改性钢渣水泥基材料早强性能研究与应用.pdf
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1、第 卷第 期 年 月 安 徽 冶 金 科 技 职 业 学 院 学 报 改性钢渣水泥基材料早强性能研究与应用蒋育红,任建军,刘全威,杨 辉,杨 浩,余 平(安徽工业大学 建筑工程学院 安徽马鞍山;江苏都市交通规划设计研究院有限公司 江苏南京;马鞍山路桥工程有限公司 安徽马鞍山;瑞马丸建(安徽)工程支护科技有限公司 安徽马鞍山)摘 要:“实现碳达峰、碳中和”作为国家的重大战略决策,各行业都要为节能减排事业做出贡献,钢渣作为一种可再利用材料备受青睐。本文设计试验采用控制变量法和正交试验法,以改性钢渣粉末(以下称)和普通硅酸盐水泥为主要原料,添加粉煤灰、硅灰、膨胀剂和减水剂等材料制备试样,并测量其 力
2、学性能。通过对试验结果进行对比分析,了解 掺入对水泥基材料早期和晚期强度发展的影响规律。试验结果表明,掺加 可以加快水泥基材料凝结速度,显著提高水泥基材料的早期强度。通过正交试验结果筛选出的最优早强水泥基材料,最佳掺量为,粉煤灰最佳掺量为,减水剂最佳掺量为,最佳水灰比为,抗折强度和抗压强度最大可以达到 和 。用于某钢结构支护体系中,可以满足早强性能要求和实际工程需要。关键词:改性钢渣粉末;早强水泥基材料;异形缝隙填补;正交试验法收稿日期:作者简介:蒋育红(),女,博士,副教授。【基金项目】:早强柔性超疏水高性能混凝土的开发资助项目();年安徽省住房城乡建设科学技术计划项目()。中国作为世界上钢
3、铁产量最大的国家,每炼制 钢铁就会产生 钢渣,但对钢渣的利用率却不足,基于国家节能减排的大环境,针对钢渣再利用的研究层出不穷。张浩将钢渣和磷酸溶液、硅烷偶联剂、硬酯酸混合处理后得到的多孔改性钢渣粉并用于充当橡胶填料。从矿物和化学成分方面分析,钢渣与硅酸盐水泥组成相似,可见以钢渣为原料制备的胶凝材料仍具有一定研究价值。赵计辉发现在水泥中掺入磨细后的钢渣、矿渣粉末可以明显提高其材料力学性能。、和 使用钢渣粉、矿粉部分替代硅酸盐水泥,添加活性激发剂并制备胶砂试块,试验结果表明适量掺加钢渣、矿渣并添加活性激发剂可有效提高材料的早期和中期的力学性能。王金邦发现钢渣在 的环境中随着碱溶液的浓度增加,浆体水
4、化放热速率及放热总量逐渐升高,钢渣水化速度显著加快。水泥作为硅酸盐熟料的一种,若利用其水化过程中提供的碱性环境作为钢渣粉末的激发条件,理应可以提高水泥基材料的早期强度。因此,本文以 和 水泥为主要原料,探究该新型绿色材料对水泥基材料力学性能发展的影响规律,并筛选出早期强度较高的水泥基材料配合比,以满足实际工程需要。试验方案 试验原材料 本试验使用的胶凝材料包括:水泥作为主要胶凝材料;级硅灰和级粉煤灰作为矿料逐级填充材料空隙,用于提升材料密实度和强度;添加 膨胀剂以应对材料收缩;使用 改善材料早强性能。另外以 粒径石英砂作为细骨料,聚羧酸减水剂和有机硅消泡剂作为外加剂,用于改善材料力学性能及和易
5、性。试验方法 本试验在已有高强水泥基材料配合比的基础上,保持胶砂比和水灰比不变,基于控制变量法,在 区间内以 为一级,使用 分级替代水泥,研究该新型绿色材料对水泥基材料流动度以及强度发展的影响。基于上述试验得出的结果,采用正交试验法,研究 掺量、减水剂掺量、粉煤灰掺量和水灰比这四种变量对水泥基材料 强度的影响,以筛选出早期和晚期强度均较高的早强水泥基材料配合比。本试验按照水泥胶砂强度检验方法(法),使用水泥胶砂抗折抗压试验机测试试件力学性能。试验结果及分析 单因素试验结果及分析 以 掺量为单一变量的试验结果如下表。根据表 可以看出,当 掺量提高至 时,水泥基材料的 抗折强度和抗压强度均较高,远
6、远强于未掺入 的空白对照组;随着 掺量增加,水泥基材料后期抗压强度和抗折强度均有不同程度降低,其中实验组 的试件相较于空白对比组强度下降最多,其 抗压强度降低,抗折强度降低。以 掺量为横坐标,材料不同龄期的抗折强度和抗压强度为纵坐标,绘制趋势图,如下图()、()所示,分析可知 的掺入有效提升了水泥基材料的早期强度,但其对材料后期强度的发展存在一定的负面影响,不同掺量下的后期强度降低程度不同。且其对于抗折强度和抗压强度的影响规律也不相同,该试验中以 抗折强度为指标的 最优掺量为,而以 抗压强度为指标的 最优掺量为;个不同掺量的试验组中,抗折强度相对空白组的降低幅度也明显低于 抗压强度的降低幅度,
7、可见无论是早期强度的提高还是后期强度的降低,对抗压强度的影响都要比对抗折强度的影响更加显著。表 掺量试验结果编号 初始流动度 流动度 抗折强度 抗压强度 图 对材料力学性能影响安 徽 冶 金 科 技 职 业 学 院 学 报 年第 期 水泥基材料流动度和折压比随 掺量的变化趋势如下图()、()所示。分析图片可知,随着 掺量的增加,材料的初始流动度和 流动度逐渐降低,两次测量之间的流动度损失逐渐增大,最大达到 ;材料的折压比在掺量较低()时无明显变化,但随着 的掺量增加,材料折压比有显著提高。由此可见,加入后材料凝结速度加快,且掺入量越多效果越明显;其次 的掺量较大()时,对水泥基材料韧性也有一定
8、改善作用。作为一种可再利用绿色材料,由钢渣经过改性后磨细制成,其主要成分钢渣的含量高达(质量分数)左右,其成分也基本与钢渣相同。主要矿相成分包括、,还有一些少量的、()和,以及一些未结晶的玻璃相物质。和 普通硅酸盐水泥混合后,水泥水化反应产生的()会引起体系碱性快速提高,碱性环境可有效激发钢渣粉体的活性,加快其内部玻璃相物质的解离速度,促进体系内、的形成,从而有效提高水泥基材料早期强度。同时,体系反应过程中生成(水化硅酸钙)和(水化铝酸钙)凝胶产物,以及具有一定填充性的 和,均有利于水泥基材料体系密实度的增加,在加快体系内材料水化速率的基础上,进一步提高水泥基材料早期强度,具体表现在 加入后,
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