锂渣、钢渣高性能混凝土早期抗裂性能试验研究.pdf

2 0 1 3年 第 2期 (总 第 2 8 0期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 0 ) 混 凝 土 Co nc r e r e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 2 0 0 7 锂渣、 钢渣高性能混凝土早期抗裂性能试验研究 李志军 ，侍克斌 ，努尔开力 依孜特罗甫 ( 新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ) 摘要： 采用刀1： 3 法研究了水胶 比、 锂渣掺量 、 钢渣掺量和锂渣细度对复掺锂渣 、 钢渣高性能混凝土早期塑性收缩裂缝的影响 ， 试验结果表明水胶比对混凝土早期抗裂性能影响较大 ， 锂渣掺量和钢渣掺量分别次之。 在相 同条件下， 复掺锂渣、 钢渣高性能混 凝土的早期抗裂性能优于普通水泥混凝土 ， 锂渣细度的增加混凝土的抗裂性能先提高后降低 。 应用分形理论测量并计算不同细 度锂渣 、 混凝土裂缝的分形维数为评价早期开裂提供 了有力的工具。 关键词 ： 高性能混凝土 ；锂渣 ；钢渣；刀 口法；正交试验 ；分形评价 ；早期抗裂性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 2 5 0 3 E x p e r i m e n t a l s t u d y on t h e c r a c k i n g r e s i s t a n c e a t e a r l y a g e s o f h i gh p e rfo r m a n c e c o n c r e t e a d d e d wi t h l it h i u m s l a g a n d s t e e l s l a g L I Z h i -j u n ， S i l l Ke b i n ， N u e r k a i l i Y i z i t e l i o p u ( C o l l e g e o f H y d r a u l i c a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， X i n j i a n g A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， U r u mq i 8 3 0 0 5 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Us i n g k n i f e e d g e me t h o d o f wa t e r b i n d e r r a t i o ， a mo u n t o f l i t h i u m s l a g ， s t e e l s l a g c o n t e n t a n d l i t h i u m s l a g fi n e n e s s o n c o mp l e x wi t h l i thi u m s l a g ， s t e e l s l a g h i 曲 p e r f o r manc e c o n c r e t e p l a s t i c s h r i n k a g e ， the t e s t r e s u l t s s h o w e d tha t w a t e r b i n d e r r a t i o o n the c r a c ki n g o f c o nc r e t e a t e a r l y a g e i nflu e nc e the p e r f o r man c e o f l i thi um s l a g c on t e n t an d the s t e e l s l a g c o me n t we r e r e s pe c t i ve l y the s e c o n d Und e r the s a me c o n d i t i o ns ， c o mbi n e d wi th l i thi um s l a g， s t e e l s l a g h i pe rfo rm a n c e c o n c r e t e e a r l y c r a c ki n g r e s i s t a n c e tha n o r di n a r y c e me m c o n c r e t e ， l i t hi um s l a g fin e n e s s i n c r e a s e d t h e c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i n c r e a s e d fi r s t l y a n d t he n d e c r e a s e dAp pl i c ati on o f f r a c t a l the o ry t o the me a s e me n t an d c a l c u l a t i o n of d i ffe r e n t fin e ne s s o f l i t hi u m s l a g， c o nc r e t e c mc k f r a c t a l d i me n s i o n f o r t h e e va l u a t i o n o f e a r l y c r a c k i n g p r o v i d e po we r f ul t o ol s K e ywo r d s ： h i 曲 p e r f o r manc e c o n c r e t e ； l i th i um s l a g ； s t e e l s l a g ； k n i f e - e d g e m e t h o d ； o r t h o g o n a l t e s t ； f r a c t a l e v a l u a t i o n ； c r a c k i n g r e s i s t a n c e a t e arl ya ge 0 引言 在水利与建筑工程施工 中， 混凝 土裂缝 的产生是一个 普遍存在的问题， 而高性能混凝土浇筑后， 在最初几个小 时的养护 阶段因表面水分蒸发速度大于 内部泌水速度 ， 浆 体发生紧缩_ lJ 。 这个阶段混凝土本身强度很低， 当毛细管负 压产生的收缩应力大于混凝土此时的抗拉强度时 ， 混凝土 暴露 向外的表面开始 出现裂缝 。 裂缝在混凝土养 护的最初 几个小时内不断引发和扩展， 裂缝数目 增多， 裂宽、 裂长增大， 一 直到混凝土初凝时基本停止。 裂缝 的宽度从 0 0 1 m m 到 2 3 mm， 长度不等 ， 裂缝深度 不深 ， 开裂都在 混凝土上 表 层暴露在外 的较薄 的砂浆层 内 ， 因此将这类裂缝称为塑性 收缩裂缝。 塑性收缩裂缝将对混凝土的抗渗、 抗侵蚀、 抗冻 融等耐久性产生非常不利影响， 使高性能混凝土的耐久性 降低， 达不到设计寿命 ， 所以研究高性能混凝土塑性收缩 开裂及其控制方法具有十分重要的意义回 。 国内外学者 围绕着混凝 土裂缝问题做 了大量的研究 ， 包括混凝土裂缝 的成 因与控制研究 、 混凝土裂缝的评价指 标和混凝土结构裂缝 的处理方法 。 但是 ， 针对矿物掺料对 混凝土早期裂缝影 响的试验研究多集中在粉煤灰 、 硅粉和 磨 细矿渣的单掺和复掺 ， 对于复掺锂渣 、 钢渣高性 能混凝 土早期抗裂性能 的研究至今仍较少。 本试验采用刀口法对 复掺锂渣 、 钢渣高性能混凝土的早期抗裂性能进行研究 ， 探 索水胶 比、 锂 渣掺量 、 钢渣掺量以及 锂渣细度等因素对混 凝土早期抗裂性能的影 响 ， 目的是使用大量的工业废渣替 代水泥 ， 采用高效减水剂， 制作 出强度高耐久性好的不 同强 度等级的高性能混凝土 ， 以期能广泛的应用于实际工程中。 1 试验原材料与试验方法 1 1 试验用原材料 ( 1 ) 水泥： 新疆天山水泥厂生产的 P O 4 2 5 R级水泥， 实测 2 8 d 抗压强度为 5 1 5 4 MP a ； 锂渣 ： 新疆锂盐厂锂渣 ， 收稿 日期 ：2 0 1 2 - - 0 8 - - 0 6 基金项目：国家高等学校博士点专项科研基金课题( 2 0 1 0 6 5 0 4 1 1 0 0 5 ) ； 新疆水利水电工程重点学科基金资助( z D x K 2 0 1 0 0 2 1 2 ) 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 比表面积为 4 0 0 m2 k g 原渣和 7 1 0 、 1 0 4 0 、 1 2 5 0 m2 k g 磨 细 锂渣 ； 钢渣 ： 新疆八一钢铁 厂钢渣 ， 经加工磨细 ， 比表面积 为 4 4 7m2 k g 。 ( 2 ) 细骨料 ： 乌鲁木 齐河河砂 ， 砂细度模 数为 2 9 ， 属 I 区中砂 ； 粗骨料 ： 乌鲁木齐河河卵石 ， 连续级配 ， 粒径范围 5 2 5 mm。 ( 3 ) 外加剂： 新疆格辉科技有限公司生产的萘系高效 减水剂 。 1 2 试验装置及试验 方法 根据 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久 性试验方法标准 进行混凝土平板开裂试验 ， 制作 8 0 0 mi n x 6 0 0 m mx l O 0 IT l m 的混凝 土试件 。 试验在( 2 0 2 ) 、 相对湿 度为( 6 0 5 ) 的恒温恒湿试验室进行 ， 试件成型 3 0 m i n 后 ， 调整风扇位置和风速 ， 使试件表面 中心正上方 1 0 0 mm处 风速为( 5 0 5 ) r r d s ， 并应使风向平行于试件表面和裂缝诱 导器。 试验时间应从混凝土搅拌加水开始计算 ， 应试件成型 后 的( 2 4 _+ 0 5 ) h 后 ， 用 4 0 倍的显微镜 进行测量 ， 测试每条 裂缝的最大宽度和长度 ， 最终计算平均开裂面积 。 并用数码 相机记录裂缝开裂情况进行分形评价 。 1 3试 验 内容 本试验选取水胶 比、 锂渣掺量和粉煤灰掺量 3 个 因素 ， 每种 因素选取 3 个水平 ， 采用 ( 3 ) 正交表安排试验 ， 试 验共浇筑 9 组混凝土 ， 每组 2 个试件 ， 如表 1 、 2 所示 。 表 1 正交表 2 试验结果与分析 2 1 正 交试验 正交试验采用比表面积为 4 0 0 m Z k g 锂渣原渣进行试 验，试验选用裂缝最大宽度 和单位面积总开裂面积 C 作为评价混凝土试件早期抗裂性能的指标， 取每组两个试 件的平均值作为该组的试验结果， 见表 3 。 分别对最大裂缝 宽度 和单位面积总开裂面积 C进行正交分析， 由结果 ( 表 3 ) 可以看 ， 水胶比、 锂渣掺量和钢渣掺量 3 个因素 2 6 中， 水胶 比对混凝土早期开裂影 响最大 ， 锂渣掺量次之 ， 钢 渣掺量影响最小 。 最大裂缝宽度 和单 位面积总开裂面 积 c 均随着水胶 比的增大而减小 ， 随着锂渣掺量的增大先 增大后减少 ， 随着钢渣掺量的增大而增大， 如图 l 、 2 所示。 表 3 试验数据 试验编号水胶 A 比 最大裂缝 单位面积总 宽度 开裂面积 C n q n q ( mm2 m ) 。 因素水平 _ + 水 胶 比 + 锂 渣 掺 量 + 钢 渣 掺 量 c 1 2 3 因素水平 图 2 开裂面积正交分析效应 曲线 2 2 对比试验 为了研究复掺锂渣 、 钢渣高性能混凝土早期抗裂性能 与普通水泥混凝土的区别以及锂渣细度对混凝土早期抗 裂性能的影响， 以正交试验中的K L 0 3 号试验为基础设计 了对比试验， 即采用相同水胶比和砂率， 分别采用纯水泥 6 5 4 3 2 1 O 1l 1 l g g 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和 比表 面积为 7 1 0 、 1 0 4 0 、 1 2 5 0 mZ k g的磨 细锂渣 与钢渣 复掺进行试验 ， 结果见表 4 。 件下， 复掺锂渣、 钢渣高性能混凝土的早期抗裂性能优于 普通水 泥混凝土 ； 在相 同掺量 和配合 比的条件下 ， 混凝 土 由对 比试验数据可以看出 ， 在相 同水胶 比和砂率的条 的早期抗裂性能随着锂渣细度的增加先提高后降低。 表 4 对 比试验数据 2 3 原 因分析 复掺锂渣、 钢渣高性能混凝土的早期抗裂性能提高的 原 因分析如 下 ： 锂 渣中 S O 的含量较高 ， 在水化反应 的 过程 中极易溶解 出来 ， 与活性 A l 0 反应生成钙矾石 ， 其微 膨胀性对减少混凝土 的 自收缩起一定作用 ， 这些 晶体在早 期水 泥硬化过程 中与胶结料 间以辐射状成 长使 硬化混凝 土的体积产生微膨胀 ， 抑制 了混凝土的收缩。 磨细的锂渣具 有较高的活性 ， 比表面积越大， 活性越高， 填充效应增强 ， 非活性颗粒分散在硬化水泥浆体 中， 使得 3 2 1 0 0 n l n 孔径 范围的孔 隙含量减少 ， 混凝土早期的 自收缩和干燥收缩 降 低， 提高混凝土的抗裂l生。 掺加适量的钢渣可以降低混凝 土的早期收缩 ， 钢渣 的活性低 于硅酸盐水泥 ， 适量 的钢渣 替代水泥 ， 降低 了由于水泥水化形成 的化学收缩。 钢渣中含 有一定量 的 C a O、 Mg O， 这些物质在水泥水化过程 中发生化 学反应 ， 产生微量 的膨胀 ， 对 混凝土收缩有少许补偿作用 。 锂渣具有一定 的水化活性 ， 激发剂 的加人促进 了锂渣的 水化 ， 锂渣的水化又可 以激发并促进钢渣的水化反应 ， 锂渣 微粉 与钢 渣微 粉的相互活化作用 ， 更有利 于锂渣 、 钢渣 微 粉活性的发挥。 3分 形特 征 混凝土材料是具有复杂结构的非均质 、 多相( 气相 、 液 相、 固相 ) 和多层次( 微观、 细观、 宏观) 的复合材料体系， 因 此其塑性裂缝 的产生 、 扩 展和分布表现 出不规则性 、 模糊 性 、 非线性等特征 ， 为了更进一步阐述锂渣 、 钢渣混凝土 裂缝的开裂程度， 对锂渣 、 钢渣混凝土借助分形维数对其 进 行定量 描述 。 首先将跟踪 记 录的裂缝数码 照片进 行处 理 ， 生成分形解析 图和 网格覆盖 图 ， 采 用盒维数法计算 出 分形维数【 5 ， 其 2 4 h分形维数结果表 5 。 由表 5 可知 ， 锂渣 、 钢 渣混凝 土随着锂渣细度 的增 大 ， 裂缝 的分形 维数增 加 ， 分形维数的增长趋势越显著 ， 这说 明随着锂渣细度 的增大 混凝土开裂趋于复杂化 ， 混凝土抗裂性 能越差。 表 5 不同细度锂渣对应的分形维数 4结论 通过正交试验和对比试验综合分析了水胶 比、 锂渣掺 量和钢渣掺量 3种因素以及锂渣细度对混凝土早期抗裂 性能的影响 ， 得 出以下结论 ： ( 1 ) 在同等条件下 ， 复掺锂渣 、 钢渣高性能混凝土早期 抗裂性能优于普通水泥混凝土。 ( 2 ) 在水胶 比、 锂渣掺量和钢渣掺量 3 种 因素 中， 水胶 比对混凝 土早 期抗裂 性能的影响最 大 ， 锂渣掺量次之 ， 钢 渣掺量的影响最小 。 ( 3 ) 混凝 土早期抗裂性能在一定程度上随着水胶 比的 增大而提高 ， 随着锂渣掺量 的增加先 降低后提高 ， 随着钢 渣掺量的增加而降低 ， 在本试验的条件下 ， 水胶 比为 0 3 5 ， 锂 渣掺量 3 0 ， 钢渣掺量 1 5 时， 混凝土早期抗裂性能最好。 ( 4 ) 在相 同掺量和配合 比的前提下 ， 锂渣 细度 的增加 能够使得混凝土早期抗裂性能先提高后 降低 ， 在本试验条 件下 ， 锂渣的 比表面积为 7 1 0 m2 k g 时 ， 混凝 土的早期抗裂 性能最好。 ( 5 ) 采用分形 理论分析评价锂渣混凝土早期裂缝的分 布特征是十分有效的 ， 它可 以对裂缝 的复杂程度进行量化 的精细 描述 。 试验结果表明锂渣 、 钢 渣混凝 土随着锂渣细 度 的增大 ， 分形维数越高 ， 裂缝复杂程度越高 ， 开裂程度越 大 ， 混凝土抗裂性能越差 。 ( 6 ) 锂渣 、 钢渣粉可以取代部分水 泥， 当配合比选择适 宜 ， 完全可 以替代常规混凝土 ， 用 于水利与建筑工程 ， 不仅 环保 ， 节能减排 ， 而且可提高其抗裂性能 ， 降低工程造价。 参考文献： 1 】黄土元， 蒋家奋 ， 杨 南如 近代混凝土技术 M 陕西科学技术出 版 社 ， 1 9 9 8 【 2 李丽， 孙伟， 刘志勇 用平板法研究高性能混凝土早期塑性收缩 开裂 J 1 _ 混凝土 ， 2 o o 3 ( 1 2 ) 3 杨长辉 ， 王J I l ， 吴芳 混凝土塑性收缩裂缝成因及防裂措施研究 综述 混凝土， 2 o o 2 ( 5 ) ： 3 3 3 6 4 唐明 ， 李晓 混凝土分形特征研究的现状与进展【 J J 混凝土， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 8 - 1 1 5 唐明 ， 傅柏权 昆 凝土早期随机塑性开裂特征及分形评价【 J 1 混 凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 0 ) ： 1 - 3 作者简介： 李志军( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士， 研究方向： 掺加复合粉提高 混凝土强度和早期抗裂性能。 联系地址： 乌鲁木齐市农大东路3 1 1 号 新疆农业大学水利与土 木工程学院 1 8 9号信箱( 8 3 0 0 5 2 ) 联 系电话 ： 1 3 5 7 9 2 2 9 1 4 6 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m