摻磁選尾渣自密實混凝土工作性能試驗研究

江 鑫,潘志宏,司 啟,馬 劍,孫 杰,董超超

(江蘇科技大學 土木工程與建筑學院, 鎮(zhèn)江 212000)

將鋼渣作為建筑材料摻入混凝土中,不僅可以大量、有效地利用鋼渣,變廢為寶,而且降低了對自然資源的開采,減少污染,更符合綠色高性能混凝土的概念[1-2],具有廣闊的應(yīng)用前景．與天然細骨料相比,鋼渣顆粒表面粗糙,不規(guī)則,且吸水率大,吸水速度快,對混凝土的工作性能產(chǎn)生不良影響[3]．文獻[4-5]認為將鋼渣作為細骨料摻入混凝土中可以提高其坍落度,但鋼渣偏細、棱角等將會對混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響；文獻[6]研究發(fā)現(xiàn)將鋼渣混凝土的初始坍落度較小,后期經(jīng)時損失較大．因此,將鋼渣應(yīng)用于自密實混凝土中,其填充性、抗離析性及間隙通過性是否滿足要求是一個不容忽視的問題．

同時,在骨料選定時,混凝土拌合物是否均質(zhì),關(guān)鍵是如何處理砂漿體黏度及骨料與砂漿體之間的體積比等問題．因而,需要向拌合物中加入超塑化劑、改變砂漿稠度及骨料與砂漿的體積比等方式,改變拌合物的屈服應(yīng)力τ0和塑性黏度k,使其具有良好的工作性能．

文中在現(xiàn)有的鋼渣混凝土、自密實混凝土研究成果的基礎(chǔ)上,研究了砂漿稠度對自密實混凝土工作性能的影響,并在保證砂漿性能良好的基礎(chǔ)上探究了磁選尾渣摻量對摻磁選尾渣自密實混凝土工作性能的影響．

1 試驗材料

(1) 水泥:海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,其表觀密度為3.02 g/cm3．

(2) 粉煤灰:I級粉煤灰,其密度為2.42 g/cm3．

(3) 細骨料:天然河砂,細度模數(shù)為2.7,中砂,II類級配區(qū),其表觀密度為2.53 g/cm3,堆積密度為1.50 g/cm3．

(4) 磁選尾渣:江蘇省沙鋼集團的除鐵鋼渣,俗稱“黑頭”,面干呈灰白色,吸水后顯黑色,試驗用磁選尾渣經(jīng)磁選、球磨后并陳放6個月;根據(jù)《建筑用砂》(GBT 14684-2011)[7]測試其物理性質(zhì)得:細度模數(shù)為3.1,粗砂類,I類級配區(qū),表觀密度為3.53 g/cm3,堆積密度為1.79 g/cm3,吸水率為3.21%．

(5) 粗骨料:5～20 mm連續(xù)級配碎石,其表觀密度為2.82 g/cm3,表觀密度為1.54 g/cm3．

(6) 外加劑:TOJ800-10粉狀聚羧酸高效減水劑．

(7) 拌合水:普通自來水．

2 試驗方法與性能評價標準

2.1 流變學理論

根據(jù)流變學理論,流體的流變行為可以用Herschel—Bulkley流變方程來描述．其流變方程為τ=τ0+k·γn，式中：τ為剪切應(yīng)力，τ0為屈服應(yīng)力，γ為剪切速率，k為塑性黏度,n為與流體有關(guān)的指數(shù)．新拌混凝土屬于Bingham流體[8],最近研究表明,大流動性的自密實混凝土拌合物表現(xiàn)為剪切稠化行為(n>1)[9],剪切應(yīng)力τ與剪切速率γ之間的曲線不再是直線,塑性黏度k隨著剪切應(yīng)力τ與剪切速率γ而發(fā)生變化．

當τ≥τ0時,混凝土拌合物開始流動,同時k表示黏度,阻止混凝土拌合物的流動,k越小,混凝土流動速度越快,但低于一定范圍時,混凝土的黏聚性和保水性降低,工作性能降低．

為獲得高流動性而又不離析的拌合物,在一定范圍內(nèi),應(yīng)當減小屈服應(yīng)力τ0,增加塑性黏度k．從配合比上考慮,可以改變原材料及用量,從而改變材料的表面張力和粒徑分布,使τ0在適合范圍內(nèi),同時又具備足夠的塑性黏度k,進而使骨料懸浮在槳體中,不出現(xiàn)離析和泌水的問題．拌合物依靠自身重力流淌,充分填充模板,形成均勻、致密的結(jié)構(gòu)[10]．

2.2 摻磁選尾渣自密實混凝土配合比設(shè)計

本試驗參照《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJT 283—2012)[11]和文獻[12]進行混凝土配合比設(shè)計．由于粉煤灰的微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)可以改善混凝土拌合物的流動性及和易性,同時還增加了拌合物的保水性和均勻性[13]．故在粉煤灰摻量為20%時,研究磁選尾渣摻量(替代細骨料)(0、25%、50%、75%和100%)、砂漿稠度(0.40、0.45和0.45)及減水劑用量(膠凝材料的0.2%、0.25%、0.3%和0.35%)對C40級自密實混凝土工作性能的影響及敏感性研究．設(shè)計時,需要考慮附加用水量,附加用水量由磁選尾渣吸水率確定．試驗配合比見表1．

表1 摻磁選尾渣自密實混凝土配合比Table 1 Mix proportion of self-compacting concrete with steel slag kg·m-3

2.3 性能評價標準

對于自密實混凝土的工作性能,主要用填充性、間隙通過性和抗離析性3個指標綜合評價．依據(jù)《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》(CCES 02—2004)[14]和《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJT 283—2012)[11],本試驗進行了坍落擴展度、T500、J環(huán)及離析率筒試驗,用以測試新拌混凝土拌合物的工作性能,評價標準見表2．每次測試摻磁選尾渣自密實混凝土的性能時,用強制式攪拌機制備20L的拌合物．

表2 自密實混凝土工作性能評價標準Table 2 Acceptance criteria for SCC

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 減水劑的影響

減水劑的最優(yōu)摻量與拌合物的骨料體積含量、砂率以及漿體的組成密切相關(guān)．文獻[15]研究了混凝土拌合物在不同骨料與膠凝材料體積比的條件下,減水劑摻量對混凝土拌合物性能的影響,結(jié)果表明,隨著減水劑摻量的增加,拌合物的性能基本都呈現(xiàn)增加的趨勢,但各自所需的減水劑摻量明顯不同．

表3和圖1、2給出了減水劑摻量對混凝土拌合物工作性能影響的測試結(jié)果．結(jié)果表明,聚羧酸減水劑摻量對摻磁選尾渣自密實混凝土拌合物的工作性能的影響顯著．隨著減水劑的加入,減水劑的吸附分散及潤滑效應(yīng)使得被粉體顆粒束縛的水釋放出來,增加了拌合物中的自由水含量,從而降低了屈服應(yīng)力τ0和塑性黏度k,故而混凝土的工作性能得到改善．當聚羧酸減水劑摻量為膠凝材料的0.30%,拌合物的坍落擴展度為690 mm,J環(huán)擴展度為660 mm,T500流動時間為2.91 s,坍落擴展度與J環(huán)擴展度之差PA為30 mm,此時摻磁選尾渣自密實混凝土的工作性能最好,說明減水劑摻量達到拌合物的飽和點摻量,此時混凝土的塑性黏度k為臨界值．但隨著聚羧酸減水劑摻量的繼續(xù)提高，τ0、k繼續(xù)下降,雖然τ0的降低可以提高混凝土的流動性,但當k低于臨界值時,混凝土拌合物開始出現(xiàn)泌水、底層板結(jié)現(xiàn)象．在聚羧酸減水劑摻量為0.35%時,雖然拌合物流動速度加快,T500流動時間縮短至1.57 s,但坍落擴展度降至660 mm,坍落擴展度與J環(huán)擴展度之差PA增加到35 mm,混凝土拌合物的工作性能下降．

表3 減水劑摻量對混凝土工作性能的影響Table 3 Effect of fresh concrete with different superplasticizer dosage

圖1 減水劑摻量對拌合物擴展度的影響結(jié)果Fig.1 Slump flow of mixture at different superplasticizer dosage

圖2 減水劑摻量對拌合物T500流動時間、 PA的影響結(jié)果Fig.2 T500 flow time and PA of mixture at different superplasticizer dosage

3.2 砂漿稠度Vs/Vm的影響

砂漿稠度可以表征砂漿的流動和變形能力,因此,砂漿稠度對自密實混凝土拌合物工作性能具有重要影響．為研究砂漿稠度對摻磁選尾渣自密實混凝土工作性能的影響,文中研究砂漿稠度Vs/Vm為0.40、0.45和0.50時對新拌混凝土工作性能的影響(表4)．

表4 不同砂漿稠度Vs/Vm時的拌合物的性能的測試結(jié)果Table 4 Results of fresh concrete with different mortar consistency

由表4和圖3、4可知,當砂漿稠度從0.40提高到0.45時,坍落擴展度從670 mm增加到690 mm,坍落擴展度與J環(huán)擴展度之差PA由45 mm降至30 mm,T500流動時間從8.66 s縮短至2.91 s,離析率從10.63%減小至4.11%．隨著砂漿稠度的增加,砂含量增加,骨料間距系數(shù)降低,自密實混凝土的τ0、k逐漸降低,使其流動性增加,保水性和黏聚性得到改善．當砂漿稠度繼續(xù)提升到0.50時,坍落擴展度下降到565 mm,坍落擴展度與J環(huán)擴展度之差PA增加至50 mm,T500流動時間延緩至11.85 s,離析率進一步降至1.54%．當砂漿稠度過大時,砂子含量增多,砂之間的漿體厚度變薄,使得砂漿中砂和砂之間的潤滑作用效應(yīng)減弱,τ0和k反而增大,故而使混凝土拌合物的流動性能降低,間隙通過性變差,抗離析性增強．在試驗范圍內(nèi),當砂漿稠度為0.45時,新拌混凝土的工作性能最好,此時的τ0和k為最優(yōu)值．

圖3 不同砂漿稠度Vs/Vm時的拌合物的擴展度、 T500流動時間Fig.3 Slump flow and T500 flow time of mixture at different mortar consistency

圖4 不同砂漿稠度Vs/Vm時的拌合物的PA及離析率Fig.4 Segregation rate and PA of mixture at different mortar consistency

3.3 磁選尾渣摻量的影響

依據(jù)《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJT 283—2012)[11],由表5可知,磁選尾渣摻量低于75%時的新拌混凝土的坍落擴展度為675～710 mm,等級為SF2;T500流動時間均在2 s以上,等級為VS1;間隙通過性的等級為PA1和PA2．當磁選尾渣摻量為100%時,坍落擴展度等級為SF1,T500流動時間等級為VS1,間隙通過性不符合要求,抗離析等級為SR2．

表5 不同磁選尾渣摻量時的拌合物的性能的測試結(jié)果Table 5 Results of fresh concrete with different replacement

由圖5和圖6可知隨著磁選尾渣摻量的增加,坍落擴展度降低,磁選尾渣摻量在75%以內(nèi)時,坍落擴展度相比于基準混凝土下降緩慢,維持在基準混凝土的95%以上;在磁選尾渣摻量為25%時,新拌混凝土的T500流動時間最快,但隨著摻量的增加,T500流動速度明顯減慢,當摻量增大至75%時,T500流動時間為3.2 s,仍低于基準混凝土;而坍落擴展度與J環(huán)擴展度之差PA隨著摻量增加一直增大,很明顯,摻磁選尾渣的新拌混凝土的間隙通過性明顯弱于基準混凝土,但在摻量為75%以內(nèi)時,基本處于PA1級別;離析率隨著磁選尾渣的摻入先降低,在摻量為50%時,離析率最低為4.12%,之后隨著摻入量的增加而不斷增大．同時值得注意的是,磁選尾渣摻量過大時,新拌混凝土出現(xiàn)略微泌水．

圖5 不同磁選尾渣替代率下的坍落擴展度、 T500流動時間Fig.5 Slump flow and T500 flow time of mixture at different replacement

這是因為：(1) 磁選尾渣顆粒較大且表面不規(guī)則,使得摻磁選尾渣混凝土的屈服應(yīng)力τ0增大,并隨著摻量的增加而增大,但由于磁選尾渣吸水率大,形狀不規(guī)則,比表面積小,使得新拌混凝土的砂漿滑膜層和塑性黏度k發(fā)生改變,從而使得混凝土的保水性和黏聚性降低．(2) 又因為磁選尾渣的早期活性比較低,水化程度低,摻磁選尾渣的混凝土屈服應(yīng)力τ0降低,同時降低了塑性黏度k,改善了混凝土的工作性能．

4 結(jié)論

(1) 磁選尾渣未經(jīng)篩分處理,就可以制備滿足工作性能要求的自密實混凝土．混凝土拌合物在磁選尾渣摻量為50%時的工作性能表現(xiàn)最好,同時當磁選尾渣摻量為75%,此時拌合物的工作性仍能滿足規(guī)范和設(shè)計要求．

(2) 減水劑摻量能明顯改善混凝土拌合物的工作性能,但過多、過少都會對混凝土拌合物的性能產(chǎn)生不利影響,當聚羧酸減水劑的摻量為0.30%,混凝土拌合物工作性能改善明顯．

(3) 在一定范圍內(nèi),隨著砂漿稠度Vs/Vm的增加,混凝土拌合物的工作性能有一定改善．砂漿稠度過大、過小時,拌合物會產(chǎn)生流動性能、間隙通過性降低和泌水等問題,使拌合物的工作性能不良．當砂漿稠度為0.45時,混凝土拌合物的工作性能改善較明顯．