钢渣集料对泡沫混凝土性能的影响

石司琴,陈德鹏,2,赵 亮

钢渣集料对泡沫混凝土性能的影响

石司琴1,陈德鹏1,2,赵 亮1

(1.安徽工业大学建筑工程学院,马鞍山 243002; 2.安徽工业大学绿色建材研究所,马鞍山 243002)

为探索钢渣的低能耗资源化利用途径,该文以钢渣作为集料,对使用不同级配和不同掺量钢渣集料的泡沫混凝土的基本性能进行试验研究。试验中采用了5种不同钢渣级配和5个钢渣掺量等级(10%～50%)用作泡沫混凝土的集料,从抗压强度、吸水率和干体积密度3个方面对其综合性能进行测试。试验结果表明:钢渣作为集料会增大泡沫混凝土干密度及吸水率,且混凝土强度均呈先增后减趋势,当钢渣粒径定为0.3 mm,掺量在30%时强度达到最大。同时,随着钢渣粒径的增大和掺量的增加,泡沫混凝土后期强度变化率均增大,这说明钢渣与水泥之间具有协同作用,有利于促进水化反应,一定程度上提高了钢渣泡沫混凝土的强度。

钢渣; 泡沫混凝土; 抗压强度; 干体积密度; 吸水率

钢渣是钢铁生产过程中的常见工业固体废弃物,其排出量约占粗钢产量的15%～20%[1]。钢渣的堆积,不仅占用了大量的土地,并且造成了严重的环境污染,破坏生态环境。2015年3月发布的《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确要求,到2015年我国工业固体废物综合利用率要达到72%。

由于钢渣的组成成分和水泥大致相同,目前大多采用钢渣取代水泥制备钢渣泡沫混凝土,也有相关研究者[2-4]将钢渣采用超细粉磨激发水化活性并消除f-Cao的危害。化学激发复合方式来改善其安定性和水化活性,但由于钢渣成分不稳定,胶凝性能较水泥低,以致钢渣粉末不能大量取代水泥。许多研究的试验结果表明:钢渣粉取代水泥会降低混凝土的强度,钢渣泡沫混凝土的吸水率和导热系数均会上升[5-9]。

该文将考虑钢渣在墙体材料中的应用,将钢渣砂作为细集料配制钢渣泡沫混凝土。钢渣用于细集料减少了其超细粉磨、化学激发的步骤,能够有效地降低钢渣利用中的能耗并实现钢渣的大宗量利用。钢渣集料泡沫混凝土开拓了钢渣产品在墙体材料中的应用,也有望打破限制钢渣在混凝土中大量、高附加值利用技术瓶颈,为钢渣在建筑材料方面的利用提供理论支撑,并有助于推动泡沫混凝土的广泛应用。

1 试 验

1.1 原材料

水泥:安徽海螺牌P O 42.5级普通硅酸盐水泥,比表面积为357 m2/kg,表观密度为3 100 kg/m3。初、终凝时间分别为203 min和259 min,3 d、28 d抗压强度为27.4 MPa和55.6 MPa。

钢渣:采用的钢渣为安徽马鞍山马钢钢渣,钢渣陈伏时间较长(2年),钢渣表面较为粗糙且多孔。表1为水泥、钢渣的化学成分。

表1 水泥和钢渣的化学组成w/%

钢渣表观密度为3 400 kg/m3,堆积密度为1 640 kg/m3,松散空隙率为51.76%。钢渣含水率是3.23%,吸水率为17.75%,钢渣X射线衍射分析结果如图1所示。从表1和图1中可知:钢渣中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3为主要成分,占全部组分的87.59%,由于钢渣陈伏时间较长,使得钢渣中部分氧化物转化成氢氧化物,经计算所用检验批的钢渣碱度为3.7%,属高碱度钢渣,且钢渣碱度越大活性越高,高碱度的钢渣中含大量的C2S和C3S,以C3S为主。

此外,发泡剂优选使用苏州华航化工的K12,化学名称为十二烷基硫酸钠,稀释倍数30倍,其发泡倍数、1 h泌水量和1 h沉降距均能满足要求。稳泡剂采用长沙仙山源农业有限责任公司的茶皂素,掺量为0.5%。早强剂选用上海影佳实业发展有限责任公司甲酸钙,其掺量为1.5%。减水剂是高效萘系减水剂,掺量为1.5%。速凝剂为安徽庐江县矾山众兴新型建筑材料厂生产,掺量4%。

1.2 方法

1)钢渣泡沫混凝土制作工艺过程

钢渣泡沫混凝土试件的制备包括泡沫的制备、钢渣水泥浆体的制备、泡沫掺入浆体的搅拌过程及最后的入模浇筑过程。

钢渣泡沫混凝土的制作工艺流程图如图2所示。

钢渣泡沫混凝土制作过程为:取适量发泡剂稀释30倍,采用高速搅拌机搅拌4 min发泡,再按设定的水泥、钢渣、水及外加剂等物料计量混合搅拌,加入泡沫搅拌5 min制成均匀的浆体,浇筑成100 mm×100 mm ×100 mm试块,室温下养护1 d后脱模,在(20±2)℃相对湿度大于90%的养护室内养护至合适龄期。

2)钢渣泡沫混凝土性能试验方法

参照《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)测定抗压强度、干体积密度和吸水率。

3)钢渣泡沫混凝土配合比

试验中,钢渣作为集料加入泡沫混凝土中进行试验测试性能,泡沫混凝土配合比依据李应权[10]的固定混合料的体积法进行设计,比较钢渣的不同掺量和不同粒径对泡沫混凝土基本性能的影响。试验配合比分两种情况,首先保持掺量不变,改变钢渣粒径,最大粒径分别为0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm和2.36 mm,钢渣为连续级配;然后固定钢渣粒径为0.15 mm,钢渣掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%;试验中水灰比为0.5,材料用量比例见表2。

表2 钢渣泡沫混凝土配合比

因钢渣自身有一定的含水率和吸水性,且粒径为0.15 mm的钢渣实验组因粒径太小导致颗粒间作用力增大,为防止钢渣出现团聚现象,试验中添加减水剂和适量水使得浆体拌合均匀流动性好,同时可以控制因浆体稠度低而出现钢渣分层离析的现象。

2 结果与讨论

2.1 钢渣粒径对泡沫混凝土的影响

试验中钢渣掺量固定为一定量20%,泡沫混凝土设计密度等级为800 kg/m3,按计量称量各原材料制作钢渣泡沫混凝土,钢渣粒径为5个等级的连续级配,浇筑试模养护至龄期,测试其试块干密度、吸水率、7 d和28 d强度等指标。数据见表3。

表3 不同粒径的钢渣泡沫混凝土性能

从表3中可见,钢渣掺量固定不变时,不同钢渣粒径制得钢渣泡沫混凝土的干密度、吸水率、7 d和28 d抗压强度均有一定变化。对表3中干体积密度数据作图分析可直观看出(见图3):钢渣的掺入会大大改变钢渣泡沫混凝土的干密度,且随着钢渣粒径的增大,钢渣泡沫混凝土的干体积密度增大,增长率也呈上升趋势。原因是钢渣作为集料加入,其自身重量较水泥大而直接增大泡沫混凝土的干体积密度,再加之钢渣质量大且有吸水性,掺入泡沫混凝土中,钢渣水化反应所需的水分会占据泡沫一部分,泡沫因外部水膜失水而致使破灭,进而钢渣泡沫混凝土的干体积密度增大,其密度等级属于JG/T 266—2011标准中的A09～A10级。钢渣集料泡沫混凝土的吸水率曲线关系如图4所示,钢渣粒径为0.15 mm的试块吸水率比普通泡沫混凝土低,可能是因为钢渣粒径偏小,颗粒间作用力增大,且钢渣活性增强,泡沫气孔较小致使吸水低。随着钢渣粒径增大,吸水率快速上升,钢渣比表面积的减小,钢渣自身后期吸水量增大,且钢渣粒径较大,钢渣吸水后体积膨胀使得混凝土的界面过渡区结构蓬松,多余水分在硬化过程中蒸发,增加了泡孔间壁开口孔隙的几率,进而导致吸水率增大,掺入钢渣后的吸水率等级达到了W25左右。

不同钢渣粒径泡沫混凝土7 d、28 d抗压强度关系曲线见图5。从图5中可见,钢渣泡沫混凝土砌块的7 d和28 d抗压强度随着钢渣粒径的增大呈先上升后下降变化趋势。7 d强度中钢渣粒径为0.3 mm和0.6 mm的试块强度比纯泡沫混凝土的强度高,但28 d强度中仅0.3 mm粒径的强度大。当钢渣粒径最小时,其强度比纯泡沫混凝土的小,这可能是因为钢渣粒径太小,筛分过程中含有杂质等,钢渣粒径过细导致颗粒间作用力增大出现团聚现象使得强度降低。当钢渣最大粒径超过0.3 mm后,钢渣泡沫混凝土强度下降趋势明显,原因可能是钢渣粒径增大,钢渣、泡沫和水泥浆体之间不能很好融合,且钢渣吸水率大,钢渣吸水膨胀使得界面过渡区原结构变化,增大粒径使得钢渣活性降低,钢渣泡沫混凝土的强度也会下降。采用以下公式计算观察强度变化趋势

经计算当钢渣粒径大于0.3 mm时,随着粒径的增大,强度变化率呈增长趋势,这说明钢渣粒径大的早期活性低,后期强度变化较大。可直观看出,钢渣粒径在0.3 mm时,钢渣泡沫混凝土7 d、28 d强度均达到最大值。

2.2 钢渣掺量对泡沫混凝土的影响

试验中固定最大粒径为0.3 mm的连续级配钢渣,泡沫混凝土设计干体积密度为800 kg/m3,设计水灰比0.5,发泡剂稀释30倍,钢渣掺量分为10%、20%、30%、40%、50%。标准条件下养护并进行相关性能测试,数据见表4。

表4 不同掺量的钢渣泡沫混凝土性能

由表4数据作图分析,分析钢渣掺量对试块的干体积密度影响,由体积法计算出掺入的钢渣对混凝土干体积密度的影响和钢渣消泡而引起的干密度变化趋势如图6所示,钢渣掺量的增加使得泡沫体积下降,试块的干体积密度上升,钢渣作为集料掺入直接影响泡沫的体积,钢渣外观特性及吸水性使得泡沫大量破灭。钢渣掺量达到50%时,曲线略上升,可能因钢渣掺量大使得浆体拌合后钢渣出现沉淀,浆体不均匀现象造成下部钢渣较多而泡沫上浮,注模后的试块中钢渣含量无增加以致钢渣不能充分利用的现象,所制得钢渣集料泡沫混凝土试件其密度达到A10等级。图7为钢渣掺量对泡沫混凝土吸水率影响曲线关系,钢渣泡沫混凝土的吸水率呈快速上升趋势,其中钢渣掺量在20%-30%之间的变化率达到最大,吸水率变化在W20左右。

由图8可见,随着钢渣掺入量的增大,钢渣泡沫混凝土砌块的抗压强度整体呈先增大后降低趋势,特别是当钢渣掺入量达到30%时,强度仍然高于纯泡沫混凝土时的强度,然而,当继续增加钢渣掺量时,强度却比纯水泥时低。掺入的钢渣粒径为0.3 mm,随着钢渣掺入量增加,钢渣泡沫混凝土强度先上升的原因,可能是钢渣所含与水泥相同的成分,钢渣的水化活性及活性物质含量较水泥熟料低,作为集料掺入会增大混凝土中胶凝材料含量,进而强度会增大。但随着钢渣掺入量的继续增加,混凝土中钢渣量多而容易出现分层离析现象,且钢渣水化产生产物量增多和钢渣膨胀,导致混合浆料致密性下降,所以钢渣量多反而会出现钢渣泡沫混凝土砌块的抗压强度降低。当钢渣掺量比小于等于30%时,钢渣泡沫混凝土7 d、28 d强度较纯泡沫混凝土时高,且经计算强度变化率也随掺量增加而逐渐增大,这说明钢渣对泡沫混凝土的后期强度影响较大。

钢渣掺量应该控制在一个适当范围内,且钢渣与水泥之间具有协同作用,该作用有利于促进水化反应,进而提高其强度。这样的钢渣掺入既有利于钢渣大量用于墙体材料降低超细化成本,又有利于改善泡沫混凝土的性能。

3 结 论

a.随着钢渣集料的掺入,混凝土的干体积密度和吸水率均呈上升趋势。钢渣粒径的改变使得混凝土干体积密度属于JG/T 266—2011标准中的A09～A10级,其吸水率等级达到W25左右。改变钢渣掺量其干密度达到A10等级,吸水率变化在W20左右。钢渣掺量对泡沫混凝土的干体积密度影响比钢渣粒径大,而对吸水率的影响比钢渣粒径小。

b.随着钢渣粒径的增大,钢渣泡沫混凝土砌块的7 d和28 d抗压强度呈现先上升后下降的变化。在试验条件下,仅钢渣粒径定为0.3 mm时,钢渣泡沫混凝土的强度大于纯泡沫混凝土。

c.随着钢渣掺入量增加,混凝土强度仍呈先增后减趋势。当钢渣掺量比小于等于30%时,钢渣泡沫混凝土7 d、28 d强度较纯泡沫混凝土时的高,且掺量在30%时强度达到最大。继续增加钢渣掺量,砌块的强度降低且强度变化率增大。

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Effect of Steel Slag Aggregate on Properties of Foamed Concrete

SHI Si-qin1,CHEN De-peng1,2,ZH AO Liang1
(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China;
2.Institute of Green Building Materials,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China)

In order to explore the utilization of slag with low-power approach,the basic performance of foamed concrete used steel slag as aggregates with different gradations and dosage was investigated in this paper.Five different slag gradation and five steel slag content levels(10%-50%)used as the foamed concrete aggregate in experiment,and the compressive strength,water absorption and dry bulk density were tested and analyzed.The results showed that steel slag aggregates will increase the dry density and water absorption of the foamed concrete.The concrete strength will decrease after the first increase phase and showed the maximum strength when the steel slag particle size is around 0.3 mm and the 30%dosage of steel slag.Meanwhile,with the increase of steel slag dosage and particle size,the change rate of the late strength of foamed concrete increases.The results indicated that there is a synergistic effect between the steel slag and cement which promotes the hydration reaction,to some extent,which improves the strength of steel slag foamed concrete.

slag; foamed concrete; compression strength; thermal conductivity; water absorption

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.004

2015-08-15.

国家级大学生创新训练项目(201210360074),安徽省自然科学基金(1308085QE83)和安徽工业大学研究生创新研究基金项目(2014064).

石司琴(1989-),硕士生.E-mail:shisiqin@163.com