矿渣代砂水泥砂浆及混凝土物理力学性能研究.pdf

第 1 1卷第 4期 2 0 0 8年 8月 建筑材料学报 J OURNAI 0F B UI I Dl NG MATERl AI S Vo 1 1 l，NO 4 Aug，20 0 8 文章编号：1 0 0 7 9 6 2 9(2 0 0 8)0 4 0 3 8 6 0 6 矿渣代砂水泥砂 浆及混凝土物理 力学性能研究 朱蓓 蓉，於林峰，张树青，杨全兵(同济大学 先进 土木 工程材料 教育部 重点 实验室，上海 2 0 0 0 9 2)摘 要：研 究 了高炉矿 渣作 为细骨料 的本征 特性及 其不 同代砂 率水泥砂 浆 及混 凝 土的物 理 力学性能 结果表明：矿渣与天然砂作为细骨料时，其物理化学性能存在一定差异；与基准 水泥砂浆相 比，矿 渣代砂 水泥砂 浆的 需水性 增 大，早 期 抗折 强度 略 有 降低，但后 期 抗折 强 度不但不降低甚至还略有提 高，抗压强度略有降低，干缩性减小；相对于普通混凝土，矿渣 代 砂混凝 土的抗折 强度 和抗 压强度 均有所提 高 关 键词：矿渣；本征 特性；代砂；水泥砂浆；混凝 土；物理 力 学性能 中图分类号：T U5 2 8 0 文献标 识码：A S t u d y o n Ph y s i c a l a n d M e c h a n i c a l Pe r f o r ma nc e o f M o r t a r a n d Co n c r e t e Co n t a i ni n g Bl a s t Fu r n a c e S l a g Ag g r e g a t e s ZHU Be i r o n g，Li n f e n g，ZHANG S h u q i n g，Y ANG Qu a n b i n g (Ke y La b or a t o r y of Adv a n c e d Ci v i l Eng i n e e r i n g Ma t er i a l s o f Ed u c a t i on M i ni s t r y，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a)Ab s t r a c t：Th e i n t r i ns i c c ha r a c t e r i s t i c s o f bl a s t f u r na c e s l a g a s f i n e a g gr e g a t e s a n d ph ys i c a l a nd me c h a n i c a l p e r f or ma n c e o f mo r t a r a nd c o n c r e t e c o nt a i ni ng bl a s t f ur n a c e s l a g a gg r e g a t e s we r e i n v e s t i g a t e d Re s u l t s s h o w t ha t t h e ph ys i c a l a n d c h e mi c a l p r o pe r t i e s ha v e s o me d i f f e r e nc e s b e t we e n b l a s t f u r na c e s l a g a n d s a n d a s f i n e a gg r e g a t e Comp a r e d wi t h r e f e r e n c e mor t a r，t he wa t e r de m a nd o f mo r t a r c ont a i n i n g bl a s t f u r n a c e s l a g a gg r e g a t e s i nc r e a s e s；t he f l e xu r a l s t r e n gt h a t e a r l y a ge r e du c e s bu t i t a t l a t e a g e d o e s no t r e du c e a nd e v e n s ome wha t i n c r e a s e s；a n d t h e c o mpr e s s i v e s t r e ngt h s o me wha t r e du c e s a nd t h e dr y i n g s hr i n ka ge r e d u c e s Th e f l e x u r a l s t r e ng t h a nd t he c o rn p r e s s i v e s t r e ng t h of c o nc r e t e c on t a i n i n g bl a s t f u r na c e s l a g a gg r e g a t e s i nc r e a s e c o mpa r e d wi t h r e f er e nc e c onc r et e Ke y wo r d s：s l a g；i nt r i ns i c c h a r a c t e r i s t i c s；r e p l a c e me nt f o r s a nd；mo r t a r；c on c r e t e；ph y s i c a l a nd me c h a ni c a l p e r f o r ma nc e 粒化高炉矿渣是炼铁高炉中的熔融矿渣经水淬急冷而形成的疏松颗粒 由于磨细后的粒化高 炉矿渣细粉兼有胶凝性与火山灰活性，因此，目前主要通过粉磨 的方式将其作为活性矿物掺和料应 用于水泥与混凝土中，并 已显示出了显著的技术经济效益和环保意义 原状粒化高炉矿渣的粒度与天然砂相近，若能将其代替天然砂应用于水泥砂浆或混凝土中，则 不仅能有效减缓天然砂资源的消耗，而且还能进一步提高和拓宽粒化高炉矿渣的利用率 目前国外 收稿 日期；2 0 0 7 一O 8 1 3 修订 日期：2 0 0 7 一l O O 9 作者简介：朱蓓蓉(1 9 5 9 一)，女，浙江绍兴人，同济大学 副研究员，硕士 E ma i l：b r z h u 1 2 3 9 s i n a c o m 维普资讯 http:/ 第 4期 朱蓓蓉 等：矿渣代砂水泥砂浆及混凝土物理 力学性能研究 3 8 7 已有相关 研究报道!，但 国 内除 已有利用 石 屑或 钢渣 等 代砂 的相 关研 究报 道外 l3，未 见有 关矿 渣代砂 的研究报道 本文 主要 研究粒化 高炉矿渣 作 为细骨 料 的本征 特性 及其 代砂 水 泥砂 浆 及混凝 土的物理 力学 性能，为使粒 化高炉矿渣 更有效地 开发利 用提供必 要 的技术 参数 1 原材料及试验方法 1 1 原 材料及配 合比 水泥：上海宝 山水泥厂生 产的 P O 4 2 5 普 通硅 酸盐水 泥；矿渣：宝钢原状 高 炉矿渣；砂 子：中 砂，细度模 数 2 6 5；石子：粒径 5 2 5 mm 的碎石；减水剂：花王萘 系高效减 水剂 水泥 砂浆试件 的配合 比：灰 砂 比 1：2 5”，水灰 比 0 5，矿 渣代砂率分 别为 0，2 5 ，5 0 ，7 5 ，1 0 0 强 度试件 尺寸为 4 0 mm4 0 mm1 6 0 mm，干缩试 件尺寸 为 3 0 mm3 0 mm2 8 0 mm 混凝 土配合 比设 计 4个强 度等级，其水灰 比分别 为 0 3 5，0 4 0，0 5 0，0 6 0，拌 和物坍 落度通 过 减水剂调 整在 1 4 1 6 c m 范围 内，不 同矿渣 代砂率 混凝土 的具体配合 比见 表 1 抗 压强度 试件 尺寸 为 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm。抗折 强度试 件尺寸 为 1 0 0 mm1 0 0 mm4 0 0 mm 表 1 混 凝 土 配 合 比 T a b l e 1 M i x p r o p o r t io n o f c o n c r e t e 0、3 5 0、35 04 0 0、4 0 0 5 0 0，5 0 0、5 0 0 5 0 06 0 0、60 1 2 试 验方法 所 有水泥砂 浆及混凝 土成型试 件均 在室温条 件下养 护 2 4 h后 脱模，再放 人(2 0 2)水 中养 护至规 定龄期 水泥砂浆 流动度测 定：按 G B 2 4 1 9 8 1 水 泥胶 砂 流动 度测 定方 法 进行；水 泥砂 浆 强度测 定：按 G B 1 7 7 8 5 水泥胶 砂强 度检验方法 进行；水泥砂 浆干缩试 验：按 GB 7 5 1 8 1 水 泥 胶砂干缩试 验方 法 进 行；水 泥砂浆 界面形貌 观察：采 用 Qu a n t a 2 0 0 F E G 型场发射环境 扫描 电子 显 微镜观察；混凝 土强度测定：按 GB J 8 1 8 5 混凝 土强度试 验方 法 进行 2 结果与讨论 2 1 矿渣 与天然 砂物化特性 差异 2 1 1 筛 分析 矿渣 和砂子 的筛 分析试验 结果见表 2 由筛分析 试验结 果可 以计算 出矿 渣 的细度模 数 为2 4 2，砂 子的细度模 数为 2 6 5。它 们均属 于 中砂 由表 2 可 见，尽管 试验 所用 的矿渣 和砂 子均符 合 级配 区砂，但 相 比于砂 子，矿渣 的粗 颗粒较少，细颗粒 含量 明显较多 1)文 中所涉及 的灰砂比、水灰比、矿渣代砂率 等除特别注明外均为质量 比或质量分数 _。O 0 8 5 O O o 0 o 0 O 0 0 2 S 0 5 O 6 0 7 9 8 0 l O 鹊 O O 0 0 0 0 0 0 0 O “粥 驺 维普资讯 http:/ 3 8 8 建筑材料学报 第 1 1 卷 表 2 矿渣和砂子的筛分析试验结果 T a b l e 2 Re s u l t s o f s i e v i n g t e s t o f s l a g a n d s a n d 2 1 2密度 矿渣和砂 子的密度、堆 积密度 及由此 计算得到 的空 隙率结果 见表 3。由表 3 可见，矿渣 的密度 比砂 子略大 尽管矿渣颗粒结构疏松，孔 隙率较 高，但 由于矿渣含有一定量 铁元素，因而矿渣 密度 比砂子 略 大 矿渣 的堆积 密度 比砂子 小，空 隙率 比砂子大，表明矿渣 的颗粒级配 比砂 子差。表 3 矿渣和砂子的密度、堆积密度及空隙率 Ta b l e 3 Dl n s i t y b u l k d e n s i t y a n d b u l k p o r o s i t y o f s l a g a n d s a n d 2 1 3化 学活性 矿渣 的化学成 分与硅 酸盐水 泥熟料 相近，主 要是 S i O：，C a()，AI：0。，Mg O 等 氧化 物，经水 淬 急 冷后 的矿 渣其玻璃 体含量 高，结 构处 于 高 能量 状态，不 稳 定 砂 子 的 主要 化 学成 分 为 S i O ，矿 物组 成 为石英 由于矿 渣和砂 子在化学 成分 和微观 结构 上存在 的差异，决定 了矿渣 除 了具 有一定 火 山灰 活性 外，同时还具 有一定 的胶凝性，而砂 子在 常温 下 为惰 性 材料。在 水灰 比为 0 2 9，2 0 水 中养护 条件 下，粉磨 矿渣 2 8，6 0，9 0 d龄期 的抗压 强度分 别为 1 8 8，2 3 9，3 0 7 MP a 该 结果 充分 表 明 了矿 渣所 具有 的胶凝性 2 2矿 渣代砂 水泥砂 浆物理 力学性 能 2 2 1和易性 图 1，2分别 为相 同水灰 比(0 5 0)条 件下 不 同矿渣代 砂率水 泥砂 浆流动性 以及 同流动度(1 4 5 1 5 5 ram)条件下不同矿渣代砂率水泥砂浆需水比的试验结果 由图 1，2可见，随着矿渣代砂率 的增 大，同水灰 比条件 下矿渣 代砂水 泥砂浆 流动性 逐渐 降低，或者 同流动 度条件下 矿渣 代砂水 泥砂浆需 图 1 矿渣代砂率水 泥砂浆流动性 Fi g。1 Fl ui d i t y o f mor t a r wi t h s l a g a gg r e ga t e s l 1 萼。磊 R e p l a c e me n t f o r s a n d 图 2 矿渣代砂率水 泥砂浆需水 比 Fi g。2 W a t e r de ma nd o f mor t a r wi t h s l a g a g gr e ga t e s O O 加 l，1 l lI 案0 维普资讯 http:/ 第4期朱蓓蓉，等：矿渣代砂水泥砂浆及混凝土物理力学性能研究389水性逐渐增 大这 主要是由于矿 渣颗粒结构疏松，其吸水性大于砂子，同时 矿渣的颗粒级配也要比砂子差，因而随着矿 渣代砂率的不断增 大，水泥砂浆的有效 水灰比及流动性逐渐降低，为了保证相同的流动性，则水泥砂浆需水量将不断增加222强度图3(a)，(b)分别为 同水灰比(050)条件下 不同矿渣代砂率水泥砂浆各龄期抗折、抗压强度的试验结果由图3(a)可 见，与基 准水泥砂浆 相比，无论 是矿渣部分代砂还是全部代砂，其水泥砂浆的早期抗折强度均略有降低，但28d养护龄期后，不同矿 渣代砂率水泥砂浆抗折强度不但不降低，甚至还略有提高分析其原 因可能是，由于矿渣的物理性 能，诸如颗粒级 配、颗粒强度等劣于砂子，造成其水泥砂浆早期抗折强度略有降低，28d养护 龄期后由于矿渣的化学活性不断激发，骨 料一水泥浆界面的改善，使得其化学活性优势弥补了其物理性能的不足，从而使不同矿渣代砂率水泥砂浆的抗折强度赶上甚至超过 基准水泥砂浆由图3(b)可 见，矿渣代砂水泥砂浆抗压强度略有降低，与其抗折强度变化 规律略不同的是，尽管56d养护龄期后矿 渣代砂率50的水泥砂浆抗压 强度可赶上基准水泥砂浆，但大代砂率(50)水泥砂浆抗压强度仍然低于基准水泥砂浆分析其原因可能是，相对于抗折性能，水泥砂浆的受压性能更受其内部起 骨架作用 的砂子或矿渣颗粒自身强度的影响，由于矿渣颗粒强度低于砂子，尽管后期矿渣 的化 学 活性不断激发，但其化学活性的优势仍然弥补不 了其物理性能的不足，致使大代砂率水泥砂浆抗压强度仍然低于基准水泥砂浆Curingage dCuringaged(a)F lex u r alstrength(b)Compressiv estrength图3矿 渣代砂对水泥砂浆抗折、抗压强度的影 响Fig3Ef fectofslagaggregatesonflexu ralstrengthandcompressivestrengthofm ortarReplacementfo rsand：O；25；50；75；*100图4为28d龄期基准水泥砂浆和矿 渣代砂水泥砂浆界 面的S EM照片由图4可见，天然砂与水泥浆体界面附近水化物较少，界面粘结性较差，存在明显的过渡区，因 而往 往是 试件 的应 力薄弱区；而矿渣与水泥浆体界面附近水化物 明显较 多，界面过渡区域 变得不明显，使得 界面粘结 性得到了明显改善I!：!坚l(b)Mo rtarwithslagaggregates图4基 准水泥砂浆和矿渣代砂水泥砂浆界面的SEM照片F ig4SE Mimage ofsurfaceofreference mortar andmortarwithslagaggregates(50 000)厶 暑锄cJ l曲警葛 2E0u2O8642E l l l Iq0Id维普资讯 http:/ 3 9 0 建筑材料学报 第 1 1卷 2 2 3干缩性 o 1 o 0 O 9 图 5为矿渣代砂率分别为 0，5 0 ，1 0 0 的水泥砂 浆干 缩 率随 时 间的 变 化曲 线 由 图5 可见，不同 矿 渣 代砂蓍 =率水泥砂浆其干缩性随时间的变化趋势是一致的，即随 墓 g 着时间的不断延长，水泥砂浆干缩率不断增加 早期由于 占 08 0 7 0 6 0 5 0 4 O 3 0 2 水泥 水化程度 低，自由水 多，水 泥砂 浆 的 干缩 大；后 期 随。川 着水 泥水化 的不断进 行，水 泥砂浆 的干缩 不断趋 于平缓 。2 o A d 。在相同龄期条件下，随着矿渣代砂率的增大，水泥 浆 图5 矿渣代砂对水泥砂浆干缩的影响 缩率逐渐减小 这主要是由于矿渣颗粒结构疏松，其吸水 。，。，。性大 于砂子，相 比于基 准水 泥胶砂 试件，相 同龄期 条件 下 h r i n k g。f m。r t a 其 自由水含量相对减少，因而其水泥砂浆的干缩率也相对降低 2 3矿渣 代砂混凝 土强度 图 6为不同强度等级矿渣代砂混凝土与基准混凝土各龄期抗压强度的比较 图 7(a)，(b)分别 为水灰 比为 0 5 0的不同矿渣代砂率混凝土 2 8 d抗折、抗压强度试验结果 由图 6可见，矿渣代砂 混凝 土与普通 混凝 土 的抗 压强度 随龄期 变化 的趋势 是一致 的，随着 龄期 的不断增 加，混 凝土抗 压强 度不 断提高；在龄期、水灰 比相 同的条件 下，由于矿渣 颗粒与 砂子相 比具有 较强 的吸水 性，相 当于降 低了矿渣代砂混凝土的有效水灰 比，又因矿渣具有一定的化学活性，可改善骨料一水泥浆界面结 构，因此，不同强度等级的矿渣代砂混凝土抗压强度均 比普通混凝土有一定提高 由图 7可见，随着 矿渣代砂率的增大，其混凝土抗压强度和抗折强度值均缓慢提高，且二者的变化规律很相似 厂 O _ 3 5 0 4 0 0 5 0 0 6 0 m w m c (a)7 d a ge O 3 5 0 4 0 0 5 O 0 6 O m w，m c (b)2 8 d a g e 图 6 矿渣代砂混凝土与基准混凝土抗压强度的 比较 Fi g 6 Co mp a r i s i on be t we e n c o mpr e s s i v e s t r e n gt hs o f c o nc r e t e wi t h s l a g a ggr e g at e s a nd r e f e r e n c e c on c r e t e 8 0 主7 5 l 7 o 差 5 6 0 O 2 O 4 O 6 O 8 O 1 0 0 Re p l a c e me n t f o r s a n d 盏 j 兰 g 0 图 7矿 渣 代 砂 对 混 凝 土抗 折、抗 压 强 度 的影 响 Fi g 7 Ef f e c t o f s l a g a ggr e g a t e s o n f l e xu r a l s t r e ng t h a nd c o mpr e s s i v e s t r e n gt h o f c o nc r e t e 对比矿渣代砂水泥砂浆强度和混凝土强度的变化趋势可以看出，矿渣代砂不但没有明显提高 水泥砂浆抗压强度，反而使其略有降低，但是矿渣代砂可使混凝土抗压强度有所提高 出现这种差 异 的原 因可能是：对 于水泥 砂浆，由于其 内部起骨 架作 用 的矿 渣 颗粒 级 配及 自身强 度 均低 于砂 子，这一负面影响未能被矿渣吸水性和化学活性这些有利因素所弥补，因而导致水泥砂浆抗压强度略 加 如 如 加 m O ，L I 口 1 s s J d 置o=)印 如 0 西 羔 口 置o u 维普资讯 http:/ 第 4期 朱蓓蓉 等：矿渣代砂水泥砂浆及混凝土物理力学性能研究 3 9 1 有 降低，但 对于混凝 土，石子作 为粗骨 料起主要 骨架 作用，矿渣 颗粒 级配 及 自身强 度 比砂 子较 低 的 负面影响对混凝土抗压强度影响较小，矿渣吸水性和化学活性的有利因素表现为提高了矿渣代砂 混 凝土 的抗 压强度 3 结 论 1 矿渣与天 然砂作 为细骨料其 物理 化学 性能 差 异 明显：两者细 度 相近，但矿 渣 的颗粒 级 配 比 砂 子略差 空隙率 比砂 子大；矿渣 兼有火 山灰活性 和一定 的胶凝性，而砂 子在常温 下是惰性材 料 2 随着矿渣 代砂率 的增 加，同水灰 比条件 下水 泥 砂浆 的 流动 度逐 渐 降低，或 同流动度 条件 下 水泥砂浆 的需 水性逐渐 增大 3 矿渣代砂 水泥砂浆早 期抗折 强度略 有降低，2 8 d养 护龄 期后 其抗 折 强度 不但 不降 低，甚 至 还 略有提高；矿 渣代砂 水泥砂浆抗 压强 度略有 降低；随着矿 渣代 砂 率的 增加，水泥 砂浆 的干 缩 率减 小 4 不同强度等级的矿渣代砂混凝土抗压强度均比普通混凝土有一定提高，且随着矿渣代砂率 的增大，其 混凝土抗 压强度 和抗 折强度 均缓慢 提高 参考文献：1 D E MI R B O GA R，GUI R P r o d u c t io n o f h ig h s t r e n g t h c o n c r e t e b y u s e o f i n d u s t r ia l b y p r o d u c t s J B u i ld i n g a n d E n v i r o n me n t 2 0 0 6，4 1(8)：1 1 2 4 1 1 2 7 2 3 4 6 YUKS EI I B I I I R T，OZ KAN O Dur a b i l i t y o f c o n c r e t e inc o r p o r at i n g n o n g r o u n d b l a s t f u r n a c e s l a g a n d b o t t o m a s h a s f i n e a g g r e g a t e J B u i ld in g a n d E n v i r o n me n t 2 0 0 7，4 2(7)：2 6 5 I 一2 6 5 9 李建 谢友均，刘宝举，等 石屑代砂混凝土力学性能研究 J 混凝土，2 0 0 1，(7)：2 3 2 5 1 I J ia n XI E Y o u j o n I I U B a o J u，e t a I S t u d y o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e r o c k d u s t a s f i n e a g g r e g a t e s J C o n c r e t e，2 0 0I (7)：2 3 2 5 (i n Ch i n e s e)洪锦祥 蒋林华，肖玉明，等 石屑代砂混凝土试验研究 J 水利水 电科技进展，2 0 0 3，2 3(1)：3 8 4 0 H()N G J i n x i a n g，J I AN G 1 i n h u a XI A()Yu mi n g，e t a I Te s t i n g s t u d y o n c o n c r e t e wi t h r o c k d u s t a s f i n e a g g r e g a t e s J Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r c e s，2 0 0 3，2 3(1)：3 8 4 0 (i n Ch i n e s e)张继香，李启 令，徐莉，等 钢渣代砂建筑砂浆的性能研 究 J 建筑材料学报，2 0 0 6，9(5)：6 2 3 6 2 6 Z HANG j i x i a n g L I Qi l i n g XU I i，e t a I S t u d y o n t h e p r o p e r t i e s o f c e me n t mo r t a r s wi t h s t e e l s l a g a s f i n e a g g r e g a t e J J ou r n a l o f Bu i l d i n g Ma t e r i a l s，2 0 0 6，9(5)：6 23 6 2 6 (i n Chi n e s e)张峰 铜渣代砂配制流态混凝土的研究与应用 J 中国矿 山工程，2 0 0 4，3 3(3)：8 1 1 Z H AN G F e n g S t u d y a n d a p p li c a t i o n o f r e p l a c i n g s a n d w i t h c o p p e r s la g c o mp o u n d i n g l i q u i d c o n c r e t e J Ch i n a Mi n e E n g i n e e r i n g 2 0 0 4，3 3(3)：8 1 1 (i n Ch i n e s e)维普资讯 http:/