高强度值， 同时提高了坍落度。配方B4、B5 是在配方B3 基础上提高了矿渣粉的用量， 抗压强度虽有所提高， 但是坍落度下降， 说明矿渣粉用量的加大对强度提高有意义， 但不利于保证混凝土的工作流动性。所以， 将集灰比降低， 即提高胶凝粉用量可适当提高混凝土强度， 同时有利坍落度。

2.3　粉煤灰对混凝土性能的影响

表3 和表4 的测试结果显示， 钢渣混凝土凝结时间较短， 工作流动性差， 必然影响到这种混凝土的现场操作， 通过补水提高流动性则会降低强度。为了达到所要求一定的强度并保证一定的工作流动性， 可以在混凝土中使用缓凝剂或减水剂等外加剂来实现， 但使用这些外加剂都会大幅增加混凝土的成本。粉煤灰的颗粒形态效应可以改善混凝土的和易性。粉煤灰的颗粒呈球形， 表面光滑， 质地细密。因此在混凝土受震动后易产生滚动、液化作用， 可以显著改善混凝土拌和物的和易性， 增加流动性和粘聚性； 粉煤灰还可以降低混凝土的水化热， 提高混凝土的后期强度。此外， 在混凝土中掺入适量的粉煤灰可以提高混凝土的抗渗性和耐久性[ 5～ 9 ]。

表5 的试验为添加了粉煤灰后的试验记录， 在现场试验中， 粉煤灰加入后减少用水量仍然有利于强度的提高， 但不利于保持工作流动性。配方C4 加入缓凝剂， 减少补水量， 最终大幅提高坍落度， 极大改善了混凝土的工作流动性。配方C5 缓凝剂加入量提高至1% ， 虽然可在补水量很低的情况下， 接近配方C4 的坍落度， 但是从强度测试结果看， 缓凝剂掺入过高不利强度增长， 甚至低于不加缓凝剂时的情况如配方C3。　　

表5 中配方C3、C4 和C5 的28 d 强度都达到了路面混凝土30M Pa 的要求(图1) ， 其中以配方C4 的效果最好， 28 d 强度达到了C40 要求， 而且配方C4 的成本核算低于同等标号的水泥混凝土的成本。

在本次试验的钢渣混凝土中， 粉煤灰的作用主要体现在以下两个方面。首先， 对流动性的贡献: 由于矿渣和钢渣与水玻璃溶液生成的胶凝体系属于快凝型胶凝体系， 粉煤灰的加入大大提高了混凝土的工作流动性， 这可归结于粉煤灰所具有的颗粒形态。微观粉煤灰为玻璃微球， 表面光滑、质地致密。而在本次试验的胶凝粉中， 加入粉煤灰后， 可能是粉煤灰这种玻璃结构使得粉煤灰能够均匀分布于矿渣磨细粉和钢渣磨细粉中， 这些玻璃微球在新拌钢渣混凝土中起着一种类似滚珠轴承的润滑作用， 减小了材料间摩擦阻力， 降低了矿渣在整个胶凝粉体中的分布比例， 减缓了矿渣在水玻璃溶液作用下的快硬作用。同时由于这种玻璃微球所具有的致密光滑结构， 使得粉煤灰吸水率较低， 所以降低了胶凝体系的用水量和溶液量， 因而改善了混凝土拌和物的和易性， 提高了路面混凝土振动液化、成型密实效果。所以可以延长混凝土运输的距离和时间， 有利于路面混凝上的泵送与浇筑。其次， 在硬化的钢渣混凝土中， 即当粉煤灰活化作用开始后， 粉煤灰的微细颗粒均匀分布于水泥浆体中， 对骨料界面的包裹比单纯水泥浆体更好， 结合强度更高， 因此， 抗折强度更高， 提高了混凝土的后期强度。再有就是本次试验还避免了普通水泥混凝土在掺有粉煤灰之后往往具有早强较低、后期强度较高的缺点。

3　经济效益分析

钢渣混凝土的价格为117. 0 元.m3， 商用传统C40 混凝土的价格约200 元.m3。因此钢渣混凝土的优点不仅在于节能环保， 其经济效益更加突出。

4　工程应用

首钢资源综合利用公司新的钢渣加工生产线位于北京近郊某处， 因生产和运输需要， 在生产线附近修建一条大型重载车路面， 表5 配方C4 应用于这段路面的起始路段.

5　结论

(1) 钢渣混凝土使用碱溶液可使早期强度提高， 达到28 d 强度的60% 以上。提高碱溶液浓度及适当提高用量可以提高强度， 但是不利于保持工作流动性。

(2) 降低集灰比可以提高强度和改善工作流动性。提高矿渣粉用量对提高强度有意义， 但对工作流动性有不利影响。

(3) 粉煤灰在钢渣混凝土中的掺量与水玻璃溶液、缓凝剂用量相适应时， 钢渣混凝土表现出良好的工作流动性并具备C40 混凝土的强度。

参考文献:

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