無水泥鋼渣重載路面混凝土

摘　要: 以鋼渣為粗細(xì)骨料代替?zhèn)鹘y(tǒng)天然砂石， 堿溶液廢渣粉制備膠凝材料代替水泥， 配置路面混凝土。系統(tǒng)研究了堿摻量對(duì)強(qiáng)度和其工作流動(dòng)性的影響， 配置出28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)44M Pa， 抗折強(qiáng)度達(dá)8. 3M Pa， 同時(shí)具有良好工作性能的鋼渣路面混凝土。進(jìn)行重載路面工程試驗(yàn)的效果良好。

關(guān)鍵詞: 路面混凝土； 鋼渣； 礦渣； 粉煤灰； 堿激發(fā)

　　傳統(tǒng)混凝土作為最大宗人造材料以天然砂石和水泥為原料， 由于水泥生產(chǎn)和砂石過度開采造成的資源、能源與環(huán)境問題十分突出， 必須及早解決， 否則將成為不可持續(xù)發(fā)展的材料。雖然目前鋼渣、礦渣以及粉煤灰等具有水硬活性的工業(yè)廢渣已廣泛用于建材和公路鐵路建設(shè)， 但也僅僅是作為少部分代替水泥的填料來制備混凝土， 未能全部取代水泥和天然砂石， 同時(shí)也不能成為大批消耗鋼渣等工業(yè)廢渣的有效方法[ 1～ 8 ]。

     如果能將生產(chǎn)原料全部采用工業(yè)廢渣， 它的意義將不僅在于解決大量工業(yè)廢渣所造成的固體廢棄物污染， 更是實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用； 同時(shí)由于使用廢渣而不是水泥， 避免由于生產(chǎn)水泥而引發(fā)的能源耗費(fèi)以及二氧化碳排放造成的大氣環(huán)境問題。本論文使用以鋼渣碎石和鋼渣砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土所使用的天然砂石為混凝土骨料， 并以由粉煤灰等工業(yè)廢渣制備膠凝材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥， 生產(chǎn)標(biāo)號(hào)為C30 的建筑路面混凝土。

1　原材料

      在鋼渣混凝土的研制過程中， 應(yīng)用到的原料有鋼渣磨細(xì)粉、鋼渣碎石(粗骨料)、鋼渣細(xì)砂、礦渣磨細(xì)粉、粉煤灰和不同濃度的堿溶液， 以及少量外加劑。

(1) 鋼渣磨細(xì)粉。

     來自北京首鋼資源綜合利用開發(fā)公司鋼渣磨細(xì)粉生產(chǎn)線， 勃氏比表面積約350m²/kg， 密度3. 22 g.cm 3。經(jīng)XRD 檢測分析， 主要礦物成份為·- C2S、B- C2S、RO 相、方鎂石、鎂薔薇輝石等礦物， 其化學(xué)分析結(jié)果見表1。從表1 看， 鋼渣磨細(xì)粉中CaO、SiO2、Fe2O3 含量較高，A l2O 3 含量低， 僅為1.93%； 此外其MgO 含量也相對(duì)較高， 以方鎂石及鎂薔薇輝石等物相存在。將鋼渣磨細(xì)粉制成試餅， 經(jīng)蒸煮試驗(yàn)確定無f- CaO 引起的安定性不良問題。

(2) 礦渣磨細(xì)粉。

    來自北京首鋼， 為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的磨細(xì)高爐水淬渣， 密度為2197 g.cm 3， 勃氏比表面積為400 m 2.kg， 其化學(xué)分析結(jié)果見表1。其主要礦物成分為玻璃相， 化學(xué)活性較高， 是研制鋼渣路面混凝土不可缺少的重要組分。

(3) 粉煤灰。

     來自北京某熱電廠二級(jí)粉煤灰， 勃氏比表面積約為200 m 2.kg， 某化學(xué)分析結(jié)果見表1。

(4) 鋼渣碎石骨科。

     取自北京首鋼資源綜合利用開發(fā)公司， 為鋼渣慢冷的結(jié)晶產(chǎn)物， 質(zhì)硬、多孔。本次試驗(yàn)所用骨料粒徑為10～ 20 mm 的鋼渣碎石。

(5) 鋼渣砂。

     取自北京首鋼資源綜合利用開發(fā)公司， 總體粒度小于10 mm。用10 mm、5. 0 mm、2. 5 mm、1. 25 mm、0. 63mm、0. 315mm 及0. 160mm 的標(biāo)準(zhǔn)砂石篩過篩， 測定鋼渣砂粒級(jí)分布和細(xì)度模數(shù)， 其結(jié)果見表2。用作鋼渣混凝土細(xì)骨料的鋼渣砂為過10 mm 篩孔的部分， 以下無特殊指明， 鋼渣砂指小于10 mm 的砂。

(6) 外加劑: 自制堿溶液。

(7) 緩凝劑: 自制緩凝型減水劑。

2　結(jié)果與討論

     本次試驗(yàn)所用儀器設(shè)備、制備方法和測試方法完全符合GB85- 86 的要求， 制備150 mm ×150 mm ×150mm 標(biāo)準(zhǔn)試塊測試3 d、7 d 和28 d 的抗壓強(qiáng)度， 100 mm ×100 mm ×400 mm 試塊測試抗折強(qiáng)度。表3～ 表5 中各配比試驗(yàn)將研究各原料不同添加量對(duì)混凝土的強(qiáng)度和坍落度的影響。本次試驗(yàn)所用粗、細(xì)骨料質(zhì)量比為3∶2。

2.1　堿溶液和水的摻入量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

     為了盡可能多的使用鋼渣， 同時(shí)由于鋼渣本身所能產(chǎn)生的強(qiáng)度較低， 因而摻入了較多的礦渣磨細(xì)粉提高強(qiáng)度， 結(jié)果如表3 所示?！　?IMG src="/web/UploadFile/20051217134941594.jpg" align=middle border=0>  

     表3 配方A 2～ A 5 使用同一濃度的堿溶液(11% )。在現(xiàn)場拌制混凝土?xí)r， 投入各個(gè)配方所設(shè)計(jì)量的堿溶液后， 混凝土基本沒有流動(dòng)性， 因此需要繼續(xù)加入適量的水以保證混凝土的工作流動(dòng)性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)如果提高堿溶液摻量， 混凝土的強(qiáng)度也逐漸提高。總體來看，A 2～A 5 的7 d 強(qiáng)度基本在28 d強(qiáng)度的60% 以上， 相比傳統(tǒng)混凝土具有早強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

2.2　集灰比對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響　　

     表4 中配方B1～B3 的集灰比下降即提高膠凝粉的用量， 不僅提高強(qiáng)度值， 同時(shí)提高了坍落度。配方B4、B5 是在配方B3 基礎(chǔ)上提高了礦渣粉的用量， 抗壓強(qiáng)度雖有所提高， 但是坍落度下降， 說明礦渣粉用量的加大對(duì)強(qiáng)度提高有意義， 但不利于保證混凝土的工作流動(dòng)性。所以， 將集灰比降低， 即提高膠凝粉用量可適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度， 同時(shí)有利坍落度。

2.3　粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響

      表3 和表4 的測試結(jié)果顯示， 鋼渣混凝土凝結(jié)時(shí)間較短， 工作流動(dòng)性差， 必然影響到這種混凝土的現(xiàn)場操作， 通過補(bǔ)水提高流動(dòng)性則會(huì)降低強(qiáng)度。為了達(dá)到所要求一定的強(qiáng)度并保證一定的工作流動(dòng)性， 可以在混凝土中使用緩凝劑或減水劑等外加劑來實(shí)現(xiàn)， 但使用這些外加劑都會(huì)大幅增加混凝土的成本。粉煤灰的顆粒形態(tài)效應(yīng)可以改善混凝土的和易性。粉煤灰的顆粒呈球形， 表面光滑， 質(zhì)地細(xì)密。因此在混凝土受震動(dòng)后易產(chǎn)生滾動(dòng)、液化作用， 可以顯著改善混凝土拌和物的和易性， 增加流動(dòng)性和粘聚性； 粉煤灰還可以降低混凝土的水化熱， 提高混凝土的后期強(qiáng)度。此外， 在混凝土中摻入適量的粉煤灰可以提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性[ 5～ 9 ]。

表5 的試驗(yàn)為添加了粉煤灰后的試驗(yàn)記錄， 在現(xiàn)場試驗(yàn)中， 粉煤灰加入后減少用水量仍然有利于強(qiáng)度的提高， 但不利于保持工作流動(dòng)性。配方C4 加入緩凝劑， 減少補(bǔ)水量， 最終大幅提高坍落度， 極大改善了混凝土的工作流動(dòng)性。配方C5 緩凝劑加入量提高至1% ， 雖然可在補(bǔ)水量很低的情況下， 接近配方C4 的坍落度， 但是從強(qiáng)度測試結(jié)果看， 緩凝劑摻入過高不利強(qiáng)度增長， 甚至低于不加緩凝劑時(shí)的情況如配方C3?！?IMG src="/web/UploadFile/20051217135054490.jpg" align=middle border=0>　

     表5 中配方C3、C4 和C5 的28 d 強(qiáng)度都達(dá)到了路面混凝土30M Pa 的要求(圖1) ， 其中以配方C4 的效果最好， 28 d 強(qiáng)度達(dá)到了C40 要求， 而且配方C4 的成本核算低于同等標(biāo)號(hào)的水泥混凝土的成本。

      在本次試驗(yàn)的鋼渣混凝土中， 粉煤灰的作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。首先， 對(duì)流動(dòng)性的貢獻(xiàn): 由于礦渣和鋼渣與水玻璃溶液生成的膠凝體系屬于快凝型膠凝體系， 粉煤灰的加入大大提高了混凝土的工作流動(dòng)性， 這可歸結(jié)于粉煤灰所具有的顆粒形態(tài)。微觀粉煤灰為玻璃微球， 表面光滑、質(zhì)地致密。而在本次試驗(yàn)的膠凝粉中， 加入粉煤灰后， 可能是粉煤灰這種玻璃結(jié)構(gòu)使得粉煤灰能夠均勻分布于礦渣磨細(xì)粉和鋼渣磨細(xì)粉中， 這些玻璃微球在新拌鋼渣混凝土中起著一種類似滾珠軸承的潤滑作用， 減小了材料間摩擦阻力， 降低了礦渣在整個(gè)膠凝粉體中的分布比例， 減緩了礦渣在水玻璃溶液作用下的快硬作用。同時(shí)由于這種玻璃微球所具有的致密光滑結(jié)構(gòu)， 使得粉煤灰吸水率較低， 所以降低了膠凝體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動(dòng)液化、成型密實(shí)效果。所以可以延長混凝土運(yùn)輸?shù)木嚯x和時(shí)間， 有利于路面混凝上的泵送與澆筑。其次， 在硬化的鋼渣混凝土中， 即當(dāng)粉煤灰活化作用開始后， 粉煤灰的微細(xì)顆粒均勻分布于水泥漿體中， 對(duì)骨料界面的包裹比單純水泥漿體更好， 結(jié)合強(qiáng)度更高， 因此， 抗折強(qiáng)度更高， 提高了混凝土的后期強(qiáng)度。再有就是本次試驗(yàn)還避免了普通水泥混凝土在摻有粉煤灰之后往往具有早強(qiáng)較低、后期強(qiáng)度較高的缺點(diǎn)。

3　經(jīng)濟(jì)效益分析

      鋼渣混凝土的價(jià)格為117. 0 元.m3， 商用傳統(tǒng)C40 混凝土的價(jià)格約200 元.m3。因此鋼渣混凝土的優(yōu)點(diǎn)不僅在于節(jié)能環(huán)保， 其經(jīng)濟(jì)效益更加突出。

4　工程應(yīng)用

      首鋼資源綜合利用公司新的鋼渣加工生產(chǎn)線位于北京近郊某處， 因生產(chǎn)和運(yùn)輸需要， 在生產(chǎn)線附近修建一條大型重載車路面， 表5 配方C4 應(yīng)用于這段路面的起始路段.

5　結(jié)論

(1) 鋼渣混凝土使用堿溶液可使早期強(qiáng)度提高， 達(dá)到28 d 強(qiáng)度的60% 以上。提高堿溶液濃度及適當(dāng)提高用量可以提高強(qiáng)度， 但是不利于保持工作流動(dòng)性。

(2) 降低集灰比可以提高強(qiáng)度和改善工作流動(dòng)性。提高礦渣粉用量對(duì)提高強(qiáng)度有意義， 但對(duì)工作流動(dòng)性有不利影響。

(3) 粉煤灰在鋼渣混凝土中的摻量與水玻璃溶液、緩凝劑用量相適應(yīng)時(shí)， 鋼渣混凝土表現(xiàn)出良好的工作流動(dòng)性并具備C40 混凝土的強(qiáng)度。

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