钢渣微粉对道路混凝土掺合料性能的影响

任新涛, 康春霞

(1. 西安国际陆港市政配套公司, 陕西 西安 710000;2. 河北建筑工程学院 经济管理学院, 河北 张家口 075000)

垃圾是放错位置的资源.我国是钢材消耗大国,随着基础设施建设的迅猛发展,近几年我国的钢材产量迅速增长,钢材在生产过程中会产生大量钢渣微粉,而钢渣较低的利用率对自然环境产生了负面影响,因此需要采取合适的途径促进该类工业次产品的有效利用[1-2].水泥混凝土路面由于其强度高、使用周期长、养护费用低、施工方便等优点,在我国公路建设中被广泛采用.随着服役年限的延长、交通运输量的急剧增加,以及外部环境影响,水泥混凝土路面常存在坑洞、断裂、骨料剥离等病害[3-5].相关文献表明,在水泥混凝土中加入钢渣微粉、粉煤灰等外加剂可以改变晶体结构,增加水泥的活化能,提高和易性,消除碱骨料反应,有效地缓解和减少相关病害的产生和恶化[6-8].因此,钢渣微粉在道路混凝土中应用,节约成本的同时,促进了工业生产中次产品的利用率,保护了环境,实现绿色可持续发展,是未来“绿色交通”的发展方向.

郑青等针对钢粉混凝土的耐久性和力学指标进行了试验研究,结果表明钢粉对混凝土的抗折性能没有明显改变,但会降低混凝土的早强性能[9];杨荣俊等通过试验提出钢粉作为添加剂加入混凝土中可以明显降低水化热,减缓氯离子侵入,同时得出了钢粉不会影响混凝土的碳化行为的结论[10].日本的钢渣资源化技术水平较高,但只有约6%的钢渣应用在水泥混凝土行业中[11-12].美国Chaparral钢铁公司与TXI水泥公司合作开发了STAR项目,研究用钢渣作为原料粉生产水泥混凝土,成果表明其具有较高工作性和匀质性,易于浇筑,振捣不离析,具有较高的强度和耐久性[13].然而,钢渣微粉对道路混凝土性能的影响规律和影响机理还不明确,本文在前人研究成果基础上,通过改变钢渣微粉质量分数对道路混凝土掺合料性能进行研究,为钢渣微粉在实际工程中的应用提供理论指导.

1 实验方案

1.1 实验原料

本实验采用的原材料主要包括水泥、钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、标准砂、粗集料、细集料、水及减水剂等.

1.2 试验设备

实验过程中所用的主要仪器设备包括干燥箱、表面积测定仪、电阻炉、水泥砂浆搅拌机、恒温恒湿养护箱、混凝土压力实验机、混凝土抗折试验机、混凝土抗冻试验机、X射线衍射分析仪、电子显微镜、等温微量热仪及激光粒度分析仪等.

1.3 试验方案

(1) 水泥标准稠度、凝结时间及安定性测试.实验按照GB/T 1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》相关规定进行.

(2) 水泥砂浆强度实验.实验按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》进行.

(3) 新拌道路混凝土工作性测试.实验按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能实验方法标准》进行.

(4) 新拌道路混凝土成型.按ASTMC192-C192M方法对水泥混凝土成形,待脱模后放入RH=95%,温度为(20±2)℃标准养护室中进行养护.

(5) 道路混凝土抗折-抗压强度测试.道路混凝土抗折强度测定时采用150 mm×150 mm×550 mm标准试件,抗压强度测定时采用150 mm×150 mm×150 mm标准试件,具体测定方法参照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土实验规程》相关规程进行.

(6) 道路混凝土耐磨性测试.道路混凝土耐磨性试验具体过程如下:

1) 取尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准耐磨试件,并分别置于温水中进行养护7、28、90 d龄期;

2) 取出养护试件,擦干水分,并在空气中干燥12 h;

3) 将自然干燥的试件放在烘干箱内烘干至少12 h,直到构件质量不再发生变化;

4) 取出标准试件在200 N的负载下磨10转,称取试件重量M1;

5) 在该负载作用下磨30转,并称取试件重量M2;

6) 计算试件单位面积磨损量

(7) 道路混凝土抗冻性测试(快冻法).道路混凝土抗冻性试验具体过程如下:

1) 制作尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的抗冻性试件,并分别养护24和86 d.

2) 将养护期满的试件放入石灰水中充分浸泡,浸泡温度为(20±2)℃.

3) 将试件取出,并用吸干纸充分吸干试件表面水分.

4) 测定试件初始质量M0.

5) 将试件进行冻融循环试验,并测定试件质量Mn,直到满足下列情况之一即可停止冻融循环试验:

① 冻融循环300次;

② 试件冻融后弹性模量折损40%;

③ 试件质量损失Wn在5%以上,

Wn=(M0-Mn)/M0.

(8) 道路混凝土收缩测试.道路混凝土收缩测试具体流程如下:

1) 将试件进行分组,每组3个试件;

2) 试件放入养护室中养护3 d后取出,并测量混凝土试件初始温度;

3) 将试件放进干缩养护室内进行养护;

4) 分别测量试件在干缩养护室1、3 、7、14、21、28、60、90、120、150、180 d的试件长度;

5) 计算试件干缩率

Sd=(X01-Xt1)/L0

式中:L0试件测量的基准标距,为混凝土不计金属测头试件长度减去2倍金属测头埋入深度,mm;X01为试件初始长度(含金属测头),mm;Xt1为某一龄期的干燥收缩长度(含金属测头),mm.

2 钢渣微粉质量分数对水泥混凝土性能分析

本试验将莱钢钢渣微粉以10%为等级等质量取代水泥用量制备钢渣-水泥复合胶凝材料,并研究莱钢钢渣微粉质量分数在0～40%变化范围内对复合胶凝材料标准稠度、抗折-抗压强度、标准砂浆的流动度、凝结时间等各项物理性能的影响规律.

2.1 对复合胶凝材料标准稠度的影响

莱钢钢渣微粉质量分数在0～40%变化范围内对复合胶凝材料标准稠度的影响见表1及图1.

表1 莱钢钢渣微粉质量分数对复合胶凝材料标准稠度的影响

图1莱钢钢渣微粉质量分数对复合胶凝材料标准稠度的影响

Fig.1 The influence of mass blending of Laigang steel slag micro-powder on the standard consistency of composite cementitious materials

由表1及图1可知,钢渣微粉质量分数在0～30%范围内时,随着钢渣微粉质量分数的增加,复合胶凝材料的标准稠度呈降低趋势,标准稠度由0.300降低到0.288,降低了4.17%;钢渣微粉质量分数在30%～40%范围内时复合胶凝材料的标准稠度略微上升,钢渣微粉质量分数30%时标准稠度为0.288;当钢渣微粉质量分数达到40%时,标准稠度又升高到了0.290.

2.2 对复合胶凝材料凝结时间的影响

莱钢钢渣微粉质量分数在0～40%变化范围内对复合胶凝材料凝结时间的影响见表2及图2.

表2 莱钢钢渣微粉质量分数对复合胶凝

图2莱钢钢渣微粉质量分数对复合胶凝

材料凝结时间的影响

Fig.2 Influence of mass blendig of Laigang steel slag micro-powder on the setting time of composite cementitious material

由表2及图2可知,随着莱钢钢渣微粉质量分数所占比例的不断增加,复合胶凝材料初凝时间和终凝时间均呈先升高后稳定的趋势.复合胶凝材料终凝时间由284.9 min增加到414.7 min,增加了45.6%,其中钢渣微粉质量分数在0～30%范围内时的变化速率较大,在30%～40%范围内时变化速率较小;复合胶凝材料初凝时间由211.2 min增加到335.5 min,增加了58.9%,其中钢渣微粉质量分数在0～10%、20%～30%范围内时的变化速率较大,30%后凝结时间呈降低趋势.

2.3 对复合胶凝材料砂浆流动度的影响

莱钢钢渣微粉质量分数在0～40%变化范围内对复合胶凝材料砂浆流动度的影响见表3及图3.

表3 莱钢钢渣微粉质量分数对复合胶凝

图3莱钢钢渣微粉质量分数对复合胶凝

材料砂浆流动度的影响

Fig.3 Influence of mass blendig of Laigang steel slag micro-powder on the fluidity of mortar of composite cementitious material

由表3及图3可知,莱钢钢渣微粉质量分数在0～ 20%范围内时,随着钢渣微粉质量分数的增加,复合胶凝材料砂浆流动度呈不断增加趋势,由22.43 cm增加到了24.01 cm,增加了7.04%;莱钢钢渣微粉质量分数在20%～40%范围内复合胶凝材料砂浆流动度基本趋于稳定,保持在24 cm左右.造成这种现象的主要原因是钢渣微粉早期活性较低,因此增大了胶凝材料的流动度.

2.4 对复合胶凝材料砂浆强度的影响

莱钢钢渣微粉质量分数在0～40%变化范围内对复合胶凝材料砂浆流动度的影响见表4及图4.

表4 莱钢钢渣微粉质量分数对复合胶凝材料砂浆抗折抗压强度的影响

图4 莱钢钢渣微粉质量分数对复合胶凝材料砂浆抗折抗压强度的影响

由表4及图4可知,随着养护时间的增加, 复合胶凝材料砂浆抗折强度和抗压强度均有不同程度的增加, 但是在相同的养护时间内, 随着莱钢钢渣微粉质量分数比例的增加, 复合胶凝材料砂浆抗折强度和抗压强度虽然有所波动, 但整体呈现下降的趋势, 其中以3 d养护期复合胶凝材料砂浆抗压强度变化最为明显, 在不掺入钢渣微粉时为25.4 MPa, 当钢渣微粉比例升高至30%时降低到16.2 MPa, 降低了近56.8%; 钢渣微粉质量分数大于30%后抗折强度和抗压强度趋于稳定. 造成这种现象的主要原因是钢渣微粉的活性较低, 对复合胶凝材料强度没有明显的提升作用.

通过研究莱钢钢渣微粉质量分数在0～40%变化范围内对复合胶凝材料标准稠度、抗折-抗压强度、标准砂浆的流动度、凝结时间等各项物理性能的影响规律发现,钢渣微粉最佳质量分数为30%,即m(钢渣微粉)∶m(水泥)=3∶7.

3 工程应用

以沿德高速水泥混凝土路面工程为项目依托,通过以质量比m(莱钢钢渣微粉)∶m(水泥)=3∶7比例在基准组中掺加莱钢钢渣微粉的方式得到实验组,并通过对比实验组和基准组路面工作性能、力学性能以及耐久性能验证莱钢钢渣对水泥混凝土路面的影响效果.

沿德高速水泥混凝土路面标准组和实验组的混凝土成分见表5,调整前后混凝土状态见图5.

图5 道路混凝土状态Fig.5 State of road concrete(a)——调整前; (b)—调整后.

3.1 工作性能

路用混凝土的使用性能常用的衡量参数有塌落度、振动黏度系数.由于振动黏度系数测试的条件要求较高,通常在工地现场选择塌落度试验作为质量依据.依托工程标准组和试验组塌落度见表6.

由表6的道路混凝土基准组和实验组初始坍落度和1 h坍落度可以发现,初始塌落度和1 h塌落度实验组均有一定程度的增大.实验组与基准组相比,初始及1 h塌落度分别增加2.3和3.5 cm.通过上述对比可以得出,在路用混凝土中添加外加剂(钢渣微粉等)可以改善其流动性、保水性,同时减少其经时塌落度损失.

3.2 力学性能

评价一条公路的路面质量的主要参考指标是结构强度,表7给出了沿德高速混凝土路面基准组及实验组的抗折-抗压强度试验数据对比.

表7 不同龄期下道路混凝土的抗折抗压强度

对比基准组和实验组两组数据可知,龄期28和90 d抗折强度、抗压强度实验组均有一定程度的增大.实验组与基准组相比,28及90 d抗折强度分别增加0.78和1.12 MPa,28及90 d抗压强度分别增加5.31和4.6 MPa.以上数据说明,添加了钢渣的混凝土水化时间增长,同时钢渣等外加剂自身的活性对提高混凝土的后期强度具有明显作用.

3.3 耐久性能

道路混凝土耐久性能主要包括耐磨性、抗冻性、体积安定性3方面.

(1) 耐磨性.表8给出了沿德高速混凝土路面基准组及实验组28和90 d道路混凝土的单位磨损量.

对比基准组和实验组28和90 d两组耐磨试验数据可知,添加钢渣等外加剂的实验组可以降低混凝土路面的磨耗率.实验组与基准组相比,28及90 d单位平均磨耗分别下降0.01和0.26 kg·m-2,磨耗率分别降低0.45%和14.5%,随着混凝土龄期的增长,特重等级交通量添加钢渣等外加剂的实验组混凝土路面磨耗率在迅速降低;以上数据说明,添加了钢渣的混凝土水化时间增长,同时,钢渣等外加剂逐渐发挥了降低混凝土路面磨耗的作用.

表8 道路混凝土的单位磨损量Table 8 Unit wearing capacity of road concrete kg·m-2

(2) 抗冻性.图6给出了沿德高速混凝土路面基准组及实验组道路混凝土的冻融质量损失率.

图6不同龄期道路混凝土的冻融质量损失

Fig.6 Mass loss of freeze-thaw of road concrete at different ages

对比基准组和实验组28和90 d两组质量损失试验数据可知,添加钢渣等外加剂的实验组可以降低混凝土路面经过多次冻融循环后的质量损失率.实验组与基准组相比,28及90 d在经历300次冻融循环后质量损失率分别下降了0.23%和0.23%,随着混凝土龄期的增长,特重等级交通量添加钢渣等外加剂的实验组混凝土路面质量损失率在逐渐降低,表明其抵抗冻融循环能力逐渐增强.以上数据说明,添加了钢渣的混凝土水化时间增长的同时,钢渣等外加剂逐渐改善了混凝土抵抗冻融循环的能力.

(3) 体积安定性.图7给出了沿德高速混凝土路面基准组及实验组道路混凝土的体积安定性.

从以上分析可见: 随着混凝土龄期的增长, 混凝土的收缩量逐渐变大; 对比相同龄期,添加钢渣、粉煤灰等外加剂的实验组和基准组混凝土的干缩量可以发现, 伴随着龄期增长, 其差值逐渐增大; 混凝土龄期在7～90 d间, 混凝土的干缩量变化较大. 说明混凝土添加钢渣等外加剂后可以减少水泥用量, 延缓混凝土的水化反应, 改善混凝土初期的干缩性能, 并有效减少干缩裂缝的产生.

图7道路混凝土不同龄期收缩率变化

Fig.7 Change of shrinkage rate at different ages of road concrete

4 结 论

针对道路混凝土路面常见病害以及钢渣微粉等工业废渣利用率较低的现状,本文将莱钢钢渣微粉以10%为等级等质量取代水泥用量制备钢渣-水泥复合胶凝材料,研究了莱钢钢渣微粉质量分数在0～40%变化范围内对复合胶凝材料相关性能的影响规律,得出了钢渣微粉最佳含量,并将研究成果在沿德高速水泥混凝土路面工程中进行了应用.

研究结果表明:

(1) 随着复合胶凝材料中莱钢钢渣微粉质量分数的增加,复合胶凝材料标准稠度、砂浆强度呈现出先下降后稳定的趋势,凝结时间、砂浆流动度呈现先上升后稳定趋势;

(2) 根据道路混凝土掺合料性能的变化规律,钢渣微粉和水泥的最佳配合质量比m(钢渣微粉)∶m(水泥)=3∶7;

(3) 沿德高速水泥混凝土路面试验结果表明,钢渣微粉的掺加能够有效改善混凝土的颗粒级配,使得混凝土结构更加密实,可以明显改善路用混凝土的耐磨、抗冻、体积稳定性等耐久性指标.

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