鋼渣/礦渣對硅酸鹽水泥自收縮性的影響研究

□□ 周 紅 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

混凝土裂縫是影響混凝土結(jié)構(gòu)安全的重要因素，收縮裂縫在工程結(jié)構(gòu)中最為常見，有研究認(rèn)為自收縮與溫度收縮是引起混凝土早期開裂的主要原因[1]，有關(guān)溫度控制防止混凝土裂縫的研究較多，而混凝土自生體積收縮變形研究相對較少。在恒溫絕熱條件下，僅由于混凝土內(nèi)部膠凝材料自身水化引起的體積變形，稱之為自生體積變形。一般情況下，自生體積變形會引起收縮變形。在我國水利大壩工程中，混凝土中因膠凝材料用量較大，易產(chǎn)生較大的自生體積變形，如三峽工程中利用了粉煤灰自收縮的“能量滯后釋放效應(yīng)”[2]，將粉煤灰作為摻合料摻入，混凝土早期的自身收縮會比硅酸鹽水泥低[3]。影響混凝土自收縮性的因素很多，如結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工因素、混凝土配合比、溫度控制、水泥性質(zhì)等[4]。本文分別從不同品種水泥、不同鋼渣粉磨細(xì)度、不同來源的鋼渣、不同的鋼渣及礦渣摻入量等方面進(jìn)行試驗，探討鋼渣、礦渣對硅酸鹽水泥自收縮性的影響。

1 試驗過程

1.1 原材料

試驗所用原材料如下：

(1)硅酸鹽水泥熟料C1，來源于山西省太原市某水泥生產(chǎn)企業(yè)。

(2)三種鋼渣，分別來自太鋼(ST1)、寶鋼(ST2)、首鋼河北(ST3)。

(3)礦渣/礦渣微粉來自太原鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司(S1)。

(4)二水石膏，來自山西某石膏礦(G1)。

各種原料的化學(xué)成分見表1。

表1 原料的化學(xué)成分 %

1.2 試驗水泥的制備過程

(1)硅酸鹽水泥(熟料∶石膏=95%∶5%)：由水泥企業(yè)實驗室通用Φ500 mm球磨機(jī)粉磨至比表面積為(330±10)m2/kg。

(2)礦渣微粉：太原某公司礦渣(太鋼)超細(xì)粉產(chǎn)品，比表面積為(420±10)m2/kg。

(3)鋼渣：由水泥企業(yè)實驗室通用Φ500 mm球磨機(jī)粉磨至比表面積為(320±10)m2/kg。

三種物料按照不同試驗配比要求混合均勻，分別測定水泥的自收縮性。

1.3 試驗方法與儀器

水泥成型凈漿為符合GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)用水量、凝結(jié)時間、安定性試驗方法》的標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿，成型試驗依據(jù)GB 751—1981《水泥膠砂干縮試驗方法》，使用25 mm×25 mm×280 mm的三聯(lián)鋼試模、釘頭、搗棒和比長儀等設(shè)備，釘頭內(nèi)內(nèi)側(cè)之間的長度應(yīng)保證試體的有效長度為(250±2)mm。成型后放入恒溫(20±1)℃、恒濕(>90%)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，在(24±2)h內(nèi)脫模，以此時測定的試體長度為基準(zhǔn)長度l0。立即將試體放入自制的有機(jī)玻璃外套內(nèi)，用三氯甲烷將上蓋板粘在玻璃模上密封，兩端露出測試釘頭，所有與外界接觸的縫隙用融化的石蠟反復(fù)涂抹，以防試體與外界的水分交換，放入恒溫(20±2)℃、恒濕(50%～55%)的室內(nèi)，定期測量試體長度lt，各齡期的自收縮率按ε=(l0-lt)/250計算，每個配比的試驗結(jié)果采用3個試件的平均值。

2 試驗結(jié)果分析

水泥漿體的自收縮試驗以3～6個試驗為一組，分批、分期進(jìn)行試驗，在整個試驗過程中持續(xù)測量了不同品種、強(qiáng)度等級的水泥400 d的體積變形情況。為了研究混合材種類、細(xì)度、比例及不同來源的鋼渣對水泥漿體自收縮性的影響，分別制備了不同配比的水泥，按照確定的方法制備試件并測試，具體的試驗結(jié)果分析如下。

2.1 三種不同水泥自收縮性的比較

為了研究礦渣、鋼渣對水泥漿體自收縮性的影響，試驗制備了3種水泥：硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥，按照表2中比例配制水泥。

表2 三種水泥的試驗配比

將配制的硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥成型試件，進(jìn)行自收縮率試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥的自收縮率圖

從圖1可看出，硅酸鹽水泥的自收縮率無論是早期、中期、后期都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻入適量混合材的礦渣硅酸鹽水泥和鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥。研究認(rèn)為[5]，鋼渣粉、礦渣粉改善水泥、混凝土性能的機(jī)理在于其對水泥起到的“稀釋作用”，減少了早期參與水化反應(yīng)的膠凝材料的總量，從而減少了混凝土的早期收縮。雖然后期礦渣會二次水化，但混凝土已具備足夠強(qiáng)度，對收縮影響不大。

從圖1也可看出，隨著水化時間的延續(xù)，以10%的鋼渣粉代替礦渣粉的鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥的自收縮性從38 d開始要小于單摻礦渣的礦渣硅酸鹽水泥，這是鋼渣粉與礦渣粉按一定比例混摻的優(yōu)勢。研究認(rèn)為[6]，摻入鋼渣微粉較摻加粉煤灰可顯著地減少高強(qiáng)混凝土的干燥收縮，但鋼渣、礦渣復(fù)摻配比還有待于進(jìn)一步試驗研究。

2.2 不同來源鋼渣對硅酸鹽水泥自收縮性的影響

鋼渣的來源不同，其中礦物成分也將不同，研究表明不同來源鋼渣配制的水泥，其砂漿抗折抗壓強(qiáng)度也有差別。為了研究不同來源的鋼渣對水泥漿體自收縮的影響，試驗選用的鋼渣來源于：太鋼、寶鋼、河北首鋼，試驗用水泥的配比見表3。

表3 三種來源鋼渣的試驗配比

按表3中配比配制水泥并成型水泥漿體試件，然后進(jìn)行自收縮性試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼渣來源水泥自收縮率的影響

從圖2可看出，分別使用10%的太鋼、寶鋼、首鋼河北鋼渣與35%的礦渣配制的鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥試件的自收縮率均低于同級別的硅酸鹽水泥，主要因為鋼渣的水化活性遠(yuǎn)低于硅酸鹽水泥熟料，水化初期水化速度慢，干縮變形小。三種鋼渣配制水泥的自收縮率從大到小次序為：G1>G3>G2。根據(jù)GB/T 20491—2006《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》中活性指數(shù)的測定方法，對三種鋼渣進(jìn)行了活性試驗，活性強(qiáng)弱的次序為：ST1> ST2> ST3。從水化速率分析，自收縮從大到小的次序與活性強(qiáng)弱并不完全一致。結(jié)合三種鋼渣的化學(xué)成分分析結(jié)果：ST2鋼渣的f-CaO為4.12%，ST1鋼渣的f-CaO為2.65%，ST3鋼渣的f-CaO為1.71%?？梢越忉尀镚3水泥中f-CaO含量高，其水化反應(yīng)微膨脹抵消了該水泥的部分自收縮。

不同來源的轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)組成[7]為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO及少量的MnO、Fe2O3、P2O5、金屬Fe，變化并不大。轉(zhuǎn)爐鋼渣的礦物組成[7]包括硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、RO(MgO、FeO和MnO的固溶體)相及少量f-CaO和鐵鋁酸鈣，不同來源的轉(zhuǎn)爐鋼渣因煉鋼的原材料和冶煉工藝不同具有不同的礦物組成與結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了鋼渣中的活性成分f-CaO含量不同，從而影響到鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥的自收縮性。

2.3 不同細(xì)度的硅酸鹽水泥、鋼渣粉對水泥自收縮性的影響

為了研究細(xì)度對水泥漿體自生收縮的影響，試驗選用了兩種水泥配比：65%、45%總混合材摻量，鋼渣選用太鋼鋼渣，其中65%混合材摻量中礦渣占40%，鋼渣占25%，而45%混合材摻量中礦渣占35%，鋼渣占10%；兩種水泥中礦渣比表面積為420 m2/kg，保持不變，硅酸鹽水泥和鋼渣的比表面積為260 m2/kg、320 m2/kg、370 m2/kg三種，具體配制比例見表4。

表4 不同細(xì)度的鋼渣礦渣硅酸鹽水泥

按表4中的配比分別粉磨硅酸鹽水泥、礦渣、鋼渣至相應(yīng)的比表面積，配制六種水泥并制作試件，測定各個配比試件的自收縮率，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 細(xì)度對鋼渣礦渣水泥自收縮率的影響

從圖3(a)可以看出，隨著水泥、鋼渣比表面積的增大，水泥的自收縮性逐漸增大，水泥的自收縮性從10 d開始明顯的變大。有研究表明[8]，硅酸鹽水泥比表面積對干縮影響很大，該規(guī)律同樣適用于鋼渣粉。究其原因：一方面是隨著硅酸鹽水泥熟料、鋼渣粉比表面積的增大，<5 μm顆粒含量增多，水化生成細(xì)小的水化硅酸鈣凝膠，增加了吸附水分；另一方面水泥越細(xì)，水化速度越快，在干燥初期形成更多易收縮的水化硅酸鈣凝膠。隨著鋼渣比表面積的增大，其水化速度加快，水化程度也越完全，吸附水多，自收縮率也就越大。

從圖3(a)還可看出，鋼渣、礦渣總摻量在65%時不同比表面積水泥自收縮率變化規(guī)律為：B3>B2>B1，這與比表面積值由小到大變化規(guī)律一致。B3后期的自收縮率明顯趨于穩(wěn)定，因為比表面積大的水泥水化快，而B1的自收縮率還有繼續(xù)增大的趨勢，這是因為比表面積小的水泥水化滯后，隨著水化的進(jìn)行，自收縮也在繼續(xù)。如圖3(b)鋼渣、礦渣總摻量45%時也表現(xiàn)出相同的規(guī)律：B6>B5>B4。

2.4 不同鋼渣/礦渣摻入比例

試驗設(shè)計了兩個強(qiáng)度等級32.5和42.5，選用兩種摻量的混合材：65%、45%摻量，具體的試驗配比見表5。

表5 鋼渣礦渣總摻量為45%、65%的水泥配比

將四種不同配比按規(guī)定方法制成水泥試件，測定一定齡期的自收縮率，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼渣礦渣比例對水泥自收縮率的影響

圖4(a)為D1和D2鋼渣礦渣混合材摻量總和為65%的水泥漿試件自收縮率在370 d內(nèi)的變化圖。在37 d之前D1(鋼渣為30%)自收縮率小于D2(鋼渣為20%)，這是因為鋼渣膠凝活性低于礦渣，水化速度較礦渣緩慢所引起的，D1早期水化反應(yīng)因鋼渣摻量較D2高，水化程度較慢，所以自收縮率相對較小。37 d之后，D1自收縮率明顯高于D2，這是因為水化后期鋼渣粉開始水化的孔隙率及孔徑均低于礦渣粉水化，由毛細(xì)管失水引起的收縮應(yīng)力相對較高[5]，故鋼渣摻入量大的D1引起自收縮率偏大。

圖4(b)為鋼渣礦渣混合材摻量總和為45%的水泥漿試件自收縮率在370 d內(nèi)的變化圖?？梢钥闯?，D3(鋼渣為10%)的自收縮率在370 d齡期內(nèi)一直比D4(鋼渣為15%)要高，研究認(rèn)為[9]：鋼渣化學(xué)組成中f-CaO和方鎂石在水化過程中產(chǎn)生膨脹，D3和D4水泥中混合材摻量較低，由鋼渣中f-CaO的水化產(chǎn)生膨脹，抵消了部分因鋼渣礦渣硅酸鹽水泥水化引起的自身收縮，隨著鋼渣摻入量的增加(由10%到15%)，抵消的自收縮逐漸增大，所以D3的自身收縮率高于D4，這與鋼渣礦渣摻量總和65%時結(jié)果相反。

比較圖4(a)、(b)發(fā)現(xiàn)，摻45%混合材時水泥漿體的自收率明顯小于混合材摻量總和65%時，即隨著鋼渣、礦渣混合摻入量的增大，水泥的自收縮率變大。同時發(fā)現(xiàn)，摻鋼渣礦渣的水泥漿體自收縮主要發(fā)生在200 d以內(nèi)，這個階段為快速收縮期，之后為慢速收縮期或稱為準(zhǔn)穩(wěn)定期。

3 結(jié)論

3.1 鋼渣、礦渣按一定比例摻入硅酸鹽水泥中，不同品種水泥自收縮率的變化規(guī)律是：硅酸鹽水泥>礦渣硅酸鹽水泥>鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥。

3.2 不同來源的鋼渣摻入水泥中，其自收縮率的大小主要取決于鋼渣的水化活性與鋼渣中f-CaO的含量，水化活性大自收縮率大，f-CaO的水化膨脹抵消了鋼渣-礦渣硅酸鹽水泥水化過程中的部分自收縮。

3.3 隨著硅酸鹽水泥、鋼渣比表面積的增加，相應(yīng)水泥的自收縮率明顯增加

3.4 當(dāng)鋼渣與礦渣復(fù)摻總量在65%時，早期(37 d前)D1(鋼渣為30%)自收縮率小于D2(鋼渣為20%)，后期(37 d后)D1自收縮率高于D2。當(dāng)鋼渣與礦渣復(fù)摻總量在45%時，D3(鋼渣為10%)的自收縮率大于D4(鋼渣為15%)。