蔣建森,姚翔,沈萬玉,田朋飛,王從章
(1.阜陽市重點工程建設管理局,安徽 阜陽 236000;(2.安徽富煌鋼構股份有限公司,安徽 巢湖 238076)
近年來,隨著國家和地方政府政策的推進,裝配式建筑技術迅速發展。與此同時,全國范圍新投產了一大批混凝土構件生產線。預制混凝土的技術特點不同于預拌混凝土,預制混凝土一般遵循低用水量、低流動性和低砂率的原則。正是由于預制混凝土工作性能要求較低,因此工業冶金廢渣應用于預制混凝土有一定的技術空間。
冶金廢渣包括高爐渣、銅渣、錳渣、鋅渣和鋼渣等。鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢物,根據不同的煉鋼工藝,鋼渣的組成成分和理化性能有一定區別??傮w而言,鋼渣的礦物組成主要有硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鐵酸二鈣(C2F)、RO 相(MgO、FeO 和MnO 的固溶體)、游離鈣(f-CaO)和游離鎂(f-MgO)等,具有密度大和難磨的特點。由于鋼渣含有少量的游離鈣和游離鎂,而混凝土構件生產過程中又有高溫養護工序,因此可能會進一步誘發安定性問題,所以必須模擬實際情況,采用一定方法對鋼渣的安定性進行評價,判定鋼渣用于混凝土預制構件生產的可行性。
鋼渣:試驗所用鋼渣為某鋼廠提供的經破碎分選得到的5mm~31.5mm鋼渣。先將鋼渣磨制成鋼渣粉,分析鋼渣的成分,鋼渣的化學組成和礦物組成見表1和圖1??芍撛腃aO和MgO含量較高。
鋼渣的化學組成(XRF分析) 表1
水泥:南方水泥P·O42.5。
圖1 鋼渣的XRD圖譜
將鋼渣以0%、50%和100%的比例等體積取代5mm~31.5mm碎石,成型75mm×75mm×280mm混凝土試件,采用預制混凝土C30配合比,配合比及鋼渣取代方案見表2。因為混凝土構件生產中常采用60℃高溫養護以達到次日脫模起吊的目的,所以試驗采取20℃、60℃和80℃三種養護溫度進行對比。實際生產中高溫養護時間很短,一般為3~4h,為了更明顯區別三種養護溫度對混凝土試件的影響,試驗中養護溫度始終不變,于相應齡期測定混凝土的膨脹率,并進行外觀檢測。膨脹率的測定采用千分表。
鋼渣混凝土配合比(kg/m3) 表2
混凝土膨脹率變化見圖1。
圖2 20℃養護下混凝土膨脹率變化
由圖2可知,隨著養護齡期的增長,三種配合比的混凝土膨脹率隨之增大。在齡期156d之內,三種配合比的鋼渣混凝土膨脹率均小于0.02%。其中,鋼渣取代比例0%的A組混凝土的膨脹率要整體小于鋼渣取代比例為50%和100%的B組和C組混凝土,可見,鋼渣的摻入一定程度上增加了混凝土的膨脹率。
在20℃常溫養護下,三組混凝土的膨脹率總體較低,不大于0.02%。在156d齡期時,三組混凝土的膨脹率趨于穩定。三組混凝土外觀均未出現破壞特征,見圖3。
圖3 20℃養護條件下C組混凝土外觀
混凝土膨脹率變化見圖4。
圖4 60℃養護下混凝土膨脹率變化
由圖4可知,養護溫度為60℃時,鋼渣取代比例0%的A組混凝土在齡期14d之內膨脹率保持在-0.01%左右,且外觀未出現破壞。鋼渣取代比例50%和100%的B組和C組混凝土在齡期7d之后膨脹率迅速增大,并很快超過0.02%,且出現不同程度的損傷。C組的膨脹率整體大于B組。此外,C組混凝土在第12d時由于試件斷裂,無法進行長度測量。C組混凝土外觀破壞見圖5。
圖5 60℃養護下C組混凝土外觀
混凝土膨脹率變化見圖6。
圖6 80℃養護下混凝土膨脹率變化
由圖6可知,養護溫度為80℃時,鋼渣取代比例0%的A組混凝土在齡期14d之內保持在0.01%左右,外觀未出現破壞特征。鋼渣取代比例50%和100%的B組和C組混凝土在第5d時膨脹率迅速增大,超過0.02%,C組混凝土的膨脹率整體大于B組。B組和C組試件也出現了不同程度的損傷,且在第7d就出現斷裂現象。C組混凝土外觀破壞見圖7。
圖7 80℃養護下C組混凝土外觀
通過對混凝土試件損傷觀察,均發現崩裂處及裂紋擴展處存在粉狀物質,如圖8。
對白色粉狀物做XRD分析,圖譜如圖9。
由圖譜可以看出,粉狀物質含有大量的氧化鎂和氫氧化鎂,其中氧化鎂來源于鋼渣,而氫氧化鎂是氧化鎂和水反應的產物,氧化鎂的水化反應是體積膨脹反應,從而導致了鋼渣體積膨脹以及混凝土的脹裂破壞。
圖8 崩裂處及裂紋擴展處白色粉狀物
圖9 粉狀物質XRD圖譜
①養護溫度為20℃、60℃和80℃時,鋼渣取代比例0%的A組混凝土膨脹率均很小,不超過0.02%,混凝土外觀也未出現破壞特征。80℃高溫對于普通混凝土并不會造成破壞作用。
②用鋼渣取代碎石后,混凝土膨脹率均出現增長。20℃常溫條件下,B組和C組鋼渣混凝土的膨脹率大于A組混凝土,但未超過0.02%,齡期156d時也未出現明顯破壞。但是在60℃和80℃養護條件下,鋼渣混凝土的膨脹率均迅速增長,并超過0.02%。60℃養護條件下,鋼渣取代比例100%的C組混凝土第12d時出現斷裂,而在80℃養護條件下,第7d就出現斷裂現象。溫度升高使鋼渣混凝土出現破壞的時間提前。
③在一定條件的濕度和溫度下,鋼渣中的氧化鎂發生延遲性的水化反應,該反應是體積膨脹反應,是混凝土破壞的根本原因。
④鋼渣用于混凝土生產具有一定的安定性不良問題,高溫條件會加劇混凝土的破壞。本實驗中,雖然20℃常溫條件下,鋼渣混凝土156d時未出現破壞,但膨脹率已經接近0.02,因此長期安定性仍存在不良的可能性。綜上,將鋼渣應用于混凝土預制構件生產的可行性不足。