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碱矿渣混凝土的研究及应用
admin在2018-04-16发布 频道:行业资讯 标签:矿渣 混凝土
     

一、碱矿渣水泥混凝土研究现状

    前苏联是世界上开发和研究碱矿渣水泥混凝土最早、产量最高、应用最普及的国家,从1962年开始批量生产,到1995年为止,前苏联已经在各种建筑工程中累计现场搅拌使用了300万立方米碱矿渣水泥混凝土,从1985年以来,现场搅拌碱矿渣水泥混凝土的年产量一直保持在30万立方米。特别是在第二届全苏联碱矿渣混凝土学术讨论以后,碱矿渣水泥混凝土获得了迅速的推广应用,现在其应用范围几乎可以与硅酸盐水泥混凝土相提并论。1989年,前苏联利别兹克市已成功地全部使用现场搅拌碱矿渣水泥混凝土建成了高22层的住宅楼,这标志着土木建筑工程中碱矿渣水泥混凝土已完全可以取代硅酸盐水泥混凝土。
    在国内,以重庆大学、安徽水利学院、南京化工学院及上海建材学院、河海大学都对碱矿渣水泥及混凝土的水化机制、原理及应用进行了多年的研究并取得了一定进展,认为碱矿渣水泥混凝土的宏观结构与普通硅酸盐混凝土基本相同,但其微观结构则有很大的差异。其特点是碱矿渣水泥混凝土的结构致密,孔隙率低,且孔隙多为封闭的微孔,水泥石与集料的黏结十分牢固,水化产物中除了CaO-SiO2-H2O系统的水化物(沸石),碱矿渣水泥混凝土的这些结构特征赋予了这种混凝土以优越的物理力学性能,使之集高强、快硬、高抗渗、高抗冻、低水化热、高耐久性于一身,它的性能是目前大量使用的硅酸盐水泥所无法实现的,特别是碱矿渣水泥混凝土受荷破坏时,断裂面发生在水泥石和集料中,很少发生在它们的界面上,因此在物理力学性能及耐久性指标方面碱矿渣水泥混凝土具备承重结构材料的应用条件。
    在开发应用方面,武汉钢铁公司科研所于八十年代初利用自产的碱矿渣水泥在试验室配制出了高强度等级碱矿渣水泥混凝土。1986年南科院也开发和研究了这一材料,并将碱矿渣水泥混凝土现场搅拌应用于工程抢修和快速施工、高抗腐蚀等各种特殊要求的混凝土工程,取得了理想的成果。1996年重庆建筑工程学院在试验室研制成功了碱矿渣水泥流态混凝土,可以做到初始坍落度180mm~220mm,坍落度2小时内无损失,3小时内损失很小,应当说这为碱矿渣水泥混凝土的发展又一次做出了不可估量的贡献,但是他们只是在试验室里配制出了一部分小样品,没有进行工业化试生产。
    20世纪80年代以来,预拌混凝土在国内迅速发展,碱矿渣水泥混凝土由于快凝快硬流变性能差的特点,使这项技术在预拌混凝土施工中一直无法应用。我们研究的泵送碱矿渣水泥混凝土是对国内外已有研究成果的继续和深入发展,在原有理论和实践的基础上,我们研制开发了碱矿渣水泥混凝土专用激发剂、缓凝剂、流化剂和稳定剂,实现了对碱矿渣水泥混凝土拌合物工作性能的有效控制,在现场施工过程中调整初凝6h~8h,终凝8h~12h,坍落度初始值200mm~210mm,5h后保留值180mm~210mm。2000年8月,我们利用碱矿渣水泥混凝土在15层高的国家林业局武警森林指挥部办公楼和33层高的北京市海淀区靛厂新村住宅楼的实际使用,经过15年的跟踪研究碱矿渣水泥混凝土使用效果良好。

二、原材料

    碱矿渣水泥的主要原材料为矿渣、粉煤灰、激发剂、流化剂、缓凝剂和稳定剂等。各组份之间的合理组合与匹配,以及与缓凝剂的相似相容,是制备出微观结构布局合理、流动度和强度均最优的胶凝材料和混凝土的前提,同时对胶凝材料本身的用水量、凝结时间、保水性、强度、收缩性、水化热都产生不同程度的影响。因此,我们必须对各种原材料的成分、物理力学性能指标,以及它们之间的组成和配比进行优化试验研究。

(一)矿渣粉

    本研究使用的矿渣粉,其主要性能指标见表1。
表  1  矿渣化学成分表(%)
成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2
首钢矿渣 33.56 11.40 0.33 40.39 11.20 0.57 0.57 1.34
鞍钢矿渣 35.80 13.40 0.47 41.20 10.70 0.32 0.41 0.95
本钢矿渣 32.40 12.50 0.53 43.2 8.70 0.44 0.51 1.0
凌钢矿渣 38.70 11.50 0.90 41.2 7.80 0.51 0.47 2.1
抚钢矿渣 32.40 10.95 0.85 40.27 10.70 0.90 0.35 1.3
(二)粉煤灰
    本研究所用粉煤灰产地及各项技术指标详见表2、表3。
表 2  粉煤灰化学成分表(%)
成分
产地
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 MnO2 Loss
北京东郊灰 51.96 32.61 5.61 2.61 0.63 0.78 0.17 1.12 0.06 3.46
元宝山灰 58.64 19.70 9.56 4.42 2.08 2.64 0.87 0.91 0.09 0.80
沈海煤灰 56.40 26.50 7.82 3.05 0.66 0.12 0.37 1.25 0.30 3.53
鞍钢热电灰 56.30 27.50 9.32 2.51 0.55 1.71 0.39 0.92 0.07 0.73
辽宁电厂灰 57.20 26.35 8.75 2.06 0.17 1.22 0.57 0.17 0.13 3.38
锦州电厂灰 48.90 36.51 7.64 2.53 0.95 1.03 0.72 1.05 0.01 0.66
阜新电厂灰 47.65 29.32 6.59 1.09 0.93 1.51 0.02 1.07 0、50 1.32
表 3  粉煤灰技术指标
技术指标 元宝
山灰
北京
东郊灰
沈海
煤灰
鞍钢
热电灰
辽宁
电厂
锦州
电厂
阜新
电厂
分级标准
Ⅰ级 Ⅱ级
细度(0.045mm方孔筛筛余%) 6.0 18.0 6.0 5.4 5.0 7.2 16 12 20
需水量比(%) 94 103 98 97 93 97 102 95 105
烧失量(%) 0.89 3.46 3.53 0.73 3.38 0.66 1.32 5 8
含水量(%) 7.0 1.0 0.6 0.5 0.47 0.90 1.6 1 1
SO3(%) 0.68 6.96 0.72 0.65 0.41 0.51 1.20 3 3
活性率(%) 19.71 14.6 18.21 19.20 18.4 17.2 15.6    
28d胶砂强度比(%) 96.0 78.2 94.0 97.20 98.0 93.0 81.5 ≮75 ≮62

(三)激发剂

    采用三种材料复合使用,其中水玻璃硅酸钠、硅酸钾和火碱,含量分别为98%、98%和99%;硅酸钠和硅酸钾的模数分别为1.03,1.8,2.6三种工业用品;缓凝剂采用白糖、硝酸钡和苯酚自己复合配制的。

三、碱矿渣水泥技术参数

(一)强度

    碱矿渣水泥主要成分为矿渣粉、粉煤灰和激发剂。矿渣粉是碱矿渣水泥的主要成分,它具有很大的潜在反应活性,当细度超过400m2/kg时,能够在碱性激发剂的作用下,在表面形成许多硅酸根离子,它们与钙离子一起溶于水,由于离子的扩散速度不一,因此在达到一定的浓度后在矿渣粉表面会形成低富硅层或在附近形成低C/S比的CSH层,随着激发作用由表及里,CSH层剥离,向液相空间转移,促进了胶体的大量形成,为浆体叠合形成沸石类水化产物创造条件。
    粉煤灰的结构活性比矿渣要低一些,玻璃体也少,但在高的碱性环境中,粉煤灰可以产生稳定增长的后期强度,同时粉煤灰能改善混凝土施工性能和力学性能、减少混凝土需水量、避免混凝土拌合物的离析、泌水、改善工作性、减少坍落度损失;掺粉煤灰还可以减少碱矿渣水泥混凝土的自收缩和干燥收缩,提高混凝土后期强度增长率和抗化学侵蚀能力等。
    激发剂在碱矿渣水泥水化过程中的激发作用主要是破坏硅氧网络,使矿渣结晶体、玻璃体发生解体,参与水化反应。
    激发剂中的含水R2O•nSiO2水解后形成ROH和含水硅胶,含水硅胶结合溶液中的Ca2+与OH-形成CSH,溶液PH值变化反过来又促进外加剂进一步水解,从而形成有利于水泥强度的CSH凝胶体。
    缓凝剂则是通过无机盐离子对CSH胶体双电层的排斥和吸引控制水化反应速度,从而达到缓凝的目的。
    通过对碱矿渣水泥原材料的选择、缓凝剂的复配以及对碱矿渣水泥各项物理力学性能指标的测定,采用碱性矿渣磨细到400m2/kg,模数2.4的水玻璃,含量96%的工业产品火碱,经过调配后可以配制出高强碱矿渣水泥;采用白糖和硝酸钡复合的方法可以复配出完全满足泵送要求的碱矿渣水泥专用缓凝剂和流化剂,并且可以根据需求随时调整凝结时间。采用以上几种原材料,在常规的生产条件下,就可制备出满足泵送施工要求的碱矿渣水泥。碱矿渣水泥标准稠度用水量低,只有17%~21%,在测试其强度时应参考复合硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等的规定。强度检验按胶砂流动度在125mm~135mm时的水胶比加水试验。
表 4  不同碱度碱矿渣水泥
碱度 矿渣(%) 硅酸钠 (%) 火碱 (%) 初凝(min) 终凝(min) 强度(MPa)
抗压 抗折
7d 28d 7d 28d
0.79 90 5 5 48 96 36.5 50.1 8.8 9.7
0.85 90 5 5 47 90 42.7 58.3 8.9 11.2
0.90 90 5 5 45 92 41.9 53.7 8.7 11.7
1.00 90 5 5 49 97 52.5 63.4 9.3 11.5
1.02 90 5 5 48 95 60.7 79.6 9.6 11.0
1.15 90 5 5 48 90 59.5 85.4 9.2 11.5
1.20 90 5 5 47 90 82.5 95.0 9.9 11.7
 
由表4可知,当采用相同量的矿渣粉、激发剂时,对酸性矿渣粉的激发效果较差,对碱性矿渣的激发效果较好,其强度最大差将近一倍。因此,制作碱矿渣水泥宜采用M0≥1.0的碱性矿渣。对凝结时间而言,激发剂对矿渣的酸碱性影响不太大,对抗折强度的影响不大。

(二)凝结时间

    从现行商品混凝土施工的技术操作规程出发,碱矿渣水泥配制的泵送混凝土应当具备如下的特征才能更好的适应施工的需要:混凝土适当缓凝,以便有充足的时间来完成混凝土的搅拌、运输、浇筑、振实和抹面等施工工序;终凝要快以便尽可能早的开始混凝土工程的养护工作并为及早拆摸奠定基础;随后的硬化过程要快,使混凝土能尽早达到设计强度,以期工程提前投入使用。从高强碱矿渣水泥凝结硬化过程特征来说,对后两点要求可自动满足,关键是如何解决初凝过快的问,其强度还不能受影响,需要特制一种合适的化学外加剂,使它能与矿渣离子表层作用生成在碱性环境中较稳定的反应产物膜,以阻止矿渣粒子与碱组分反应过程的强烈进行,从而达到延缓初凝的目的。但随着碱-矿渣反应过程的进行,这种反应产物膜能被水泥的水化反应所破坏,而对随后的凝结硬化不产生显著的影响。为此,我们进行大量的探索和试验工作,经优选,我们认为现在建筑工地对施工用泵送混凝土的初凝时间一般为4h~6h,特别是在夏季施工时更要求比这长一些。因此,以实用考虑,BF的掺量宜控制在0.05%~0.10%之间,FQ的掺量宜控制在0.10%~0.15%之间;在冬期施工优选硝酸钡,在夏期施工优选苯酚。
表 5  碱矿渣水泥的凝结时间与强度
序号 缓凝剂(%) 初凝(h∶min) 终凝(h∶min) 强度(MPa)
抗压 抗折
7d 28d 7d 28d
1 0.00 0∶30 1∶30 75.4 89.8 9.1 11.5
2 苯酚0.05 3∶00 4∶30 43.2 72.1 8.5 10.3
3 苯酚0.10 5∶15 7∶20 38.5 69.7 7.6 9.8
4 苯酚0.15 7∶20 9∶25 40.2 63.5 9.0 11.2
5 硝酸钡0.10 3∶10 5∶05 59.4 82.1 9.7 11.3
6 硝酸钡0.15 4∶05 6∶10 54.3 81.2 9.6 10.7
    由表5数据可知,掺加苯酚缓凝剂对碱矿渣水泥7d强度降低较多,对28d强度有一定影响;掺加硝酸钡缓凝剂对7d强度有影响,对28d强度影响不大。因此,可以得出这样的结论:对碱矿渣水泥我们可以采用硝酸钡缓凝剂为缓凝成分配制混凝土,以便改善混凝土的缓凝效果和满足工程设计的要求。
 

四、碱矿渣混凝土的配制

    碱矿渣水泥混凝土具有早强、快硬、高耐久性的优点。为了充分利用这些优势,国内外许多专家都曾想致力于碱矿渣水泥混凝土的发展。但是由于碱矿渣水泥混凝土自身凝结时间过快,坍落度损失大,使之在近十年商品混凝土的发展中无法展现自身的优越性。特别是近几年高强、高性能混凝土在高层建筑中的应用,C80混凝土已经应用于建筑工程。在此基础上,国内外有许多专家都把配制C80以上的高性能混凝土作为新的研究课题。采用硅酸盐水泥,通过掺加硅灰和高效减水剂的办法,虽然能在特定条件下配制出100MPa的混凝土,但由于施工条件的限制,在现实的泵送过程中,这些需要特殊工艺控制的配制方案由于其复杂的技术要求,而不具备可操作性。在这种条件下,用常规的手段配制100MPa以上的混凝土就显得非常有价值、有意义。而碱矿渣水泥混凝土本身就具有很高的强度,在不使用任何特殊的技术措施时便可配制出100MPa以上的混凝土。因此,我们在此基础上将缓凝时间及流动性指标进行必要的技术措施处理后,只要这两项指标达到泵送混凝土的要求,那么完全在没有附加条件的情况下,可以配制C10~C100的的高性能碱矿渣水泥混凝土。

(一)混凝土拌合物技术要求

    (1)坍落度:190mm~230mm,4h~6h后保留值190mm~210mm;
    (2)容重:2400kg/m3~2500kg/m3
    (3)含气量:≤1%;
    (4)有效水胶比:0.15~0.35;
    (5)混凝土初凝时间:5h~8h。

(二)混凝土性能要求

    (1)立方体抗压强度在20MPa~160MPa之间;
    (2)抗冻性指标达到D100;
    (3)抗渗性指标P≥20;
    (4)钢筋无锈蚀;
    (5)混凝土收缩值小于普通混凝土标准要求

作者:朱效荣          
信息来源:混凝土第一视频网    
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