混凝土与水泥制品
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钢渣微粉对超高性能水泥基复合材料性能的影响

作者:王 虹1,郭丽萍1,2,孙 伟1,2,马 瑞1    单位:1.东南大学材料科学与工程学院,南京 211189;2.江苏省土木工程材料重点实验室, 先进土木工程材料协同创新中心,南京 211189

关键词:钢渣微粉;超高性能水泥基复合材料;火山灰活性;水化热;流动度;力学性能

摘  要:研究了钢渣微粉的火山灰活性和不同掺量对低水胶比超高性能水泥基复合材料的水化热、流动度、抗折强度、抗压强度的影响规律。试验结果表明,钢渣微粉具有比较高的火山灰活性,28d的活性指数可达到87.1;钢渣微粉掺量为10%时,累积放热量达到最大;当钢渣微粉掺量大于10%时,随着掺量的增加,累积放热量随之减少;钢渣微粉颗粒近似球体,会提高极低水胶比超高性能水泥基复合材料的流动度;钢渣微粉的掺入使超高性能水泥基复合材料的抗折强度先增加后减小。

0   前言
水泥作为用途最广泛的建筑材料,广泛应用于城镇建设、房地产、交通和能源等行业。我国城镇化进程的推进和基础设施建设投入的加大,极大推动了我国水泥产业的快速发展,2015年水泥产量23.48亿t。然而,在水泥生产过程中需要消耗大量的能源和资源,且在这一过程中会生成大量的二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物,这些气体如果不加处理直接排放到空气中,会造成温室效应和酸雨等严重的环境污染。
钢渣作为炼钢产业的一种副产物,排出量约为粗钢产量的15%~20%[1]。钢渣中主要元素是钙、铁、硅、镁,它们主要以硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙等矿物形式存在[2-3],具有一定的活性及胶凝性[4],可用于工程建设。目前,国内外对钢渣的利用参差不齐,总体利用率较低,同时,钢厂的钢渣得不到有效的利用,占据大量农田和土地,造成了很大环境污染,给社会效益和经济效益带来极大的困扰。
为了减少水泥工业和钢渣对环境的影响,可用磨细钢渣微粉或其他矿物掺合料来代替一部分水泥。硅灰、粉煤灰和矿渣是性能良好的矿物掺合料,经过很长时间的研究和工程应用,这些矿物掺合料的应用技术已经非常成熟,甚至广泛应用到超高性能水泥基复合材料中。钢渣微粉成分波动比较大,存在f-CaO、f-MgO等体积安定性不良的组分。此外,钢渣微粉中还存在一些活性较低和惰性的金属氧化物、固溶体[5]。目前,国内外的众多学者都在致力于提高钢渣微粉的活性和改善其安定性的研究:将钢渣中的金属、金属氧化物和固溶体提取回收,提高钢渣的活性[6];钢渣中CaO和MgO占有很大比例,可与CO2反应生成性质稳定的碳酸盐[7-8],虽然可以降低f-CaO、f-MgO的含量,但这会降低钢渣的活性,增加钢渣的应用难度;一些学者通过测定钢渣在胶凝体系中的水化程度,探讨钢渣对水泥水化的影响[9-11],却忽视了钢渣本身的水化情况。GB/T 20491—2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》附录A中对钢渣微粉活性指数的检测方法作出了规定:用比对样品与钢渣粉按7∶3质量比混合而成,砂胶比3∶1,水胶比0.5,钢渣粉的活性指数为受检胶砂相应龄期的强度与比对胶砂相应龄期的强度比值。但这种方法没有考虑到通常钢渣的冷却过程是自然缓慢冷却,矿物结晶比较完整,理论活性较低[12],钢渣微粉参与反应的比例非常低,所起到的化学作用非常微小,未反应的颗粒只起到了物理填充作用。钢渣微粉加水混合后,会因缺少碱而爆裂,如图1所示,无法分析钢渣微粉的水化情况。因此,对钢渣微粉自身的潜在水化效应特性研究十分必要,为合理应用钢渣微粉提供理论依据。曹伟达等[13]在钢渣-熟石灰碳化砖的特性一文中将熟石灰掺入到钢渣粉中促进钢渣微粉的反应,并将钢渣微粉的反应程度用火山灰活性衡量,本文沿用火山灰活性的提法。通过氢氧化钙–掺合料浆体法研究了钢渣微粉的火山灰活性,此方法的优点在于氢氧化钙和矿物掺合料是足量的,氢氧化钙的含量较高使得掺合料的反应程度较大,表征的时候准确性更高,因此,本试验研究钢渣微粉的火山灰活性指数采用了此方法。并就钢渣微粉的掺量对水泥水化、水泥砂浆的工作性能、力学性能的影响规律进行了研究,探讨了钢渣微粉作为胶凝材料制备超高性能水泥基复合材料的可能性。

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