钢渣微粉对泡沫混凝土基本性能的影响.pdf

2 0 1 3年 第 1 1期 (总 第 2 8 9期 ) Nu mb e r I 1 i n 2 01 3 ( To t a l No2 8 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I Nl CLE 钢渣微粉对泡沫混凝土基本性能的影响 贺婷 1 I2 。廖洪强 1 I 2 ，童震松 ，宋存义 。邓德敏 。 ，余广炜 。巴特尔 ( 1 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 首钢 L v、 司能源环保产业事业部 ，北京 1 0 0 0 4 1 3 首钢T学院建筑 _=亏 环保T程系，北京 1 0 0 0 4 1 ) 摘 要 ： 研究 了钢渣比表面积和掺量对钢渣复合水泥基泡沫混凝土基本性能的影响。 结果表明： 同定钢渣掺人量， 泡沫混凝土 砌块强度随钢渣 比表面积增大总体呈现先增加后降低的“ 山” 型变化 ， 其中钢渣微粉比表面积为 6 0 0 m 2 k g时较为理想 。 固定钢渣 比表面积 ， 浆体 的抗压强度随钢渣掺人量增大整体呈降低趋势。 钢渣掺人量低于 2 0 时， 砌块 2 8 d强度高于纯水泥泡沫混凝土的 强度； 继续增加钢渣掺人量 ， 浆体强度降低且均低于水泥泡沫混凝土。 钢渣最大掺入量达 5 0 时 ， 砌块 2 8 d抗压强度仍可满足 J G T 2 6 6 2 0 1 1 标准对应 c 1 级强度等级 。 同时， 对泡沫混凝土浆体水化产物微观形貌进行 S E M 观察 ， 以判断浆体的水化情况。 关键词： 钢渣；比表面积；掺人量 ；泡沫混凝土；强度 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 7 5 0 4 I nf l uen ce o f s t eel sl ag on t he per f or m anc e of f oam c on cr e t e HE Ti n g 一 LI AO Ho n gq i a n g ， TONGZhe ns o n g ， S ONG ct my i ， DENG De mi n ， YU Gu a n gwe i ， S AI N Ba a t a r ( 1 C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 T e c h n i c a l C e n t e r o f S h o u g a n g E n e r g y a n d E n v i r o n m e n t P r o t e c t i o n I n d u s t r y De p a r t me n t ， B e r i n g 1 0 0 0 4 1 ， C h i n a ； 3 C o n s t r u c t i o n a n d E n v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n E n g i n e e r i n g ， S h o u g a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g ， 1 0 0 0 4 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e i n flu e n c e of s p e c i fic s u r f a c e a r e a a nd q u a n t i t y o f s t e e l s l a g on t h e p e r f o r ma n c e o f f o a m c o n c r e t e wa s r e s e a r c he d Th e r e s ul t s i n d i c a t e t h a t t h e s t r e n g t h o f f o a m c o n c r e t e c h a n g e da s t h e f o r mo f mo u n t a i n ， i t me a n s t h e s t r e n gthi n c r e a s e dfi r s t a n dt h e nd e c r e a s e dwi t ht h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a i n c r e a s i n g o f s t e e l s l a g i n t h e s a me q u a n t i t y T h e i d e a l s t r e n gth a p p e a r s wi t h t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f 6 0 0 m2 k g s t e e l s l a gW h e n t h e q u a n t i t y of s l a g i s l o we r t h a n 2 0 i n t h e t o t a l ma s s ， t he 2 8 d s tre n g t h o f f o a m c o nc r e t e wa s a l wa y s hi g h e r t h a n t h e p u r e c e me n t Ho we v e r ， t h e s t r e n gth o f t h e f o a m c o n c r e t e d e c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g o f s l a g q u a n t i t y i n s a me s p e c i fi c s u r f a c e a r e a Wh e n t h e q u a n t i t y o f s l a g wa s l o we r t h a n 5 0 i n t h e t o t a l ma s s t he 2 8 d s tre n g t h o ff o a m c o n c r e t e s t i l l c a n me e t t he C1 g r a de o fJ G T 2 66 2 0l 1 s t a n da r d Me a n wh i l e ， t h e mi c r o s t r u c t u r e o f h y d r a t i o n p r o d u c t s o f t h e f o a m c o n c r e t e wa s o b s e r v e d b y S E M t o j u d g e t h e h y d r a t i o n s i tua t i o n o f t h e f o a m c o n c r e t e Ke y wo r d s ： s l a g； s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ； mi x i n g a mo u n t ； foa m c o n c r e t e ； s t r e n gth 0 引 言 泡沫混凝土是将发泡剂制成 的泡沫引入含硅质材料 、 钙质材料等的水泥基料浆 中， 经搅拌 、 浇筑成型 、 养护而成 的一种含大量封闭气孔的轻质多孔 建筑材料l l _ 。 由于泡沫 混凝土集轻质 、 保 温 、 隔热 、 耐 火 、 隔音 、 防水 、 抗震 、 节能 、 利 废 、 等性能于一体2 - 4 ， 成为当今重点发展的节能环保型 材料 ， 被广泛应用于墙体材料和其他隔热材料 中 - 6 1 。 我国钢渣排放量高 ， 综合利用率低 。 大量堆放不 仅污 染环境 ， 而且浪费资源7 1 。 钢渣的矿物组成与硅 酸盐水泥熟 料相似 ， 将钢渣用于泡沫混凝土的制备 ， 不仅实现 了对 T业废渣钢渣 的大量使用 ， 还减少了钢渣堆积对环境造成 的危害， 这对合理利用资源、 保护环境、 促进可持续发展有 重要意 义1 0 。 钢渣经过一定 的方式处 理后 ， 可 以被高 价值 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - o 5 - 0 6 基金项目：周家“ 8 6 3 计划” 重大项 目( 2 0 1 1 A A 0 6 A1 0 5 ) 利用 。 通过机械激发提高钢渣活性是较 为理想 的一种方 法【 l1 。 本研究 以钢渣 和水泥为原料 ， 通过研究钢渣 比表 面 积和钢渣掺人量对泡沫混凝 土性能的影响 ， 为大掺量钢渣 制备泡沫混凝土提供依据。 同时 ， 通过对泡沫混凝土硬化浆 体水化产物 的微观形貌进行 S E M 观察 ，对泡沫混凝 土的 水化反应过程进行分析。 1 试 验 部 分 1 1 试验原料 试验所用水泥为 P O 4 2 5 级水泥。 物理性能检测结果 如表 1 所示。 试验用发泡剂为北京某公 司生产的复合型发泡剂 ， 发 泡倍数 2 0 倍 ， 1 h 泌水量 7 8 mL ， 稀释倍数 3 0 倍 ； 钢渣选 自 首钢公 司钢渣处理生产线产生的钢渣尾渣 。 后经超细设备 75 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 水泥物理性能检测结果 超细所得 ， 其 禽自 C a O、 S i O 2 、 A 1 2 O 、 F e O 、 Mg O等 与普通 辟酸盐水泥卞 n 似的化学成分 ， 水泥 、 钢渣化学成 分分析 见 表 2 、 表 2 水泥 及钢渣 的化 学成 分 通常按碱度不同将钢渣分为低碱 度渣 ( 2 5 ) = 类l 】 】 ， 高碱度钢渣 含有 与硅 酸盐水泥相似 的熟料相似的 c s与 c S 。 试验 J H 钢渣为 以 c s为主的高碱度钢渣。 1 2试 验 方 案 泡沫混凝 ： E 配合l -匕 设计依据 同定原材料质量法和同 定 混合料体积法进行 ， 设 计密度 4 5 0 k g m， ， 试 验选用钢 渣比表面积为 3 0 0 、 5 0 0 、 6 0 0 、 7 0 0、 9 0 0 m2 k g ； 掺入量为1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 、 6 0 泡沫混凝_十制备的l l 艺流稗如图 1 所示 ， 成型后用保 鲜膜覆盖 ， 存标准养护 t 条件 F养护 ， 脱模 ， 至试验龄期取H 1 烘f至标 准检测条件 ， 进行相关性能检测。 图 1 钢 渣泡 沫混凝 土的 制备 工艺流 程 1 3检 测 方 法 泡沫混凝 十 ： 强度 、 抗折强度 ， f 密度 、 吸水率参照 J G T 2 6 6 2 0 1 1 中华 人民共和国建筑 I ： 业行业标准 f 1 规 定的 疗法进行 试验刚仪器 ： H立 S - 3 4 0 0 N型扫描 电镜 、 E D A X A p o l l O 电制冷能谱 、 阿本理学 r i g a k u u l t i m a 4 x射线衍仪 2结 果 与讨 论 2 1 试验用原料特性分析 试验首先对钢渣与水泥进行 _ r x射线衍射分析 ， 如图 2 所爪 ， 结果 示钢渣叶 1 的矿物 主要 、为硅酸二钙( C ： S ) 、 硅酸 钙 ( C S ) 、 R O卡 f ( 主要是 Mg O、 F e O和 Mn O的同溶体 ) 、 氢氧化钙 和铁 酸二钙 ( C F ) ， 水泥 中的矿物主要为硅酸 钙( C S) 、 硅酸二钙( C S ) 和氖氧化钙 试验用 B T 9 3 0 0 H型激光粒度仪 分析 了超细钢 渣和 水泥的粒度分布 ， 超细钢渣比表面积为 A1 ： 3 0 0 m2 k g 、 A2 ： 5 0 0m2 k g、 A3 ： 6 0 0m2 k g 、 A4 ： 7 0 0m2 k g 、 A 5 ： 9 0 0m2 k g的粒 7 4 50O 4OOO 3 5 00 3 000 强 2 5 【 ) ( 】 2000 l 5 O0 J 0 00 5 0 00 4000 3 0 00 魁 嘎 2 0 00 1 0 00 0 1 0 20 30 40 5【 1 60 7( ) 8( ) 2 0 f 。 ) ( a 体 淤 的xR DIN璐 l ( ) 2【 】 3 0 4【 】 5I 】 6I I I ) 8 【 I 2 0 ) ( b) 水泥的XRD 谱 图 2 钢 渣与 水泥 的 XRD图谱 度分布如 3 所示 ， 随着钢渣 比表而干 j 逐渐增 人， 钢渣 粒粒 径分布范围越集 r f l l 钢渣 比表 面平 j I 为 3 0 0 、 5 0 0 m k g 时， 粒径 分布范同较宽而 f 1 I 者分 布范 的差圳较 大 ， 分 别约为 0 5 5 0 0 p , m和 0 5 1 0 0 m； 比表 面积 为 6 0 0 、 7 0 0 、 9 0 0 m 2 k g 时 ， 粒径分布范 同较窄而儿彼此棚蓐小 人， 其分 布范同约为 0 5 5 0 tx m。 半 Ix m 图 3 超, Itt N渣的颗粒粒度分布 2 2 钢渣 比表 面积对泡沫混凝 土砌块 强度的影响 试验泡沫混凝土设 计密度 6 0 0 k g m ， 钢渣与水泥配合 比为 l ： 1 ， 水料 比 0 4 5 ， 发泡剂稀释倍数 3 0 倍 ， 标准养护 条 件下养护 。 通过对 比表 面积 为 3 0 0 9 0 0 m2 k g 超细钢渣制 备所得泡沫混凝土的 7 、 2 8 d 强度指标进行检测 ， 试验结果 见图 4 、 5所示。 由图 4 、 5可知泡沫混凝士砌块抗 、 抗折强度总体随 钢渣比表 面积的增大而旱现先增加后降低的“ ” 变化 、 这是 为钢渣 比表面积越夫 ， 表面能越大 ， 钢渣 的活性就 越 高 ， 越容易水化 牛成水化产物 ， 提高泡沫混凝 硬 化浆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 比表 面积 ( m k g ) 图 4 钢渣 比表面积对泡沫混凝土抗压强度的影响 比表 面积 ( m k g ) 图 5钢渣比表面积对泡沫混凝土 2 8 d抗折强度的影响 体 的致密性 ； 但 当钢渣 比表面积增大到一定 程度时 ， 因 为颗粒变细 ， 颗粒间作用力增大 ， 钢渣颗粒问会 出现 团聚 的趋 势 ， 使得钢渣表观粒度增大 ， 活性下降 ， 水化变差 ， 泡 沫混凝土强度下降 。 由于高比表面积钢渣 的活性是靠机械 能激发的 ， 比表 面积越高 ， 超细成本就越 高。 根据试验结果 选择钢渣超细 比表面积约 6 0 0 mZ k g 较为理想 。 这说 明钢 渣比表 面积应该控制在一个适 当范围 ， 既有利于改善泡沫 混凝土的性能 ， 义有利于降低超细化成本。 2 3 钢渣掺入 量对泡沫混凝土砌 块性能的影响 试验泡沫 混凝土设 汁密度 5 0 0 k g m ， 钢渣 比表 面积 6 0 0 m3 k g ， 水料 比 0 4 5 ， 发泡 剂稀 释倍数 3 0倍 ， 标 准养护 条件下养护。 通过埘 0 - 6 0 o dv , 同掺入量钢渣制备所得泡沫混 凝土抗压强度 、 吸水率进行检测 ， 试验结果如图 6 、 7 所示。 钢渣 掺 人比例 ， 图 6 钢渣掺入量对泡沫混凝土抗压强度的影响 图 6 、 7可知随着钢渣掺人量增大 ， 泡沫混凝土 的抗 压强度、 吸水率整体呈下降趋势， 特别是 7 d 早期强度最为 明显 。 对于 2 8 d强度而 言， 水泥中加入 1 0 钢渣微粉 ， 强度 增加较为明显 ； 当钢渣掺人量 2 0 时， 强度仍然高于纯水 泥泡沫混凝土 ； 但是 ， 当继续增加钢渣掺入 比例时 ， 强度变 差 且均低于纯水泥泡 沫混凝土。 当钢渣最大掺入量达 5 0 钢渣 掺人 比例 ， 图 7 钢渣掺入量对泡沫混凝土吸水率的影响 时，泡沫混凝 土砌块的 2 8 d 抗压强度仍可满足 J G T 2 6 6 2 0 1 1 标准规定下 C 1 级强度等级。 随着 钢渣掺入量增加 ， 泡沫混凝土强度整体降低 的原 因 ， 可能是由于钢渣的水化活性及活性物质含量较水泥熟 料低 ， 随着钢渣掺人量的增大 ， 水泥熟料的 比例下降 ， 早期 水化产生的胶凝产物量减少 ， 导致混合浆料致密JI生 下降 ， 泡 沫混凝土的抗压强度降低 。 这也是导致泡沫混凝土硬化浆 体吸水率下降的一个原因。 当钢渣配合比小于等于 2 0 时， 泡沫混凝土 2 8 d 强度和吸水率均优于纯水泥泡沫混凝 土 ， 这说明钢渣有 利于提 高泡沫混凝土 的后期强度 ， 且水 泥与钢渣之间具有协同作用 ， 该作用有利于促进水化反应 。 2 4泡沫混凝 土砌块 S E M 分析 水 泥 、 钢渣 按 一定 比例混合 形成 泡沫 混凝 土 ， 成型 1 0 0 m m 1 0 0 m m 1 0 0 m l T l 立方体试件 ， 标准养护至规定龄 期 7 、 2 8 d ， 加入适量无水 乙醇终 止水化 ， 对其微观形貌进 行 S E M观察 ， 以判断泡沫混凝土的水化情况。 从图 8对 比可以得 出 ， 混凝土块 7 d龄期如 8 ( a ) 和 图 8 ( C ) 时 ， 纯水泥泡沫混凝土和掺钢渣泡沫混凝土浆体 的 水化都 已开始 ； 图 8 ( a ) 外貌结构 比较疏松 ， 孔隙率也较 大， 图 8 ( c ) 外貌结构较细密 ， 这说 明钢渣微粉在水泥 中可起到 微集料的致密作用 ； 试样图 8 ( c ) 的彤貌 巾叮明显观察到未 水化反应的钢渣颗粒这说 明钢渣水化速度较慢 ， 而影响混 凝 土的早期强度 。 随着水化龄期 延长到 2 8 d ， 如图 8 ( b ) 和 图 8 ( d ) ， 浆体 出现明显 的水化反应 ， 混凝 土块表 现出明显 致密结 构形 貌 ， 而且试样 图 8 ( d ) 较试样图 8 ( b ) 水化更完 全 ， 主要 表现为试样形貌更加有层次感 ， “ 珊瑚礁 ” 状 的水 化产 物生长明显 ， 这有利 于强度 的提高 ， 这说 明添加 1 0 钢渣微粉后 ， 水 泥与钢渣之间具有 “ 协 同效应 ” ， 促进水化 反应 ， 提高试块强度 1 1 , 1 3 1 。 从 图 8 ( d ) 和图 8 ( e ) 对 比可以得 出 ， 相同 比表面积 的 钢渣微粉添加量 由 1 0 增加到 5 0 时， 试块 的微观形貌变 化 明显 ， 主要是结构变得松散 ， 不细密， 而且有 明显可见 的 未水 化钢渣微粒 ， 这说 明随钢渣微粉添加量大量增加 ， 试 块 中水化反应物含量减少 ， 导致水化反应减弱 ， 胶凝产物 减少 ， 强度急剧下降7 1 。 从上述 图 8 ( e ) 和图 8 ( f ) 对 比可以得 出 ， 在相 同掺入量 的情况下 ， 掺人不 同比表面积 的钢渣微 粉 也会导致试样 的表面形貌 差异 。 钢渣微 粉 比表 面积 南 3 0 0 m 2 k g 超细到 6 0 0 m2 时， 试样形貌变得更加细密 、 均 匀 ， 这有利于增加 试样的强度 。 这说明增大钢渣 比表面积有 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m