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      基于正交試驗的鋼渣混凝土坍落度及其損失研究

      2023-07-18 08:56:33梁胡李瑞嬌韋忠海藍天助
      西部交通科技 2023年4期

      梁胡 李瑞嬌 韋忠海 藍天助

      摘要:為了提高鋼渣在混凝土中的利用率,文章以鋼渣混凝土坍落度研究為目標,以鋼渣粉摻量、鋼渣細集料摻量、鋼渣粗集料摻量為影響因子,采用L16(45)正交表,開展了鋼渣混凝土工作性能試驗研究。結(jié)果表明:影響鋼渣混凝土的坍落度因素排序為:鋼渣細集料摻量>鋼渣粉摻量>鋼渣粗集料摻量;單因素分析進一步表明,當鋼渣粉摻量較小時,摻一定量的鋼渣粉,可以提高混凝土的流動性,但隨著鋼渣粉摻入量的進一步加大,鋼渣混凝土坍落度降低;鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料及鋼渣粗集料摻量的增大而減小,且在一定時間后,鋼渣細集料及鋼渣粗集料的摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

      關(guān)鍵詞:鋼渣混凝土;鋼渣粗集料;鋼渣細集料;鋼渣粉;坍落度

      中圖分類號:U416.03A020054

      0引言

      隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展,我國對混凝土的需求量逐年增加[1],每年需要消耗大量的砂石及水泥。砂石開采在一定程度上會破壞自然環(huán)境,而生產(chǎn)水泥成本較高,因此,尋求新的資源替代傳統(tǒng)砂石及水泥,降低混凝土生產(chǎn)成本,是21世紀的重要課題方向之一。

      目前對鋼渣替代水泥及砂石制作鋼渣混凝土方面的研究也較多,張忠哲等[2]開展了鋼渣細集料替代部分細集料的C60混凝土強度及耐久性試驗研究,得出了鋼渣混合集料混凝土加入鋼渣粉和粉煤灰的最優(yōu)比例;張浩等[3]開展了采用不同生產(chǎn)工藝的鋼渣取代礦粉、細集料及粗集料的混凝土試驗研究,分析了不同取代率對混凝土強度的影響,并得出了最優(yōu)的取代比例。綜上所述,現(xiàn)有研究表明,在合理配合比條件下,鋼渣可以取代部分水泥及傳統(tǒng)砂石材料制作強度及耐久性優(yōu)良的混凝土。然而,混凝土除了滿足強度及耐久性要求外,還需具備良好的工作性能,現(xiàn)階段缺乏對鋼渣替代傳統(tǒng)材料后工作性能的研究,因此,為了研究鋼渣替代鋼渣粉及傳統(tǒng)砂石后工作性能的變化規(guī)律,并進一步優(yōu)化鋼渣混凝土配合比設(shè)計,本文以鋼渣混凝土的坍落度為研究目標,開展了不同影響因素下的鋼渣混凝土工作性能試驗研究,為鋼渣在混凝土中的進一步利用及優(yōu)化提供參考。

      1原材料

      1.1粗集料

      1.1.1普通碎石

      普通碎石粗集料采用石灰?guī)r碎石,集料粒徑主要集中在9.5~19 mm,<4.75 mm顆粒含量為0.6%,可忽略不計。其他物理力學指標良好,滿足混凝土用碎石[4]的要求。

      1.1.2鋼渣粗集料

      試驗采用防城港市某鋼廠陳化12個月的鋼渣,該鋼廠鋼渣為轉(zhuǎn)爐鋼渣,其主要化學成分為CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Mn、Al2O3、P2O5,占據(jù)了鋼渣總成分含量的97.34%。

      為了減少兩種粗集料級配差異對混凝土試驗結(jié)果的影響,試驗對鋼渣粗集料進行了篩分,篩分后的鋼渣粗集料各篩孔累計篩余與普通碎石相同。

      根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)[5],測定鋼渣粗、細集料吸水特性如下頁圖1所示。由圖1可知,鋼渣粗集料吸水率隨時間的增大而增大,且在一定時間后趨于穩(wěn)定,24 h后,鋼渣粗集料的吸水率為2.9%,比普通碎石吸水率大。

      鋼渣粗集料物理力學指標如表2所示。鋼渣粗集料堅固性良好,其壓碎值及針片狀顆粒含量滿足混凝土用粗集料的要求,但鋼渣粗集料的表觀密度及松散堆積密度較大,且鋼渣粗集料比普通碎石重量大。

      1.2細集料

      1.2.1河砂

      試驗采用的河砂來源于廣西北海合浦縣,該河砂含泥量少,顆粒呈渾圓狀,壓碎值低,砂整體質(zhì)量良好,級配良好,細度模數(shù)為2.67,屬于中砂。

      1.2.2鋼渣細集料

      試驗用鋼渣細集料種類與鋼渣粗集料相同,為防城港鋼廠陳化12個月的轉(zhuǎn)爐鋼渣。鋼渣細集料的基本指標如表3所示。該鋼渣細集料質(zhì)地堅硬,物理力學性質(zhì)良好,但表觀密度及堆積密度比河砂大。由圖1鋼渣細集料吸水特性曲線可知,鋼渣細集料吸水率隨時間的變化規(guī)律與粗集料類似,其吸水率隨時間的增大而增大,且在一定時間后趨于穩(wěn)定,24 h后,鋼渣細集料的吸水率為3.03%,比河砂吸水率大。

      1.3膠凝材料

      1.3.1水泥

      試驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥,該水泥7 d抗壓強度為42MPa,28 d抗壓強度為49MPa,凝結(jié)時間滿足混凝土用水泥標準[6],煮沸法安定性合格。

      1.3.2鋼渣粉

      試驗所采用的鋼渣粉是由防城港鋼廠生產(chǎn)的鋼渣集料經(jīng)過磨細等工藝加工而成,各項指標滿足《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》(GB/T 20491-2017)[7]規(guī)范使用要求。

      1.4減水劑

      采用南寧市雨潤建材化工有限公司的高效緩凝型減水劑,呈黃褐色,pH值為7.1,建議摻量為1%~2%,減水率為20%~27%。不同摻量下減水效果不同,摻量為1.5%時,減水率為25%。

      2鋼渣混凝土坍落度試驗

      為了科學有效地選擇多種因素進行試驗,本次研究選用四水平五因素正交表設(shè)計正交試驗,通過正交試驗,可大大減少試驗次數(shù)。本次正交試驗選擇鋼渣粉摻量(A)、鋼渣細集料摻量(B)、鋼渣粗集料摻量(C)為正交試驗影響因子,其中鋼渣粉摻量為質(zhì)量比摻量,鋼渣細集料摻量、鋼渣粗集料摻量為體積比摻量。選用L16(45)正交表[8],各因素水平如表4所示。各因子水平數(shù)為4,共16組試驗,各組試驗在不同影響因素下的水平安排列表如表5所示。

      不同鋼渣摻量的混凝土按普通混凝土配合比設(shè)計方法[9]設(shè)計。本次試驗設(shè)計C30鋼渣混凝土,由普通混凝土配制強度經(jīng)驗公式計算得配制強度為38MPa,水灰比根據(jù)碎石混凝土強度經(jīng)驗公式計算確定,計算得鋼渣混凝土水灰比為0.53,鋼渣混凝土坍落度按180 mm考慮,減水劑采用1.5%的最佳摻量,考慮減水劑后用水量為170 kg。由于鋼渣混凝土原材料的表觀密度存在差異,混凝土砂率采用細集料體積與粗細集料體積之比,鋼渣混凝土砂率采用37%。按絕對體積法計算公式,得出16組不同鋼渣混凝土配合比數(shù)據(jù)如表6所示。

      根據(jù)表6混凝土配合比配料,配制30 L的鋼渣混凝土,按比例稱重后投入混凝土拌鍋,測量鋼渣混凝土0 min、40 min、80 min、120 min、160 min的混凝土坍落度,并觀察保水性。

      3試驗結(jié)果及分析

      3.1不同影響因素及其水平下的鋼渣混凝土坍落度

      通過上述試驗,不同影響因素及其水平下的16種鋼渣混凝土0 min、40 min、80 min、120 min、160 min的坍落度如表7所示。由表7可知,剛出鍋的鋼渣混凝土坍落度最大,0 min混凝土坍落度最大值為217 mm,最小值為167 mm,且剛出鍋時,除了第3組、第4組、第7組、第8組、第12組混凝土有輕微泌水外,其余組的鋼渣混凝土保水性良好,各組混凝土工作性能滿足泵送要求。40 min后,鋼渣混凝土坍落度有所降低,混凝土坍落度最大值為194 mm,最小值為111 mm,各組混凝土保水性良好。由此可見,經(jīng)過一定時間后,不同鋼渣摻量的混凝土坍落度損失相差較大,部分鋼渣混凝土已無法滿足泵送混凝土工作性的要求。經(jīng)過160 min后,各組混凝土坍落度都較小,混凝土坍落度最大值為35 min,最小值為10 min,部分混凝土已不再具有流動性。

      表8為不同時間下各影響因素對鋼渣混凝土坍落度影響的極差分析表。分析顯示,三個因子對0 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為:鋼渣粗集料摻量>鋼渣細集料摻量>鋼渣粉摻量;對40 min、80 min、120 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為:鋼渣細集料摻量>鋼渣粗集料摻量>鋼渣粉摻量;對160 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為:鋼渣細集料摻量>鋼渣粉摻量>鋼渣粗集料摻量。

      3.2不同因素對鋼渣混凝土坍落度的影響

      3.2.1鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

      鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粉摻量變化曲線如下頁圖2所示。由圖2可知,0 min時鋼渣混凝土的坍落度隨鋼渣粉的摻量的增加先增大后減小,當鋼渣粉摻量較小時,摻一定量的鋼渣粉與水泥混合,可以改善膠凝材料的顆粒級配。級配良好的膠凝材料可以改善混凝土的泌水性,從而提高混凝土的流動性,但隨著鋼渣粉摻量的進一步增大,鋼渣混凝土的流動性會降低。由于鋼渣粉需水量比水泥大,在用水量一定的情況下,隨著鋼渣粉摻量的增加,混凝土中的自由水減少,導致鋼渣混凝土坍落度值減小。分析顯示,當鋼渣粉摻量為15%時,0 min鋼渣混凝土坍落度值最佳。

      40 min、80 min、120 min后的鋼渣混凝土坍落度值隨鋼渣粉摻量的變化規(guī)律大致相同,即一段時間后,鋼渣混凝土的坍落度隨著鋼渣粉摻量的增大而增大,且當鋼渣混凝土的模擬運輸時間較大時,鋼渣混凝土坍落度值很小,鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土的流動性影響較小。當鋼渣混凝土拌和完成后,在運輸過程中,膠凝材料會逐漸發(fā)生水化反應(yīng)。隨著膠凝材料水化反應(yīng)的進行,消耗了一定的水,且水化反應(yīng)會產(chǎn)生大量的水化熱,導致水分蒸發(fā),使混凝土中的自由水減少,混凝土流動性降低。與水泥相比,鋼渣粉活性較低,其水化反應(yīng)速度比水泥慢,所以,鋼渣粉有利于減少鋼渣混凝土的坍落度損失。

      3.2.2鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

      鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量變化曲線如圖3所示。由圖3可知,鋼渣細集料摻量對混凝土坍落度有一定的影響,總體而言,鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的增大而減小。鋼渣表面粗糙、孔隙多,濕潤鋼渣細集料的用水量比普通砂大,且鋼渣細集料棱角比普通砂更明顯,所以,在用水量一定的條件下,鋼渣細集料的摻量越大,0 min鋼渣混凝土坍落度減小。40 min、80 min鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量變化的平均斜率比0min鋼渣混凝土坍落度大,主要是因為鋼渣細集料的吸水率隨時間的增大而增大。鋼渣特性研究顯示,0~80 min鋼渣細集料吸水率增長較快。將鋼渣細集料摻入混凝土中后,鋼渣細集料會吸收混凝土中的自由水,導致鋼渣混凝土坍落度降低。但隨著時間延長,鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響逐漸減小,曲線顯示160min后的鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的曲線趨于平緩。主要是因為到一定時間后,鋼渣混凝土中的自由水較少,鋼砂吸水逐漸減弱,所以,鋼渣細集料摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

      3.2.3鋼渣粗集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

      鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量變化曲線如圖4所示。由圖4可知,鋼渣粗集料摻量對混凝土坍落度有一定的影響,其影響規(guī)律與鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響類似??傮w而言,鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量的增大而減小。其原因與鋼渣細集料類似,即鋼渣粗集料表面粗糙、孔隙多,濕潤鋼渣粗集料的用水量比普通碎石大,所以,在用水量一定的條件下,鋼渣粗集料摻量越大,0 min鋼渣混凝土坍落度越小。40 min、80 min鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量變化的平均斜率比0 min鋼渣混凝土坍落度大,但隨著時間延長,鋼渣粗集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響逐漸減小,160 min后的鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的曲線趨于平緩。

      4結(jié)語

      (1)鋼渣粉、鋼渣細集料、鋼渣粗集料對混凝土的工作性能都有一定影響,極差分析顯示三個因子對0 min鋼渣混凝土坍落度的影響排序為:鋼渣細集料摻量>鋼渣粉摻量>鋼渣粗集料摻量;但經(jīng)過一定時間后,鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為:鋼渣粗集料摻量>鋼渣細集料摻量>鋼渣粉摻量。

      (2)通過分析鋼渣粉摻入量對混凝土坍落度的影響可知,0 min時鋼渣混凝土的坍落度隨鋼渣粉的摻量先增大后減小,40 min、80 min、120 min后的鋼渣混凝土坍落度值隨著鋼渣粉摻量的增大而增大,且當鋼渣混凝土模擬運輸時間較大時,鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土的流動性影響較小。

      (3)單因子分析顯示,鋼渣細集料及鋼渣粗集料摻量對混凝土坍落度的影響規(guī)律基本相同,其坍落度隨摻量的增大而減小,在一定時間后,當鋼渣混凝土坍落度較小時,鋼渣細集料及鋼渣粗集料的摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

      參考文獻

      [1]戚長亞.混凝土坍落度損失機理及保坍類材料研究[D].武漢:武漢理工大學,2015.

      [2]張忠哲,姬永生,徐之山,等.復(fù)摻鋼渣細集料混凝土力學及耐久性研究[J].人民黃河,2020,42(3):127-132.

      [3]張浩,于先坤,龍紅明.鋼渣復(fù)合取代礦粉、砂和石用作混凝土摻合料與骨料及其性能分析[J].過程工程學報,2020,20(4):432-439.

      [4]GB-T14685-2011,建筑用卵石、碎石[S].

      [5]JTG E42-2005,公路工程集料試驗規(guī)程[S].

      [6]GB 175-2007,通用硅酸鹽水泥[S].

      [7]GB/T 20491-2017,用于水泥和混凝土中的鋼渣粉[S].

      [8]茆詩松,周紀薌,陳穎.試驗設(shè)計(第二版)[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2012.

      [9]JGJ55-2011,普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].

      基金項目:2020 年度第三批廣西交通運輸行業(yè)重點科技項目清單-科技成果推廣項目“鋼渣混凝土的安定性及質(zhì)量提升應(yīng)用技術(shù)研究”(桂交便函〔2020〕56號); 崇左市科技計劃項目“錳渣的路用性能及無害化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”(編號:崇科FA2019008);廣西企茅公路建設(shè)有限公司“鋼渣鎳渣在沿海地區(qū)高等公路中的應(yīng)用技術(shù)研究”(編號:2021gxjgclkf004);鋼渣改良路基填土的減害增效應(yīng)用研究(編號:桂科AD19245014)

      作者簡介:梁胡(1993—),助理工程師,主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

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