CN104478344B - 一种钢渣膨胀混凝土的制备方法 - Google Patents

一种钢渣膨胀混凝土的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢渣膨胀混凝土的制备方法，属于建筑材料技术领域。其采用普通硅酸盐水泥、细骨料(钢渣砂、黄砂)、粗骨料(粗钢渣、碎石)和水制备不同类型的膨胀混凝土。具体制备步骤是：根据正交试验优选出基本满足膨胀混凝土技术参数要求的7组样本；选择与膨胀混凝土膨胀率接近的样本类别，初步确定钢渣膨胀混凝土的配合比；计算钢渣膨胀混凝土抗压强度是否满足膨胀混凝土的设计要求，调整钢渣混凝土的水灰比；计算钢渣膨胀混凝土膨胀率是否满足膨胀混凝土的设计要求，调整钢渣膨胀混凝土中钢渣砂的平均粒径和取代量；然后配制、浇筑、养护钢渣膨胀混凝土。本发明的钢渣膨胀混凝土可调整混凝土的抗压强度和膨胀率，工程应用范围广泛。

Description

一种钢渣膨胀混凝土的制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种钢渣膨胀混凝土的制备方法，该膨胀混凝土适用于建筑工程、道路与桥梁工程及水利工程等结构。
背景技术
膨胀混凝土是一种特种混凝土，是膨胀水泥或膨胀剂通过水化作用生成硫铝酸钙水化物(钙钒石)而发生体积膨胀的混凝土。膨胀混凝土除具有补偿收缩和产生自应力功能外，还具有抗渗性强、早期快硬、后期强度高、耐硫酸盐性能好、低温硬化以及断面小、自重轻等特点。
膨胀混凝土的膨胀能来源主要有两种方式：一是在混凝土中掺入膨胀剂，膨胀剂的掺入仅有利于混凝土的早期膨胀，对混凝土的后期膨胀作用较小，且现有的膨胀剂存在着混凝土强度及耐久性发展与膨胀剂的膨胀速率不协调、实际掺量较大、膨胀剂使用条件和掺膨胀剂的混凝土的养护环境要求严格等缺点，致使在使用膨胀剂时出现许多不成功的例子。二是在配制混凝土时使用膨胀水泥，一方面膨胀水泥的使用具有一定的环境条件，限制其在工程中的广泛应用；另一方面，增加施工成本和难度，使混凝土的硬化和水化过程更加复杂，很难达到预期效果。
钢渣是炼钢时产生的一种工业废渣，它既具有一定的硬度和细度，又具有一定的活性。因此，可用钢渣代替混凝土中的粗骨料或细骨料，形成钢渣膨胀混凝土，不仅解决天然骨料的供需矛盾问题，降低工程造价，节约自然资源，又能保证混凝土的膨胀性能，具有显著的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明针对现有膨胀混凝土技术方法存在的缺点与不足，提供一种钢渣膨胀混凝土的制备方法。本发明充分利用钢渣的潜在活性，克服已有技术方法为产生膨胀而掺加膨胀剂或使用膨胀水泥的不足，不仅显著降低工程造价和施工难度，而且可使钢渣混凝土达到预期的膨胀效果。
本发明一种钢渣膨胀混凝土，其组分包括：水、粗骨料(碎石、粗钢渣)、细骨料(钢渣砂、黄砂)、水泥，本发明是利用钢渣(粗钢渣、钢渣砂)代替部分粗、细骨料，配制不同强度和膨胀率的钢渣混凝土。
上述钢渣膨胀混凝土的制备具体包括以下步骤：
(1)为满足不同类型膨胀混凝土的技术要求，本发明开展钢渣混凝土抗压强度和膨胀率的正交试验，从正交试验结果中优选出基本满足膨胀混凝土技术参数要求的7组钢渣混凝土配合比样本及其对应的膨胀率曲线；
(2)根据实际工程中膨胀混凝土具体的参数要求，从步骤(1)中的7组样本中选择与膨胀混凝土膨胀率接近的样本类别，初步确定钢渣膨胀混凝土的配合比；
(3)根据步骤(2)确定的钢渣混凝土配合比，依据下述公式(Ⅰ)可计算钢渣膨胀混凝土抗压强度是否满足膨胀混凝土的设计要求，如果钢渣膨胀混凝土抗压强度不满足膨胀混凝土的设计要求，则需要调整钢渣膨胀混凝土的水灰比，具体调整方法为钢渣膨胀混凝土的抗压强度每增加或减小1MPa，其水灰比减小或增大0.0025；
f cu = 1 21 ( 35.37 + 0.8315 · cos ( 75.4 · S ) + 5.942 · sin ( 75.4 · S ) ) + 6 21 ( - 3779 · W 3 + 5250 · W 2 - 2443 · W + 415.4 ) + 4 24 ( - 313.3 · F 3 + 529.5 · F 2 + 45.76 · F + 39.52 ) + 2 21 ( - 5.036 · D m 2 + 16.14 · D m + 26.7 ) + 3 24 ( 72.7 · C 3 - 117.7 · C 2 + 38.5 · C + 36.47 ) + 5 21 ( - 13.41 · D cm 3 + 46.92 · D cm 2 - 46.09 · D cm + 45.56 ) - - - ( I )
其中：fcu为钢渣混凝土的抗压强度；
S为砂率；
W为水灰比；
F为钢渣砂掺量百分比；
C为粗钢渣掺量百分比；
Dcm为粗钢渣平均粒径；
Dm为钢渣砂平均粒径；
(4)根据步骤(2)确定的钢渣混凝土配合比，依据下述公式(Ⅱ)可计算钢渣膨胀混凝土膨胀率是否满足膨胀混凝土的设计要求，如果钢渣膨胀混凝土膨胀率不满足膨胀混凝土的设计要求，则需要调整钢渣膨胀混凝土中钢渣砂的平均粒径和取代量，具体调整方法为每增大或减小0.01％膨胀率，钢渣砂掺量增大或减小25％，同时钢渣砂的平均粒径减小或增大0.11mm；
P = 3 21 ( - 0.1576 + 0.1561 · cos ( 108.6 · S ) - 1.153 · sin ( 108.6 · S ) ) + 4 21 ( 2063 · W 3 - 2829 · W 2 + 1261 · W - 183.1 ) + 6 21 ( 16.22 · F 3 - 29.17 · F 2 + 15.54 · F - 1.817 ) + 5 21 ( 10.66 · D m 3 - 30.15 · D m 2 + 20.98 · D m - 2.922 ) + 2 21 ( 2.711 · C 3 - 6.451 · C 2 + 3.783 · C - 0.1558 ) + 1 21 ( 10.995 · D cm 3 - 2.408 · D cm 2 + 1.151 · D cm + 0.0907 ) - - - ( II )
其中：P为钢渣混凝土的膨胀率，其余参数同公式(Ⅰ)；
(5)将步骤(1)～(4)计算确定最终配合比的钢渣混凝土各组分放入混凝土搅拌机中预先搅拌60～70秒；
(6)将水均匀倒入步骤(5)处理后的钢渣混凝土中进行充分搅拌，量测钢渣混凝土的塌落度，增加一定的附加用水量，所需的附加用水量为50～100kg/m3，使其满足钢渣膨胀混凝土的浇筑要求。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)钢渣是炼钢过程中产生的一种工业废渣，利用钢渣取代混凝土中的粗、细骨料，不仅可以节约天然骨料，避免环境和自然资源遭受破坏，而且可以解决固体废弃物的处置等问题。
(2)钢渣(粗钢渣、钢渣砂)具有一定的吸水率，一方面可以降低钢渣混凝土水化产物的自收缩，另一方面可以在水化过程中水分消耗到一定程度后释放一部分水分以利于钢渣中游离CaO后期的水化，充分利用钢渣的膨胀性能。
(3)本发明的钢渣膨胀混凝土，通过调整粗钢渣和钢渣砂的级配及掺量，可控制钢渣混凝土的膨胀率，配制的钢渣膨胀混凝土可适用于不同膨胀率要求的工程结构，应用范围广泛。
(4)本发明克服现有混凝土膨胀技术方法存在的缺点与不足，不需要向混凝土中添加膨胀剂或使用膨胀水泥，显著降低工程造价和施工难度，综合经济和社会效益显著。
附图说明
图1为样本1钢渣混凝土膨胀率曲线。
图2为样本2钢渣混凝土膨胀率曲线。
图3为样本3钢渣混凝土膨胀率曲线。
图4为样本4钢渣混凝土膨胀率曲线。
图5为样本5钢渣混凝土膨胀率曲线。
图6为样本6钢渣混凝土膨胀率曲线。
图7为样本7钢渣混凝土膨胀率曲线。
具体实施方式
下面结合钢渣膨胀混凝土具体实例对本发明进行详细说明。
钢渣是一种工业废料，本发明选用钢渣为马钢钢渣，采用X射线荧光光谱分析(XRF)测得钢渣的化学成分如表1所示，从表1中可以看出，钢渣的化学成分与水泥相似，具有一定的水硬活性，钢渣中含有CaO等活性成分，是钢渣混凝土产生的膨胀的主要因素。本发明中钢渣砂的粒径范围为0.15～4.75mm，表观密度为3590kg/m3，含水率为2.6～4.39％，细度模数控制在2.7～3.0之间，属于中砂Ⅱ区。粗钢渣粒径为4.75～9.5mm的单一级配粗骨料，表观密度为3600kg/m3，含水率为0.5～1％。
水泥是钢渣混凝土的胶凝材料和钢渣活性的激发剂，本发明采用马鞍山海螺牌普通硅酸盐水泥，标号为42.5。
碎石为本发明中的粗骨料，本发明选用5～31.5mm连续级配区间粒径的碎石，其中4.75～16mm占20％，16～31.5mm碎石占80％，碎石的表观密度为2690kg/m3。
黄砂为本发明中的部分细骨料，本发明选用的黄砂的平均粒径为0.35～0.50mm，细度模数控制在2.3～2.7，表观密度为2630kg/m3，含水率为2.6％，属于中砂Ⅱ区。
水主要用于钢渣膨胀混凝土的拌合和养护，水中不得含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，凡是能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制和养护钢渣混凝土。
在确定钢渣膨胀混凝土各材料特性的基础上，按照钢渣膨胀混凝土制备方法中的步骤(1)，根据钢渣混凝土抗压强度和膨胀率的正交试验，初步确定基本满足膨胀混凝土技术参数要求的7组钢渣混凝土配合比样本(如表2所示)；根据自应力混凝土(自由膨胀率低于3.0×10-4，膨胀率稳定期大于28d，且混凝土28d抗压强度大于10MPa，《自应力硅酸盐水泥》(JC/T218-1995))和补偿收缩混凝土(14d时限制膨胀率大于1.5×10-4，混凝土28d抗压强度大于25MPa，《补偿收缩混凝土应用技术规范》(JGJ/T178-2009))具体的参数要求，根据步骤(2)，确定钢渣膨胀混凝土配合比按样本1试配；将样本1中各组分的数据代入步骤(3)中钢渣膨胀混凝土抗压强度的计算公式Ⅰ，确定钢渣膨胀混凝土的抗压强度为26.1MPa，满足自应力混凝土和补偿收缩混凝土的强度要求；将样本1中各组分的数据代入步骤(4)中钢渣膨胀混凝土膨胀率的计算公式Ⅱ，确定钢渣膨胀混凝土28d的自由膨胀率为2.3×10-4，满足自应力混凝土膨胀率要求，14d限制膨胀率为2.5×10-4，满足补偿收缩混凝土膨胀率要求；将步骤(1)～(4)最终确定的钢渣膨胀混凝土组成成份水：水泥：细骨料：粗骨料的配比为0.38:1:1.25:1.84，将水泥、细骨料和粗骨料按照步骤(5)进行充分搅拌；按照步骤(6)配制钢渣膨胀混凝土，根据钢渣膨胀混凝土的和易性，确定附加用水量为60kg/m3，测得钢渣膨胀混凝土塌落度为380mm，满足钢渣膨胀混凝土的浇筑要求。
表1钢渣的化学成分(％)
名称 CaO Fe2O3 SiO2 MgO P2O5 MnO Al2O3 TiO2 V2O5 SO3
钢渣 52.71 19.53 12.97 4.31 2.57 2.21 2.12 1.59 1.04 0.308
标准差 0.25 0.20 0.17 0.10 0.08 0.07 0.07 0.06 0.05 0.015
表2正交试验得出的七组最佳配合比
注：**表示钢渣砂取代粒径为0.15～0.3(75％)+0.3～0.6(25％)。

Claims (1)

1.一种钢渣膨胀混凝土的制备方法，该钢渣膨胀混凝土包括水、粗骨料、细骨料以及水泥，所述粗骨料由碎石和粗钢渣组成，所述细骨料由钢渣砂和黄砂组成，其制备方法包括以下步骤：
(1)为满足不同类型膨胀混凝土的技术要求，开展钢渣混凝土抗压强度和膨胀率的正交试验，从正交试验结果中优选出基本满足膨胀混凝土技术参数要求的7组钢渣混凝土配合比样本及其对应的膨胀率曲线；
(2)根据实际工程中膨胀混凝土具体的参数要求，从步骤(1)中的7组样本中选择与膨胀混凝土膨胀率接近的样本类别，初步确定钢渣膨胀混凝土的配合比；
(3)根据步骤(2)确定的钢渣混凝土配合比，依据公式(Ⅰ)计算钢渣膨胀混凝土抗压强度是否满足膨胀混凝土的设计要求，如果钢渣膨胀混凝土抗压强度不满足膨胀混凝土的设计要求，则需要调整钢渣膨胀混凝土的水灰比，具体调整方法为钢渣膨胀混凝土的抗压强度每增加或减小1MPa，其水灰比减小或增大0.0025；
f c u = 1 21 ( 35.37 + 0.8315 · cos ( 75.4 · S ) + 5.942 · sin ( 75.4 · S ) ) + 6 21 ( - 3779 · W 3 + 5250 · W 2 - 2443 · W + 415.4 ) + 4 21 ( - 313.3 · F 3 + 529.5 · F 2 + 45.76 · F + 39.52 ) + 2 21 ( - 5.036 · D m 2 + 16.14 · D m + 26.7 ) + 3 21 ( 72.7 · C 3 - 117.7 · C 2 + 38.5 · C + 36.47 ) + 5 21 ( - 13.41 · D c m 3 + 46.92 · D c m 2 - 46.09 · D c m + 45.56 ) - - - ( I )
其中：fcu为钢渣混凝土的抗压强度；
S为砂率；
W为水灰比；
F为钢渣砂掺量百分比；
C为粗钢渣掺量百分比；
Dcm为粗钢渣平均粒径；
Dm为钢渣砂平均粒径；
(4)根据步骤(2)确定的钢渣混凝土配合比，依据公式(Ⅱ)计算钢渣膨胀混凝土膨胀率是否满足膨胀混凝土的设计要求，如果钢渣膨胀混凝土膨胀率不满足膨胀混凝土的设计要求，则需要调整钢渣膨胀混凝土中钢渣砂的平均粒径和取代量，具体调整方法为每增大或减小0.01％膨胀率，钢渣砂掺量增大或减小25％，同时钢渣砂的平均粒径减小或增大0.11mm；
P = 3 21 ( - 0.1576 + 0.1561 · cos ( 108.6 · S ) - 1.153 · sin ( 108.6 · S ) ) + 4 21 ( 2063 · W 3 - 2829 · W 2 + 1261 · W - 183.1 ) + 6 21 ( 16.22 · F 3 - 29.17 · F 2 + 15.54 · F - 1.817 ) + 5 21 ( 10.66 · D m 3 - 30.15 · D m 2 + 20.98 · D m - 2.922 ) + 2 21 ( 2.711 · C 3 - 6.451 · C 2 + 3.783 · C - 0.1558 ) + 1 21 ( 10.995 · D c m 3 - 2.408 · D c m 2 + 1.151 · D c m + 0.0907 ) - - - ( I I )
其中：P为钢渣混凝土的膨胀率，其余参数同公式(Ⅰ)；
(5)将步骤(1)～(4)计算确定的水泥、细骨料以及粗骨料放入混凝土搅拌机中预先搅拌60～70秒；
(6)将水均匀倒入步骤(5)处理后的钢渣混凝土中进行充分搅拌，量测钢渣混凝土的塌落度，增加一定的附加用水量，所需的附加用水量为50～100kg/m3，使其满足钢渣膨胀混凝土的浇筑要求。
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