無(wú)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(guò)度開采造成的資源、能源與環(huán)境問(wèn)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(lái)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(wèn)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(guò)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(lái)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(cè)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(wú)f- CaO 引起的安定性不良問(wèn)題。

(2) 礦渣磨細(xì)粉。

    來(lái)自北京首鋼， 為符合國(guó)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(lái)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(guò)篩， 測(cè)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(guò)10 mm 篩孔的部分， 以下無(wú)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(cè)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(cè)試3 d、7 d 和28 d 的抗壓強(qiáng)度， 100 mm ×100 mm ×400 mm 試塊測(cè)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。　　  

     表3 配方A 2～ A 5 使用同一濃度的堿溶液(11% )。在現(xiàn)場(chǎng)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(méi)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?？傮w來(lái)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(shuō)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(cè)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(chǎng)操作， 通過(guò)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(lái)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(chǎng)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(cè)試結(jié)果看， 緩凝劑摻入過(guò)高不利強(qiáng)度增長(zhǎng)， 甚至低于不加緩凝劑時(shí)的情況如配方C3。　　

     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(rùn)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(zhǎng)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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