1、I S S N 1 0 0 9-8 9 8 4C N 2 2-1 3 2 3/N长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2年 第2 3卷 第4期J.C h a n g c h u n I n s t.T e c h.(N a t.S c i.E d i.),2 0 2 2,V o l.2 3,N o.4 5/2 52 1-2 8d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 9-8 9 8 4.2 0 2 2.0 4.0 0 5基于钢渣与硅灰为掺合料的机制砂混凝土力学性能试验研究收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 1基金项目:吉林省科技发展计划项目(2 0 2 2 0
2、2 0 3 0 5 8 S F)作者简介:邵永红(1 9 7 6-),男(汉),四川南充人,高级工程师主要研究机制砂混凝土力学性能。邵永红1,李 林1,程志顺1,冯绍亮1,王 彬2(1.中铁二局集团有限公司,成都 6 1 0 0 3 9;2.长春工程学院土木工程学院,长春 1 3 0 0 1 2)摘 要:为分析机制砂取代率、机制砂石粉含量、钢渣掺量及硅灰掺量对钢渣硅灰复合掺合料机制砂混凝土工作性能及力学性能的影响规律,通过四因素五水平正交试验,对复合掺合料机制砂混凝土的工作性能、2 8 d抗压强度及劈裂抗拉强度进行极差分析,结合试验数据,运用O R I G I N软件绘制各因素的效应曲线图,分
3、析得到各因素的最优值;运用模糊综合评判原理,对三项性能的最优配合比方案进行优选,结果表明:劈裂抗拉强度最优方案的综合评判结果最佳。关键词:钢渣;硅灰;机制砂混凝土;抗压强度;劈裂抗拉强度;坍落度中图分类号:TU 5 2 8文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-8 9 8 4(2 0 2 2)0 4-0 0 2 1-0 80 引言近年来,随着我国对生态环境保护的重视程度增强,作为加快转变经济发展方式的重要着力点,建设资源节约型、环境友好型社会,利用机制砂取代或部分取代天然砂作为混凝土细集料已成为混凝土界研究的热点之一。P o l y t e c h n i c c o l l e g e,e
4、 t a l1通过研究提出了机制砂混凝土的抗压、劈裂抗拉强度比河砂混凝土大,而加入塑料纤维更能大幅度提高混凝土的劈裂抗拉能力。C h o w,e t a l2研究了机制砂的颗粒形状、粒径分布、细粒含量和填料密度对混凝土性能的影响。G r u y a e r t E,e t a l3研究了3组不同水胶比的机制砂混凝土中石粉含量对其和易性的影响,提出了当混凝土配合比中水胶比、水量一定时,可通过改变外加剂的用量来保证机制砂的坍落度达到设定值,并得出了减水剂量随石粉含量不同的变化规律。张礼华等4运用S EM、X R D等测试方法对不同岩性机制砂、水泥水化产物及混凝土的微结构进行研究,提出了石粉的掺入有
5、助于提高混凝土的和易性及强度。蒋正武等5研究了不同石粉含量下,混凝土的抗压强度、弹性模量的变化规律。谢华兵6提出了石灰岩机制砂的粒形综合指数越高,混凝土工作性能、力学性能和抗氯离子渗透性能越好。随着硅灰和钢渣的高强性能被行业认可,国内外开展了以硅灰和钢渣为掺合料的混凝土的性能研究。Wu,e t a l7提出掺入1 0%2 5%的硅灰对胶砂各龄期强度有较大提升。N e e r k a,e t a l8通过研究发现以1 0%、3 0%的硅灰替代水泥时,混凝土的界面过渡区厚度分别降低了2 5%和6 5%。M a s-t a l i,e t a l9发现硅灰改善了浆体与骨料、纤维间的黏结,同纤维掺量下
6、掺加1 4%的硅灰时会使自密实混凝土的抗压强度提高2 2%,劈裂抗拉强度增长2 5%,抗折强度增长1 0%。邹启贤等1 0提出钢渣粉可以增大混凝土坍落度并降低坍落度损失,但会导致凝结时间延长。郑永超等1 1提出钢渣可以有效降低体系水化热,但其中铝、钙配位极不规则的七铝十二钙(C1 2A7)会在初期快速反应放热,对新拌混凝土的和易性造成不利影响。W a n g,e t a l1 2提出混凝土的抗压强度(尤其是早期强度)会随钢渣掺量的增大而下降,尤其是钢渣掺量超过3 0%时。L i u,e t a l1 3研究了钢渣硅灰复合掺合料对混凝土性能的影响,研究结果表明硅灰吸附在钢渣颗粒表层从而加强了钢渣
7、与周围水化产物的黏接,并且减轻了钢渣的缓凝效果。虽然前述研究对提高机制砂混凝土的力学性能与工作性能取得了一定效果,但是针对以钢渣硅灰为掺合料的机制砂混凝土的力学性能研究仍处于初探阶段。本文依托金甬铁路工程项目,对复掺了钢渣和硅灰的机制砂混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度等进行了试验研究,分析了不同掺合料条件下机制砂混凝土的性能变化规律,为后续铁路工程中机制砂混凝土的应用提供了数据参考。1 试验概况1.1 试验材料制备复合掺合料机制砂混凝土所需的原材料主要有水、水泥、粗骨料、钢渣、硅灰、天然砂、机制砂和外加剂。水泥采用PO 4 2.5普通硅酸盐水泥。采用单一粒径的粗骨料作为复合掺合料机制砂混凝土的骨
8、架结构,骨料粒径范围分别为05 mm和52 0 mm,如图1所示,性能参数见表1。天然砂取自长春市某工地,其颗粒级配见表2。试验采用的机制砂取自金甬铁路工程中回收的石灰岩,经过破碎后而成,其颗粒级配与性能指标见表34。(a)52 0 mm(b)05 mm图1 不同粒径粗骨料图表1 粗骨料性能指标骨料粒径/mm表观密度/(k gm-3)堆积密度/(k gm-3)孔隙率/%压碎值/%053 0 8 01 6 4 04 6.7 51 0.2 452 02 9 6 51 6 7 54 3.5 11 1.7 7表2 天然砂级配筛孔尺寸/mm分计筛余/%累计筛余/%4.7 5 09.29.22.3 6 0
9、1 7.92 7.11.1 8 01 8.54 5.60.6 0 02 0.86 6.40.3 0 01 9.88 6.20.1 5 08.49 4.60.0 7 52.79 7.3表3 机制砂级配筛孔尺寸/mm分计筛余/%累计筛余/%4.7 5 00.20.22.3 6 01 6.31 6.51.1 8 02 2.43 8.90.6 0 02 0.65 9.50.3 0 01 5.77 5.20.1 5 09.58 4.70.0 7 56.99 1.6表4 机制砂性能指标检测指标表观密度/(k gm-3)堆积密度/(k gm-3)含泥量/%压碎值/%细度模数数值2 8 2 81 7 4 81
10、.22 0.28.4硅灰是铁合金在工业电炉中高温熔炼工业硅和硅铁时,随废气逸出的大量烟尘迅速与空气氧化冷凝沉淀而成的一种比表面积很大、活性很高的火山灰物质。本试验采用的硅灰化学成分见表5。钢渣是炼钢过程中的一种副产品,由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。本试验钢渣化学成分见表6。表5 硅灰化学成分表化学成分含量/%S i O29 6.5 6A l2O30.2 9F e3O40.0 9M g O0.1 0C a O0.1 4N a2O0.0 8表6 钢渣化学成分表化学成分含量/%C a O4 5.5 0T F e2O31 7.4
11、 5S i O21 1.8 5T F e1 1.6 6M g O7.6 2A l2O33.5 2P2O51.0 2T i O20.7 5S O30.4 0N a2O0.1 3K2O0.1 022长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2,2 3(4)减水剂是为了改善混凝土功能的一种外加剂,拌合混凝土时,加入减水剂可以使其获得较高的强度以及较好的和易性。本试验采用天津市静海区生产的HL X(标准型)液体聚羧酸高性能减水剂,其性能参数见表7。表7 聚羧酸减水剂性能指标减水率%泌水率比%含气量%p H3 01 53.56.11.2 试验设计1.2.1 试验方案本次正交试验共设计了机制砂取代率、机制
12、砂石粉含量、钢渣掺量以及硅灰掺量4个因素,每个因素选取5个水平。根据试验实际需要,采用四因素五水平正交试验法,共计2 5组不同配合比试验方案;每组配合比均需要进行2 8 d抗压试验及劈裂抗拉试验,参照J T G 3 4 2 02 0 2 0 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程,2 8 d抗压试验和劈裂抗拉试验均采用非标准立方体,尺寸为1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm的混凝土试件,每组配合比试验需要制作3个试件,合计1 5 0块试件。1.2.2 配合比设计根据前期试配、现行规范以及以往研究人员的研究成果,机制砂混凝土的水胶比取值为0.3 4;砂率为4 2%;减水剂掺量为1%。矿物掺
13、合料双掺时:机制砂取代率分别为 1 0 0%、8 7.5%、7 5%、6 2.5%、5 0%;机制砂石粉含量分别为6%、9%、1 2%、1 5%、1 8%;钢渣取代水泥比例分别为 2 0%、2 7.5%、3 5%、4 5.5%、5 0%;硅灰取代水泥比例分别为 5%、7.5%、1 0%、1 2.5%、1 5%。试验因素与水平见表8,复合掺合料机制砂混凝土试验配合比见表9。表8 试验因素与水平表因素机制砂取代率/%机制砂石粉含量/%钢渣掺量/%硅灰掺量/%水平11 0 0.062 0.05.0水平28 7.592 7.57.5水平37 5.01 23 5.01 0.0水平46 2.51 54 2
14、.51 2.5水平55 0.01 85 0.01 5.0表9 复合掺合料机制砂混凝土试验配合比表组别天然砂/g机制砂/g粗骨料/gAB水泥/g钢渣/g硅灰/g水/g减水剂/g107 0 52 3 0.09 2 0.03 6 3.7 5 09 7.0 0 02 4.2 5 01 7 04.9207 4 12 2 2.48 8 9.63 0 5.5 0 01 2 9.2 5 03 5.2 5 01 7 04.7307 7 82 1 4.88 5 9.22 5 1.3 5 01 5 9.9 5 04 5.7 0 01 7 04.6408 1 42 0 7.28 2 8.82 0 0.2 5 01 8
15、 9.1 2 55 5.6 2 51 7 04.5508 5 01 9 9.67 9 8.41 5 1.2 0 02 1 6.0 0 06 4.8 0 01 7 04.369 36 4 82 2 2.48 8 9.63 0 3.1 2 51 3 3.3 7 54 8.5 0 01 7 04.979 76 8 12 1 4.88 5 9.22 4 6.7 5 01 6 4.5 0 05 8.7 5 01 7 04.781 0 27 1 22 0 7.28 2 8.81 9 4.2 2 51 9 4.2 2 56 8.5 5 01 7 04.691 0 67 4 41 9 9.67 9 8.42
16、0 0.2 5 02 2 2.5 0 02 2.2 5 01 7 04.51 08 86 1 72 3 0.09 2 0.03 1 3.2 0 08 6.4 0 03 2.4 0 01 7 04.31 11 9 45 8 42 1 4.88 5 9.22 4 2.5 0 01 6 9.7 5 07 2.7 5 01 7 04.91 22 0 46 1 12 0 7.28 2 8.82 4 6.7 5 01 9 9.7 5 02 3.5 0 01 7 04.71 32 1 36 8 31 9 9.67 9 8.41 9 4.2 2 52 2 8.5 0 03 4.2 7 51 7 04.61 41 7 65 2 92 3 0.09 2 0.03 1 1.5 0 08 9.0 0 04 4.5 0 01 7 04.51 51 8 55 5 62 2 2.48 8 9.62 5 9.2 0 01 1 8.8 0 05 4.0 0 01 7 04.31 63 0 55 0 92 0 7.28 2 8.82 4 2.5 0 02 0 6.1 2 53 6.3 7 51 7 04.91 73 1
