利用工业废渣制备新型混凝土膨胀剂的试验研究
利用镁渣制备混凝土膨胀剂
引言
金 属镁 在汽 车工业 、 精密机 械 工业 、 结构 材料 、 电化学工 业 及空 间技 术上有着广泛 的应 用。 镁工业快 速发展 的同时， 也 产生了大 量的工业 废渣 ， 国镁 渣的年排 放量 达数百 万吨 ， 我 】
以分为三大类 ： 铝酸盐类 膨胀 剂 、 硫 氧化钙类 膨胀剂及 氧化镁
并且随 着炼镁 工业 的发展 ， 其排放 量将 逐年增 加。 我 国， 在 很
多 镁厂排 出的镁 渣都是 作为废 物被 丢掉 ， 着镁 渣的 大量排 随 放堆 积 ， 大量 的土地资源被 占用 ， 农作物和周 围环境 造成 了 对 极 大的影 响 ， 渣随 着雨 水的 冲淋汇 人江 河湖 泊会对 水体造 镁 成极 大影响 ， 严重危 胁到人类 的身体 健康及农作 物的生长 。因
围 见 表 １】 。
表 １ 镁 液成 分 的波 动范ｌＩ Ｉ ；
后期 滞 后 膨 胀 的 危 害 。
膨胀 混凝土设计 和制造 中最 基本 的一 条准则是： 在水化硬 化过 程中膨胀 发展和强度 发展要能协调地 进行。 如果膨胀 发生
太快， 大部分膨胀将消耗在塑性阶段而成 为无效膨胀 。 相反 ， 如
类膨胀 剂。 硫铝酸 盐类膨胀 剂或其与氧化钙 类膨胀剂复合的复
合 膨 胀 剂 在 工业 与 民 用 建 筑 中有 大 量 应 用 ， 氧化 镁 类 膨 胀 材 而
料在水 工大体积混凝土中应用较 多。 有研究 表明： 硫铝酸钙类 和氧化钙类膨胀 剂所产生 的膨胀均发生在早期 ， 后期均 出现收
法分 为电解法 、 硅热 还原 法 、 热还 原法 、 碳 碳化 物还 原法 等。
硅热 还原法 又分 为意 大利 的皮 江法和 法 国的半连 续硅 热 法。 在我国， 炼镁工业主要 采用的方 法是硅 热还原 法 中的皮江法 ， 是用 硅 铁 （ ｉ ７ ％） Ｓ ＞ ５ 还原 煅 烧 的 白云 石。反 应温 度一 般 控 制 在 ｌ ０ ｏ以下， 应 方程 式 为 ： Ｍｇ ２ ａ ＋ ｉ Ｆ ） ２ ＋ ２ ０Ｃ 反 ２ ０＋ Ｃ ０ Ｓ （ ｅ 一 Ｍｇ ２ ａ ＳＯ ＋（ ｅ ， 原后生成 的废渣 即为镁渣 ， Ｃ Ｏ・ ｉ ， Ｆ ） 还 呈灰 色粗 细 颗粒状 和粉 状 ， 生产 Ｉ金属镁 约排 出９左 右的镁 渣 。 每 ｔ ｔ 镁渣 的 主要 化学成分 为Ｍｇ Ｃ Ｏ、 ｉ ： Ｆ ： Ｏ、 ａ ＳＯ 、 ｅＯ 和＆Ｃ Ｏ， ａ 主要矿 物成 分为２ ａ ＳＯ， 具 有一定 的火 山灰活性 。 渣的成分 波动 范 Ｃ Ｏ・ ｉ ， 镁
利用水淬锰渣、膨胀剂制备高性能混凝土研究
关键词： 工业 固体废弃物 ； 水淬锰渣 ： 膨胀剂 ； 高性能混凝土
中图 分 类 号 ： Ｕ ２ ． Ｔ ５８ ４ ０
文献 标 识 码 ： Ａ
文 章编 号 ：０ １７ ２ ２ １ ） ｌ ０ ０ — ４ １０ — ０ Ｘ（０ １０ 一 ０ ９ ０
Ｓ ｕｄｙ ｎ ｐｒ ｐａｒ ｔｏ ｔ ｏ ｅ ａ ｉ ｎ ｏ ｇ ｆ ｈｉ ｈ ｐ ｒ ｏｒ ａｎｃ ｃ ｅｆ ｍ ｅ ｏｎｃ ｅｔ ｗｉｈ ｒ ｅ ｔ ｗａｔ ｒ ｕｅ ｈｅ ｍ ａ ａｎｅ ｅ ｌ ｇ ｅ ｑ ｎｃ ｄ ｎｇ ｓ ｓａ
ａｎｄ ｘｐａ ｉ ｅ ｇｅ ｔ ｅ ｎｓｖ ａ ｎ
ＷＡＮＧ Ｙｏ ｇ ｎ
（ ｉｈ ｕ Ｇｕｚ ｏ Ｂｕｌｉｇ ＭａｅｉｌＲｅ ｅ ｒｈ ＆ Ｄｅｉｎ Ｉ ｓｉ ｔ ， ｉａ ｇ ５ ０ ０ Ｇｕｚ ｏ Ｃ ｉ ） ｉ ｎ ｔｒａ ｓａ ｃ ｄ ｓｇ ｎ ｔｕ ｅ Ｇｕｙ ｎ ５ ０ ７， ｉｈ ｕ， ｈｎａ ｔ
Ａｂｓｒ ｔ Ｈｉｈ ｅ ｏｍａ ｃ ｃ ｎ ｒｔ ｗａ ｐ ｅ ａ ｅ ｂ ｍａ ｉｇ ｓ ｏ ｉｄ ｓｒａ ｓｌｄ ｔ ａｃ ： ｇ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｃ ｅｅ ｆ ｓ ｒｐ ｒｄ ｙ ｋｎ ｕ ｅ ｆ ｎ ｕ ｔｉｌ ｏｉ ｗａｔ ｗａｅ ｕ ｎ ｈ ｄ ｓｅ ｔｒ ｑ ｅ ｃ ｅ ｍａ ｇ ｎ ｓ ｓａ ． ｎ ａ ｅｅ ｌｇ Ｔｈ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈ ｔｗａｅ ｑ ｅ ｃ ｅ ｍａ ｇ ｎ ｓ ｓａ ｃ ｎａｎ ｓｌ ｏ ｄｏ ｉｅ（ｉ ），ｌ ｍｉｕｍ ｏ ｉｅ（ ２ ） ｃ ｌｉ ｍ ｏ ｉｅ（ Ｏ） ｅ ｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｔａ ｔｒ ｕ ｎ ｈ ｄ ｓ ｎ ａ ｅｅ ｌｇ ｏ ｔｉｓ ｉｃ ｎ ｉｘｄ ＳＯ２ ａｕ ｎ ｉ ｘｄ Ａ１０３， ａｃｕ ｘｄ Ｃａ ， ａ ｄ ｍａ ｎ ｓｕ ｏ ｉｅ（ Ｏ），ｖ ｒ ９ ｎ ｇ ｅ ｉｍ ｘｄ Ｍｇ ｏ ｅ ０％ ａｅ ｖｔｅ ｕ ｎ ｒｌｈ ｖｎ ｅｔｉ ｏｅ ｔ ｌ ｆｈ ｄｏ ｅ ｎｄ ｖ ｌａ ｉ ｓ ． ｇ — ｅｆｒ ｎｃ ｒ ｉ ｏ ｓ ｍｉ ｅａ， ａ ｉｇ ａ ｃ ｒａｎ ｐ ｔｎｉ ｏ ｙ ｒｇ ｌａ ｏｃ ｎｃ ａ ｈ Ｈｉｈ ｐ ｒｏｍａ ｅ ｒ ａ
高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂的初步研究
高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂的初步研究混凝土膨胀剂的需求不断增加，这种膨胀剂通常用于改善混凝土的性能。
钙粉煤灰是一种新型的膨胀剂，可以用于改善混凝土的性能。
本研究旨在探讨高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂的应用现状。
首先，为了研究高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂的效果，首先需要进行材料学和结构技术方面的研究。
为此，该研究针对高钙粉煤灰的结构特性、性能特性等方面，进行了详细的实验和分析，结果表明，由高钙粉煤灰制成的混凝土具有良好的抗剪强度和耐久性。
其次，该研究还对高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂的应用前景进行了详细的分析。
结果表明，高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂可以有效提高混凝土的抗裂抗剪性能，而且还可以提高混凝土的耐久性和耐压性。
此外，针对高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂在施工过程中的应用，研究者还进行了细节分析，提出了施工方面的建议，进一步加强了高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂的研究和应用。
最后，为了更好地利用高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂，本研究对膨胀剂的使用量、施工工艺等进行了详细的研究分析，得出了具体的详细操作指南。
综上所述，本研究为高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂提供了宝贵的参考，从而促进了混凝土膨胀剂的可持续发展。
总而言之，高钙粉煤灰作为混凝土膨胀剂的研究表明，可以改善混凝土的压缩抗力、抗裂抗剪性能，提高混凝土的耐久性和耐压性，是一种经济、安全、高效的混凝土膨胀剂。
工业废渣在混凝土膨胀剂中的应用研究
而 产工 且生 艺简单， 产品质量易于控制， 成本较低， 早期膨
胀率较高且早期强度较高 ，后期增强 『 ，碱含量低 。 生好 ２１ 生产 工艺 及原材料 ． ２１１ 原材料及技术要求 ．． 本膨胀剂主要原材料有六种 ：硬石膏 、明矾 石和 磷石膏 等四种 工业废渣 。 硬 石膏 采用天然硬石膏要求 ｓ ， ０ 含量大于 ４ ％。 ５
２ 试 验 研 究
我们研究 的膨胀剂 的突出特 点是利用 了多种工业 废渣 ，
磷石膏Ａ采用锦州西洋特肥厂的废渣， ０含量不低于 ｓ，
４ ％，使用时进行改性处理。 ０
明矾石采用安徽和浙江 的优质 明矾石 ，化学成分 如表 １ 。
表 １ 明矾石Ｉ化学成分 ／ ｝ 勺 ％
产地 安徽庐江
［ 摘
要 ］本研究是以几种 工业 废渣 为原料 生产混凝土膨胀 剂并利用工业废渣的技术特 点提高 了膨胀剂 的一些性能 。
［ 文献标识码 ］Ａ ［ 文章编号］１０ — １２ （０ ７ ６ ０ ３— ２ ０ ９ ０ ４ ２ ０ ）０ — ０ ０ ０
【 关键词 ］混凝土 ；膨胀剂 ；工业废渣 ［ 中图分类号 ］Ｔ ５ ８０２４ Ｕ２． ． ４
维普资讯
辽
宁 建 材
２０ ０ ７年第 ６期
工业废渣在混凝土 胀剂中的应用研究
李春生 ’ 。张殿元 。戴连文 。何志勇
（． １ 兴城市市政 管理处，辽宁 葫芦岛 １５０ ；２ 锦 州市建筑材料研 究所 ，辽宁 锦 州 １１０ ） ２ １０ ． ２００
废渣ｃ 代部 矾石的废渣， 掺入可显著提高 是取 分明 它的
３ 结 语
（）在以往 的 Ｆ — １ Ｎ Ｍ型膨胀剂 的基础上 ，以经处 理的磷 石 膏部分取代价格 较高的供货紧 张的硬石膏 ，以 Ｂ 、ｃ两种 高铝的废渣 取代相 当比例的 明矾 石 ，大大 降低了 生产 成本 ， 对 膨胀剂的发展具有一定的意义 ，同时也 填补 了利 用工业废 渣生产膨胀 剂生产技术上 的空 白。 （）本产品 的各 项性能均达到 或超过了 国家建 材行业标 ２
新型CSA膨胀剂的水泥基材料性能
新型CSA膨胀剂的水泥基材料性能杨璐;王妮【摘要】针对水泥工业排放出的CO2过量问题,研究了一种采用工业副产品(流化床锅炉灰)为原料的绿色CSA膨胀剂,并对新型CSA膨胀剂的基本性能和力学性能进行了研究.根据XRD衍射图谱进行分析,探讨了新型膨胀剂的作用机理.结果表明:随着流化床锅炉灰煅烧温度的升高, CSA膨胀剂转换率也升高;水化温度与CSA膨胀剂的掺入量成正比;在干燥收缩试验中,CSA膨胀剂砂浆试件在标准养护35 d后,长度的膨胀效果可达到700×10 -6m;CSA膨胀剂的掺入量越高,砂浆试件的抗压强度越大.%Aiming at the excessive CO2problem discharged from the cement industry, a green CSA expansive agent taking the industrial by-products(fluidized bed boiler ash) as the raw materials was proposed. The basic properties and mechanical properties of new CSA expansive agent were investigated. The analysis was performed according to the XRD spectra,and the action mechanism of new CSA expansive agent was investigated. The results show that with increasing the temperature of fluidized bed boiler ash (FBA), the conversion rate of CSA expansive agent also increases. The hydration temperature is in proportion to the adding content of CSA expansive agent. In the drying shrinkage experiment, the length expansion effect of CSA expansion mortar specimens can reach 700 ×10 -6m after the standard curing for 35 d. In addition,the higher the content of CSA expansive agent is,the greater the compressive strength of mortar specimens is.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】5页(P219-223)【关键词】绿色建材;流化床锅炉灰;膨胀剂;掺入量;抗压强度;干燥收缩;细度;水化温度【作者】杨璐;王妮【作者单位】沈阳工业大学建筑与土木工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学建筑与土木工程学院,沈阳110870【正文语种】中文【中图分类】TU5222015年水泥工业排放出的CO2占其总排放量的7%，由于CO2的过度排放会对环境造成许多负面影响，所以现在许多研究人员与生产商积极合作，致力于开发出新的技术去减少水泥工业中CO2的产生及排放.其中，既可以减少CO2的排放，又可以保证施工质量的一种有效方法是使用外加剂，例如，可以用粉煤灰和高炉矿渣来代替部分普通水泥，成为混合水泥系统[1].另一种方法是采用二氧化硅酸盐水泥基复合材料对生成的CO2进行捕获和存储.另外，混凝土建筑物及构造物排放的CO2除了会对气候产生影响，也会引起建筑自身的负面变化，例如体积、温度和干燥收缩等变化，这些影响在建筑和民用基础设施领域受到了广泛关注.其中，建筑物的内部水分可通过蒸发(游离和吸附)的方式运动到混凝土外部，水分的流失可以引起水泥基材料内部产生拉应力，继而导致裂纹的产生，收缩后的裂纹导致混凝土的寿命缩短，降低了混凝土的耐久性和实用性[2].只有控制上述情况发生，才能保证混凝土的寿命.近年来，各种各样的外加剂已被用来减少硬化过程中的干缩现象，这些外加剂包括：高钙粉煤灰、氧化钙类(石灰系)膨胀剂、氧化钙硫铝酸钙复合类膨胀剂、硫铝酸钙类(钙矾石系)膨胀剂、氧化镁(游离氧化镁)膨胀剂、复合纤维类膨胀剂及减缩剂(SRAS)等[3].其中，硫铝酸钙类(钙矾石系)膨胀剂可利用工业废弃物中的膨胀组分(自由氧化钙或含不同结晶水的硫酸钙晶体)进行加工得到，如利用高钙粉煤灰和工业废石膏等开发新的混凝土膨胀剂，可以作为发展绿色混凝土膨胀剂的一个重要途径.CSA膨胀剂是一种很有应用前景的外加剂材料，工业上是以无水硫铝酸钙和氧化钙为主要矿物的熟料，通过回转窑特别烧制的硫铝酸钙类膨胀剂，其可以在烧结温度为1 250～1 350 ℃时生成，比普通波特兰水泥(1450 ℃)的烧结温度要低，而且还可以从工业副产品中获得[4].CSA膨胀剂参与水化后的主要生成物为钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，其生成式为6CaO+Al2O3+3SO3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O事实上，CSA水泥系统不仅被认为有助于降低CO2的排放量，还可以在较低温度下、冻融循环下及海水中具有优异的耐久性，因此，CSA可以作为一种有效且对环境低负担的膨胀剂被大量生产.研究表明，铝矾土和石膏等都可来源于工业副产品，这些工业副产品包括：C12A7型废渣、富含氧化铝的粉煤灰、矿渣、高岭土、垃圾焚烧粉煤灰和低放射性废料(LLW).研究发现，硫化燃气和铝粉尘在催化作用下可以实现大规模CSA膨胀剂的生产[5].本文主要目的是探讨根据硫化燃气和铝粉尘催化作用下得到的CSA膨胀剂的掺入量、细度和烧制方法的不同对混凝土力学性能的影响，并且用X射线衍射(XRD)分析钙矾石的含量和CSA膨胀剂的基本物理性能，包括强度和砂浆试块凝结后的长度变化.1 试验方法1.1 试验材料流化床锅炉灰渣(FBA)通过氧化铝粉尘催化反应后得到CSA产物.表1为流化床锅炉灰渣(FBA)的化学成分，表2为FBA的矿物组成，表3为FBA的物理性质，FBA各成分含量的XRD图谱见图1，表4为铝粉尘的化学成分，图2为FBA各级配粒子的百分比分布图，其中，曲线右纵坐标表示各级配颗粒细度所占的百分比；左纵坐标表示随着颗粒细度不断增加，各级配颗粒细度累加和的百分比.水泥品种采用GB8076规定的基准水泥.表1 流化床锅炉灰渣的化学成分Tab.1 Chemical composition ofFBA %SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2OMnO1.640.3360.44773.41.022.40. 1030.063表2 流化床锅炉灰渣的矿物组成Tab.2 Mineral composition ofFBA %CaOCa(OH)2CaSO4CaCO3SiO223.120.238.315.92.5表3 流化床锅炉灰渣的物理性质Tab.3 Physical properties of FBA细度/(cm3·g-1)颜色平均颗粒尺寸/μm4222深灰色43.67图1 流化床锅炉灰渣的XRD图谱Fig.1 XRD spectrum of FBA表4 铝粉尘的化学成分Tab.4 Chemical composition of aluminium dust%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2OMnO5.5178.01.642.177.710.10.870.25 图2 FBA各级配粒子的百分比分布Fig.2 Percentage distribution of FBAparticles with various grades1.2 烧结工艺及配比烧结过程中，流化床锅炉灰渣(FBA)和氧化铝粉尘混合物质量比率为6∶4，用球磨机研磨60 min后得到的混合物在20 MPa强度的前提下，将其放入到900 ℃(10 ℃/min)的环境中烘干30 min[6]，取出后分别置于900、1 000、1100、1 200和1 300 ℃下煅烧30和60 min，煅烧完成后置于空气中冷却.完全冷却后，再将混合物放入球磨机，在400 rad·min-1转速下进行研磨，控制混合物颗粒尺寸低于106 μm[7].试验采用普通波特兰水泥，其中，CSA、CaO和CaSO4各成分掺量分别为2.9%、2.5%和4.5%，水胶比为1∶2.对催化合成的CSA胶凝材料膨胀剂通过抗压强度和干燥收缩长度变化等方面进行力学及物理性能探究，其中，煅烧条件对膨胀剂干缩方面的影响试验参考《波特兰水泥胶砂干缩试验方法》(ASTM C596-89)，试件尺寸为25 mm×25 mm×280 mm.水泥砂浆抗压强度测试采用试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体.2 试验结果与讨论2.1 煅烧温度图3为氧化铝粉尘质量混合率为40%时，煅烧时间分别为30和60 min，温度分别为1 100、1 200和1 300 ℃下，混合物中各化学物质含量的XRD衍射图谱.由图3可知，经过煅烧后的混合物中主要成分为铝酸钙、钙铝氧化物氟化物、硬石膏和水泥，其中，水泥的主要成分为硅酸二钙.一般情况下，硅酸二钙的水化反应较慢，从而会影响混凝土早期强度，但该问题可以通过加入适量的硼砂来解决[8].从图3可以看出，随着煅烧时间的增加，硫酸钙成分逐渐减少，煅烧前后硫铝酸钙含量明显增加，从硬石膏的消耗量来看，由于这种物质形成了硫铝酸钙，并且氧化钙的含量也随煅烧温度的增加而增加.图3 反应前后混合物的XRD图谱Fig.3 XRD spectrum of mixture before and after reaction表5是由XRD衍射图谱分析方法对每组样品进行定量分析的结果.由表5可知，铝酸钙会随着煅烧温度的升高，含量从46.2%升至59.8%，而硬石膏及钙铝氧化物会随着煅烧温度的升高，更多地作为生成铝酸钙的原料被消耗，硬石膏含量从20.7%降为18.4%；钙铝氧化物含量从30.7%降为20.2%.因此，铝酸钙的生成量与煅烧温度成正比，随着煅烧温度的升高而增多.上述结果表明，煅烧温度的高低在铝酸钙和硫铝酸钙形成过程中起着十分重要的作用.表5 混合物成分定量分析Tab.5 Quantitative analysis for composition of mixture %混合物成分煅烧温度/℃110012001300铝酸钙46.255.459.8钙铝氧化物氟化物30.722.520.2硬石膏20.718.818.4硅酸二钙2.43.32.32.2 水化温度图4a为CSA膨胀剂的布莱恩细度达到4.2×103 cm3/g，且当CSA掺入量分别为2.5%、5.0%、7.5%和10%时，不同掺入量对水泥基水化温度的影响.需要注意的是，在硬化的初期阶段，对照组会比加入CSA膨胀剂的各组水化温度高，这是由于对照组中的硅酸二钙成分少于其他CSA添加组，在硬化初期阶段水化反应稍快一些，所以水化温度相对较高[9].随着硬化的不断进行，CSA10的水化温度趋于最高，对照组趋于最低.图4b为不同掺入量下的最高水化温度，随着CSA掺入量的增多，最高水化温度成正比持上升趋势，即CSA添加量越多，水化温度提高的也越多，会更加促进硬化反应.2.3 抗压强度试验图5为CSA的掺入量和细度对砂浆试块抗压强度的影响.横坐标1、2、3分别为CSA0、CSA5、CSA10；4 200、4 700表示两种平均颗粒细度.从标准养护3和7 d的抗压强度数据看来，含有CSA成分的砂浆试块，随着CSA掺入量的增大，抗压强度也会随着增加.在早期养护阶段，CSA的掺入量会影响检查砂浆试样的抗压强度，其原因是由于在水泥基材料水化反应中形成钙矾石，提高了强度.此外，CSA的颗粒细度对抗压强度并没有显著影响.图4 水化温度变化Fig.4 Change of hydration temperature图5 不同CSA掺入量和细度下砂浆试样的抗压强度Fig.5 Compressive strengths of mortar specimenswith different CSA contents and fineness2.4 干燥收缩试验图6为CSA掺入量分别为0%、3%和5%时，砂浆试块随龄期变化的干燥收缩长度变化.干燥收缩试验是采用模内标准养护2 d，再放入20 ℃恒温水槽中24 h后拆模测得初长.水中养护5 d后，放入标准养护室进行养护，分别测量3、7、9、14、21、28和35 d时试件的长度[10].试验结果表明，包含0%、5%和10%的CSA水泥砂浆试件均小于对照组硬化干缩后的长度变化，这是因为CSA水化反应后的砂浆试件内生成了有膨胀效果的钙矾石的缘故.水泥基材料在干燥的过程中都会略有回缩的现象，根据测量，CSA掺入量相同的每组砂浆试件回缩的趋势几乎是相同的，这是由于钙矾石的形成十分依赖水，湿养护时间大致相同时，形成的钙矾石量也接近相同.从上述结果可以看出，CSA膨胀剂的开发对于提高混凝土扩展性方面是十分理想的，对于干缩长度变化方面，注意控制CSA的掺入量是可以做到长度零损失的.因此，本文使用流化床锅炉灰催化得到的CSA膨胀剂，可作为一种可有效替代CSA膨胀剂的更为环保的膨胀剂.图6 不同CSA掺入量下砂浆试件长度变化Fig.6 Length change of mortar specimenswith different CSA contents3 结论为了开发一种更为环保的CSA膨胀剂合成方法和探讨该CSA膨胀剂在早期水化温度、干燥收缩性和抗压强度等各项性能，本文在煅烧温度对CSA合成的影响方面进行了试验研究.通过测定合成CSA时水泥砂浆的水化温度，得到包括水泥砂浆的抗压强度和干燥收缩性能，从而进行评估，得到的结论如下：1) 在通过氧化铝粉尘和流化床锅炉矿渣(FBA)合成硫铝酸钙的主要阶段会得到铝酸钙和硅酸二钙.合成得到铝酸钙最多含量59.8%时的煅烧温度为1 300 ℃，时间为60 min，因此，最佳煅烧温度为1 300 ℃，时间为60 min.2) 砂浆中含CSA成分的试件水化反应后得到了较高的水化温度，随着CSA掺入量的增多，早期最高水化温度也会增高，而且CSA的掺入量在早期养护阶段对砂浆试件的抗压强度具有影响，而CSA的布莱恩细度对抗压强度方面并没有明显影响.3) 对含有CSA成分的水泥砂浆试件干燥收缩长度变化进行测量，结果表明，含量为5%和10%的砂浆试件长度的变化与对照组相比有减少的趋势.因此，由工业副产品合成的铝酸钙CSA膨胀剂可以作为普通波特兰水泥的膨胀剂.参考文献(References)：【相关文献】[1] 陈伯田，甄巍，宋雷，等.硫铝酸钙类膨胀剂的应用 [J].辽宁建材，2007(7)：39-40.(CHEN Bo-tian，ZHEN Wei，SONG Lei，et al.Application of calcium aluminate expansive agent [J].Liao-ning Building Materials，2007(7)：39-40.)[2] 吴翠娥，陶方元，吴文选.不同硫铝酸钙氧化钙复合膨胀剂膨胀性能研究 [J].膨胀剂与膨胀混凝土，2014(4)：27-30.(WU Cui-e，TAO Fang-yuan，WU Wen-xuan.Expansion properties of calcium alginate composite with different calcium and calcium oxide [J].Expansive Agents and Expansive Concrete，2014(4)：27-30.)[3] Zhang W Y，Zakaria M，Hama Y.Influence of aggregate materials characteristics onthe drying shrinkage properties of mortar and concrete [J].Construction and Building Materials，2013，49：500-510.[4] 赵顺增，游宝坤，刘立.混凝土膨胀剂行业的现状和发展方向 [J].膨胀剂与膨胀混凝土，2009(3)：1-3.(ZHAO Shun-zeng，YOU Bao-kun，LIU Li.Present situation and development trend of concrete expansion agent industry [J].Expansive Agents and Expansive Concrete，2009(3)：1-3.)[5] Maltese 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混凝土中添加微膨胀剂的试验方法
混凝土中添加微膨胀剂的试验方法一、引言混凝土作为一种重要的建筑材料，在结构工程领域中应用广泛。
在混凝土的生产和使用过程中，不同的添加剂可以改善混凝土的性能，例如增加混凝土的强度、延展性以及耐久性等。
其中，微膨胀剂作为一种常用的混凝土添加剂，能够提高混凝土的抗裂性能、耐久性以及抗渗透性能等。
为了评估微膨胀剂对混凝土性能的影响，需要进行试验研究。
本文将介绍混凝土中添加微膨胀剂的试验方法，包括实验设备、试验材料、试验步骤和数据分析等方面。
二、实验设备1. 混凝土搅拌机：用于混合混凝土原料。
2. 混凝土模具：用于模拟混凝土的实际使用环境，制作混凝土试块。
3. 试验台：用于支撑混凝土试块，进行加载试验。
4. 数字式试验机：用于进行混凝土试块的强度和变形性能测试。
5. 显微镜：用于观察混凝土微观结构变化。
三、试验材料1. 水泥：普通硅酸盐水泥或矿物掺合料水泥。
2. 骨料：细骨料和粗骨料，按照一定比例混合。
3. 砂：细度模数在2.4-3.0之间的天然砂或人工制砂。
4. 水：符合国家标准的饮用水。
5. 微膨胀剂：选用合适的微膨胀剂，如硅酸盐微膨胀剂、铝酸盐微膨胀剂等。
四、试验步骤1. 原材料制备：根据混凝土配合比，将水泥、骨料、砂和适量的水加入混凝土搅拌机中，充分混合至均匀。
2. 添加微膨胀剂：将微膨胀剂按照一定比例加入混凝土中，继续搅拌至均匀。
3. 制作混凝土试块：将混凝土倒入模具中，振实并光滑表面。
待混凝土表面稍干后，用塑料薄膜覆盖，放置于恒温湿度室中养护。
4. 试块强度测试：待混凝土试块养护28天后，进行试块抗压强度测试。
将试块放置于试验台上，沿试块高度方向施加加载，直至试块破坏。
记录试块的破坏荷载和破坏形态。
5. 试块变形测试：通过试块压缩试验，测试混凝土试块的变形性能。
将试块放置于试验机上，施加荷载，记录荷载-变形曲线。
6. 显微结构分析：通过显微镜观察混凝土试块的微观结构变化，分析微膨胀剂对混凝土结构的影响。
有效利用工业废渣制备混凝土高效膨胀剂的研究
物 ， 常 将 膨胀 剂 主 要 分 为 ３类 ： 铝 酸钙 类 混 凝 土 通 硫 膨胀剂； 硫铝 酸 钙 一氧 化钙 类 混凝 土膨 胀 剂和 氧 化钙 类 混凝 土 膨胀 剂【 其发 展历 程 经历 了高碱 高掺 ， ” ， 中碱 中掺 ， 低碱 低掺 的 ３个 阶 段 。现 行混 凝 土膨 胀剂 的 和
Ｓ ＮＧ Ｙ ｎ ＭＩ ０ Ｃ ａ ｇ ｗ ｎ Ｌ Ｕ Ｊ － ｉｇ ＨＡ ｏ ， Ａ ｈ ｎ － ｅ ， Ｉ ａ ｐ ｎ ｉ
（ｉ ｇｕＩｓｔｔ ｆ ｕｌｉｇＳｉｎ ｅ ｏ Ｌｄ， ｎｉｇ １０ ８ ｉａ Ｊａ ｓ ｔｕｅｏ Ｂ ｉ ｎ ｃ ｃ ． ｔ． ｊｎ ００ ， ｎ ） ｎ ｎｉ ｄ ｅ Ｃ Ｎａ ２ Ｃｈ Ａｂ ｔａ ｔ ｎ ｔｈ ｒ ａａｉｎｏ ｉｈｅ ｅｔ ｅｅｐｎ ｉ ｇｎｓ ｏ ｏｃｅｅ ｔｅｎｔｒｌ ｎｙ ｒｅｉ ｘ ａｓｖ ｇｎｓＷ ￥ｓｂ ｓ ｒｃ：Ａｉ ｇａ ｔｅｐｅ ｒｔ ｈｇ ｆ ｃｉ ｘ ａｓｖ ａｅ ｔｆｒｃｎ ｒｔ，ｈ ａｕａ ｈｄｉ ｎｅｐ ｎｉ ａｅｔ Ｕ ｕ — ｍｉ ｐ ｏ ｆ ｖ ｅ ａ ｔ ｅ
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需求 量 的增加 ， 以及 政府 出于安 全考 虑对 一些存 在 安
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工业固废粉末对自密实高性能混凝土性能的影响
第42卷第11期2023年11月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.11November,2023工业固废粉末对自密实高性能混凝土性能的影响何㊀翔1,乔险涛1,喻㊀鹏2,周佳乐2,牛建东3(1.中铁建(东莞)建设投资有限公司,东莞㊀523867;2.东莞理工学院生态环境与建筑工程学院,东莞㊀523808;3.中南大学土木工程学院,长沙㊀410083)摘要:为研究不同工业固废粉末对自密实高性能混凝土力学性能和耐久性的影响机理,对掺入不同比例粉煤灰㊁矿渣㊁石灰粉末㊁煤矸石粉末和大理石粉末的混凝土进行了试验研究㊂通过测试混凝土的坍落扩展度㊁T50流动时间㊁L 型仪和V 型仪流动时间来评估其施工性能,通过测试混凝土超声波波速和抗压强度来分析其力学性能,通过测试混凝土通电量和水渗透深度来表征其耐久性㊂结果表明:粉煤灰㊁矿渣㊁石灰粉末㊁煤矸石粉末及大理石粉末可用于配制施工性能和耐久性均佳的自密实高性能混凝土;粉煤灰和矿渣粉末的允许掺量分别为35%(质量分数,下同)和60%,煤矸石㊁石灰粉末和大理石粉末的允许掺量各为30%,粉煤灰的添加有利于提高混凝土的流动性,使其坍落扩展度最大可达到750mm;除石灰粉末外,增加工业固废粉末掺量也可提高混凝土抗氯离子渗透性能,但增加细粉的掺量会降低混凝土的抗渗性能和抗压强度,其中,掺入30%石灰粉末的混凝土抗压强度下降最明显,降幅达到20.8%㊂关键词:自密实高性能混凝土;工业固废粉末;力学性能;施工性能;耐久性中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)11-4017-10Effects of Industrial Solid Waste Powders on Performance of High-Performance Self-Compacting ConcreteHE Xiang 1,QIAO Xiantao 1,YU Peng 2,ZHOU Jiale 2,NIU Jiandong 3(1.China Railway Construction (Dongguan)Investment Corporation Limited,Dongguan 523867,China;2.School of Environment and Civil Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China;3.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)收稿日期:2023-06-23;修订日期:2023-08-01基金项目:国家自然科学基金(52008106);中铁十五局集团有限公司企业委托课题项目(11001202301001);广东省基础与应用基础研究基金联合基金(粤莞)项目(2021A1515110075)作者简介:何㊀翔(1979 ),男,高级工程师㊂主要从事城市轨道交通建设方面的研究㊂E-mail:719121394@Abstract :In order to investigate the influence mechanism of various industrial solid waste powders on the mechanical properties and durability of high-performance self-compacting concrete (HPSCC),an experimental investigation was conducted on the concrete with various mass fraction of fly ash,furnace slag,lime powder,coal gangue powder and marble powder.The slump flow,T50flow time,L-box and V-funnel flow time were experimentally measured to evaluate the workability of HPSCC.The concrete mechanical properties were evaluated by measuring ultrasonic pulse velocity and compressive strength.In addition,the power consumption and water penetration depth were tested to characterize its durability.The results show that fly ash,furnace slag,lime powder,coal gangue powder and marble powder can be used to prepare HPSCC with excellent workability and durability.The allowable mass fraction of fly ash and furnace slag powder is 35%and 60%,respectively.While,the allowable mass fraction for coal gangue powder,lime powder and marble powder is 30%,respectively.The addition of fly ash significantly improves the concrete workability,with a maximum slump flow of 750mm.Except for lime powder,the increase of other industrial solid waste powders leads to a better concrete anti-chloride ion permeability.However,the increase of industrial solid waste powders can reduce the impermeability and compressive strength of concrete.The concrete mixed with 30%lime powder shows the largest decrease in compressive strength,with a reduction of 20.8%.Key words :high-performance self-compacting concrete;industrial solid waste powder;mechanical property;workability;durability4018㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷0㊀引㊀言自密实混凝土自1980年问世以来在工程中应用广泛,尤其是钢筋间距密集或浇注空间受限的施工场所[1]㊂减水剂的推广应用进一步推动了自密实混凝土的发展和应用[2-4]㊂自密实混凝土材料组成成分与常规振捣混凝土类似,两者最大区别在于是否通过调节材料配合比来实现混凝土的自密实性能㊂不同于常规振捣混凝土,自密实混凝土粉末用量较大[5],水泥用量介于450~600kg/m3㊂这种混凝土具有良好的流动性和抗泌水㊁抗离析性能㊂为了确保不发生泌水和离析现象,通常会添加黏性外加剂来增加混凝土的黏滞性[6]㊂为满足流动性要求,可以通过添加粉煤灰㊁矿渣㊁石灰等工业固废粉末来提高或维持自密实混凝土的施工性能,同时减少水泥用量和水化热[7-9]㊂粉煤灰和工业矿渣一直以来都是自密实混凝土的重要胶凝材料㊂粉煤灰是火力发电厂生产的工业废料,也是重要的胶凝材料之一[10-12]㊂全球每年由煤燃烧产生的废料约为70亿吨,其中约70%(质量分数)是粉煤灰㊂中国年平均产生8.27亿吨粉煤灰,综合利用量约5.07亿吨,综合利用率约为78%,这些粉煤灰可用于生产混凝土㊂工业矿渣是由高炉矿渣熔化后在水中浸泡快速冷却形成的工业固废[13]㊂传统自密实混凝土因需添加较多的化学外加剂和水泥,生产成本较高㊂而研究表明,使用粉煤灰和工业矿渣生产的自密实混凝土具有三个方面的优点:一是可减少水泥和水用量,增加混凝土的施工性能和后期强度[7],提高其结构工作性能和耐久性能[14-15];二是粉煤灰和工业矿渣可增加混凝土拌合物的坍落扩展度,减少水泥㊁砂和其他填料的用量,从而降低生产成本[16];三是粉煤灰和工业矿渣等工业固废粉末代替普通水泥可减少增加混凝土黏度的化学外加剂用量,其混凝土具有较低水胶比和更完整的内部结构,且强度和耐久性得到提升[17-18]㊂可见,掺入粉煤灰和工业矿渣是降低自密实混凝土成本的有效途径㊂工业固废如何处置是目前全球面临的重要环境问题之一[19]㊂工业固废资源化再利用是解决该问题的有效方法和途径,有利于节约能源㊁保护环境㊁促进经济发展[20]㊂部分工业废料,例如大理石工业废料㊁石粉㊁煤矸石等经粉碎㊁加工后可用于生产自密实混凝土㊂研究表明,石灰粉末具有较高的比表面积,可增加混凝土使用年限,降低生产成本,减少环境负荷㊂石灰粉末还可用作填充材料,改善新拌混凝土的工作性能和稳定性㊂大理石粉末作为填充材料用于制备自密实混凝土是可行且十分经济的方法,该类混凝土表现出较好的工作性能[21-22]㊂已有研究[23]表明,当大理石粉末用量低于200kg/m3时,混凝土的流动性和硬化后的性能可以得到改善㊂煤矸石中活性二氧化硅和氧化铝可与水泥发生反应,从而改善混凝土的微观结构和力学性能㊂李燕等[24]研究表明,煤矸石和矿渣在煤矸石-矿渣-水泥的三元胶凝体系中水化程度较高;郭金敏[25]采用煤矸石代替碎石和粉煤灰,得到了复掺煤矸石混凝土的可行材料配比㊂但是,煤矸石的强度较低,作为粗骨料制备混凝土会降低混凝土的抗压强度[26]㊂自密实混凝土具备两个相互矛盾的特性:抗离析性能和流动性㊂常通过高效减水剂的分散作用和外加的填充材料中微细颗粒的凝聚力来实现两种特性之间的平衡㊂而这种平衡机制与工业废渣细粉的物理特性和化学反应程度有关[27],且很大程度上取决于外加剂表面活性以及细微材料较高的比表面积㊂工业固废经粉碎加工成粉末后具有较高的比表面积和较好的表面活性,可与水泥等材料发生水化反应,提高自密实混凝土性能㊂因此,制备自密实高性能混凝土中掺入工业固废粉末或许是一种有效的方法㊂这样一来,既可利用不同工业固废粉末改善混凝土的微观结构和力学性能,又可以保证自密实混凝土的施工性能,同时降低生产成本㊂但因不同工业固废粉末制备及其对自密实混凝土性能作用研究有限,其改善效果和内在机理仍有待进一步研究㊂本研究通过掺入不同质量的粉煤灰㊁矿渣粉末㊁石灰粉末㊁煤矸石粉末,以及大理石粉末取代水泥,配制出了不同配比的自密实高性能混凝土㊂在此基础上,对不同配比自密实高性能混凝土的各项性能进行综合测试,包括坍落扩展度㊁T50流动时间㊁L型和V型仪流动时间㊂并对不同配比混凝土的力学性能和耐久性进行了测试和评估,旨在配制出综合性能优良的自密实高性能混凝土(文中简称混凝土),探明不同工业固废粉末改进混凝土性能的内在机理㊂第11期何㊀翔等:工业固废粉末对自密实高性能混凝土性能的影响4019㊀1㊀实㊀验1.1㊀试验材料参考‘普通混凝土配合比设计规程“(JGJ55 2011)[28]配制混凝土㊂选用P㊃O42.5普通硅酸盐水泥,其28d抗压强度为48.3MPa,比表面积为399.6m2/kg㊂细骨料和粗骨料分别选用天然河砂和平均直径为10.3mm的碎石,河砂的质量分数和吸水率分别为2.59%和1.44%,碎石的质量分数和吸水率分别为2.73%和0.22%㊂减水剂选用上海某品牌530P型聚羧酸高效减水剂,外观为白色粉末状,减水效率为30%㊂此外,不同配比拌合料分别添加了粉煤灰㊁矿渣㊁石灰粉末㊁煤矸石粉末以及大理石粉末等工业固废粉末㊂粉煤灰为F类II级粉煤灰,需水量为90%(质量分数),28d活性指数为75%;矿渣由东莞市某水泥厂提供;石灰粉末为采石场破碎机废料,从采石场破碎机过滤系统收集得到;煤矸石由韶关市某煤矸石粉加工厂提供;大理石粉末由东莞市某大理石厂提供,未经其余加工程序直接掺入混凝土拌合料中㊂各主要原材料化学成分和物理性能如表1和表2所示㊂表1㊀主要原材料的主要化学成分Table1㊀Main chemical composition of main raw materialsMaterial Mass fraction/%SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3 Cement19.30 6.04 5.6959.86 4.07 3.06Fly ash48.5419.51 5.38 4.69 1.860.65Furnace slag40.9812.82 1.9532.857.24 1.85Lime powder 4.950.800.5951.960.58 Coal gangue powder55.5235.78 1.910.580.25Marble powder0.750.240.1155.550.21表2㊀主要原材料物理特性Table2㊀Physical properties of main raw materialsMaterial Density/(kg㊃m-3)Characteristic particle size/mmD10D50D90Specific surface area/ (cm2㊃g-1)Cement 3.07 2.0114.5644.903150Fly ash 2.16 2.8015.9055.652455 Furnace slag powder 2.90 1.6414.0459.022562Lime powder 2.76 2.5824.8150.732753 Coal gangue powder 2.59 1.0735.4154.502737Marble powder 2.72 1.3613.2837.5586841.2㊀配合比共配制了16组不同配比的混凝土拌合料,其中一组为对照组,其余15组拌合料分别掺入了不同质量的工业固废粉末,详细参数如表3所示㊂其中,粉煤灰取代水泥的质量分数分别为15%㊁25%和35%;矿渣取代水泥的质量分数分别为20%㊁40%和60%;石灰粉末㊁煤矸石粉末和大理石粉末取代水泥的质量分数分别为10%㊁20%和30%㊂所有拌合料水胶比取定值0.33,每立方米混凝土的水泥和固废粉末的总质量为580kg㊂1.3㊀制作、养护及力学性能试验参考‘混凝土物理力学性能试验方法标准“(GB/T50081 2019)[29]浇筑100mmˑ100mmˑ100mm立方体试件,用于测试混凝土的抗压强度㊁弹性模量㊁密度和超声波波速㊂同时,对新拌混凝土的坍落扩展度和T50流动时间进行测量,并借助L型仪和V型仪进行混凝土的抗离析试验,以评估混凝土的流动性和抗离析性能㊂浇筑成型后,将试件放到自然环境下养护24h,拆模后放入标准养护室(20ħ和相对湿度60%),养护7d后测试混凝土的抗压强度和超声波波速,养护28d后测试混凝土的抗压强度㊁超声波波速㊁密度和弹性模量㊂4020㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷表3㊀混凝土的配合比Table 3㊀Mix proportion of concreteSample No.Cement admixture /(kg㊃m -3)Sand admixture /(kg㊃m -3)Water admixture /(kg㊃m -3)Water-binder ratio Water reducing admixture /(kg㊃m -3)Variable Solid waste powder Solid waste powder admixture /(kg㊃m -3)Replacement rate /%Standard 580843FMH15493861FMH25435873FMH35377873KZ20464856KZ40348852KZ60232851SH10522843SH20464858SH30406861MGS10522843MGS20464858MGS30406861DLS10522843DLS20464858DLS304068611920.33 6.657.127.437.656.806.736.656.326.436.516.326.436.516.326.436.51 Fly ash 87151452520335Furnace slag powder 116202324034860Lime powder 58101162017430Coal gangue powder 58101162017430Marble powder 58101162017430㊀㊀注:FMH㊁KZ㊁SH㊁MGS 和DLS 分别代表粉煤灰㊁矿渣㊁石灰粉末㊁煤矸石粉末和大理石粉末,其后两位数字代表代替水泥的质量分数㊂参考‘普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准“(GB /T 50082 2009)[30]制作175mm(上口直径)ˑ185mm(下口直径)ˑ150mm(高度)的圆台体试件,试件的浇筑和养护条件与立方体试件相同㊂待试件终凝后,采用逐级加压法测试混凝土的抗水渗透性能㊂具体过程为将试件分别放置在0.1MPa 水压下48h,0.3MPa 水压下24h 和0.7MPa 水压下24h,然后将试件劈开观测其渗透深度㊂参考‘普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准“(GB /T 50082 2009)制作100mm(直径)ˑ50mm(厚度)的圆柱体试件,测试混凝土的抗氯离子渗透性能㊂将试件放在电压为60V 的仪器设备下6h,由测得的通电量来评定混凝土抗氯离子渗透性能㊂2㊀结果与讨论2.1㊀施工性能2.1.1㊀流动性图1㊀不同工业固废粉末在不同取代率下的混凝土坍落扩展度Fig.1㊀Slump flow of concrete with various industrial solid waste powders at different replacement rates 与常规混凝土相比,自密实混凝土更关注拌合物的流动性㊁抗离析性能和填充性㊂为了评估不同配比混凝土拌合物的施工性能,通过试验测试了各拌合料的坍落扩展度和T50流动时间,并开展了V 型仪和L 型箱流动仪的抗离析试验㊂其中,T50时间指坍落扩展度桶提起后混凝土流动至50cm 的所需时间,可反映混凝土的流动能力和塑性屈服能力㊂图1为各混凝土拌合料的坍落扩展度,表征了混凝土拌合物在没有外部约束存在的情况下,仅依靠其自重作用克服表面摩擦力的流动性能㊂为了揭示不同工业固废粉末对混凝土流动性的影响机理,图2给出了不同工业固废粉末的SEM 照片㊂综合图1和图2可知:1)不同配比混凝土拌合料的坍落扩展度介于680~760mm,说明所配制的㊀第11期何㊀翔等:工业固废粉末对自密实高性能混凝土性能的影响4021不同配比混凝土拌合料均表现出良好的施工性能㊂2)FMH35坍落扩展度达到了750mm,流动性最好㊂表明与其他固废粉末相比,粉煤灰更有利于提高混凝土的流动性㊂这是因为混凝土的流动性主要取决于组成颗粒的形状㊁颗粒堆积效应㊁颗粒大小分布,以及表面纹理的粗糙程度㊂与其他粉末相比,粉煤灰颗粒为球形,在接触点具有 滚轴效应 ,可有效减少骨料-浆料之间的摩擦[31]㊂此外,粉煤灰密度相对较小,替代水泥后导致水泥浆体体积增大,进一步减小了细集料与水泥浆体之间的摩擦,提高了拌合物的塑性和凝聚力,从而提高了混凝土的流动性㊂3)与粉煤灰相比,掺入其他固废粉末的混凝土流动性相对较差㊂因为石灰粉末㊁煤矸石粉末以及大理石粉末为块状或三角形,不利于提高混凝土的流动性㊂图2㊀不同工业固废粉末的SEM照片Fig.2㊀SEM images of various industrial solid waste powders2.1.2㊀抗离析性能为了评估混凝土的抗泌水抗离析性能,图3给出了混凝土拌合料的V型仪流动时间与T50流动时间之间的关系㊂V型仪流动时间在坍落扩展度一定的情况下可用于评价混凝土的黏性,流动时间越长表示混凝土黏性越高,抗离析性能越好㊂而且,T50流动时间与V型仪的流动时间的预测结果具有良好的相关性㊂由图3可知,与其他拌合料相比,掺入矿渣的混凝土拌合料KZ60的黏性和V型仪流动时间最少㊂对于自密实混凝土,其V型仪流动时间的下限和上限分别为11和15s,而本文混凝土拌合物的V型仪流动时间测试值介于9.34~16.97s㊂可见,所配制的混凝土拌合料均具有良好的黏度和抗离析性能㊂T50流动时间测试值介于2~5s,因此,自密实混凝土T50流动时间下限和上限建议值为2和5s㊂2.1.3㊀填充性L型仪测试结果用L(即h2/h1,h1为混凝土拌合物在L型仪中停止流动后,竖向箱体内混凝土拌合物的高度,h2则为L型仪水平向箱体内混凝土拌合物的高度㊂)值表示,L值可以表征自密实混凝土填充性㊂图4给出了添加了不同工业固废粉末混凝土拌合料的L值㊂L值低于0.8的自密实混凝土浇筑时容易出现堵塞现象,填充性较差㊂试验结果表明,增加固废粉末掺量会使混凝土的黏性增加,填充性下降㊂而本研究所配制的混凝土的L值均为0.8~1.0,说明工业固废粉末掺量在允许范围之内,混凝土的填充性满足施工要求㊂因而,所配制的混凝土均具有良好的填充性㊂2.2㊀耐久性对混凝土的抗氯离子渗透性能和抗水渗透性能进行了测试㊂用6h内通过混凝土的总电荷量作为评定4022㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷抗氯离子渗透性能的衡量标准,试验结果如图5(a)所示㊂用渗水深度来评估混凝土的抗渗性能,试验结果如图5(b)所示㊂图3㊀混凝土拌合料的V 型仪流动时间与T50之间的关系Fig.3㊀Relationship between V-shaped flow time and T50of concrete mixermaterial 图4㊀不同工业固废粉末掺杂的混凝土的L 值Fig.4㊀L value of concrete with various industrial solid wastepowders 图5㊀不同工业固废粉末在不同取代率下的混凝土耐久性Fig.5㊀Durability of concrete with versus industrial solid waste powders at different replacement rates 由图5(a)可知,除石灰粉末外,随着固废粉末掺量的增加,混凝土的抗氯离子渗透率均呈上升趋势㊂掺矿渣的混凝土拌合料KZ60总通电量为120C,其氯离子渗透率最低㊂依据ASTM C1202[32],该混凝土的氯离子渗透等级为 极低 ㊂混凝土的内部结构是影响氯离子渗透性能的关键,孔隙更小㊁更密实的内部结构降低了孔隙通道的连续性㊂相比于其他拌合料,掺入粉煤灰和矿渣的混凝土表现出更低的氯离子渗透率,表明该类混凝土中火山灰反应的生成物更容易形成不连续的内部结构[33]㊂此外,氯离子渗透率还取决于混凝土的组成材料与氯离子的结合能力㊂氯化物在混凝土中渗透路径与自由水或连通的孔隙基本一致㊂部分氯化物可以与水泥(主要是水泥中的铝酸三钙(C 3A))发生反应,形成稳定的氯离子复合物,而过剩的氯化物才是导致钢筋等腐蚀的主要原因㊂掺入粉煤灰和矿渣将导致C 3A 含量增加,因为拌合物中存在过多的氧化铝,经过火山灰反应后形成了水合硅酸钙,增加了硅酸钙的含量[34]㊂由此推断,掺入粉煤灰和矿渣可以提高混凝土自由氯离子的结合能力,从而减少自由氯离子对钢筋的腐蚀㊂再者,随着氧化铝含量的增加,混凝土总电荷量减少㊂因而,增加粉煤灰和矿渣的掺量(氧化铝含量增加),混凝土表现出更好的抗氯离子渗透性能㊂由图5(b)可知,混凝土透水深度试验结果介于4.42~12.58mm㊂与其他拌合料相比,对照组㊁FMH15和KZ20的渗水深度相对较小,其中KZ20的渗水深度最小㊂此外,增加矿物粉末的掺量,混凝土的渗水深度也随之增加,抗渗性能下降㊂这是因为渗透试验是在试件养护28d 后进行,此时混凝土中火山灰反应还没有完全结束,生成的二次水合产物不足以填充更多的孔隙[35]㊂而FMH15和KZ20可通过其他水化产物来填㊀第11期何㊀翔等:工业固废粉末对自密实高性能混凝土性能的影响4023充孔隙,抗渗性能更好㊂2.3㊀力学性能本研究测试了16组不同配比混凝土硬化后的性能,包括混凝土28d密度㊁7和28d抗压强度和超声波波速㊂表4列出了混凝土密度㊁抗压强度和超声波波速测试结果,图6给出了混凝土抗压强度的测试结果㊂表4㊀混凝土物理和力学性能Table4㊀Physical and mechanical properties of concreteSample No.Density at28d/(kg㊃m-3)Compressive strength/MPa Ultrasonic velocity/(m㊃s-1)7d28d7d28d Standard 2.41564.5676.0943964638FMH15 2.38962.1173.9243894609FMH25 2.38761.2973.2542964603FMH35 2.38956.1067.3941994529KZ20 2.41362.2877.9843024708KZ40 2.41862.9874.9844054618KZ60 2.39157.9471.6243044549SH10 2.41960.0469.2842054496SH20 2.43757.1164.9742984435SH30 2.42955.0459.9242034211MGS10 2.39364.8174.8344194590MGS20 2.40162.7173.9242444455MGS30 2.41961.7272.3641804398DLS10 2.41366.0176.1944394686DLS20 2.43963.7473.3945184704DLS30 2.40959.2970.7642194549图6㊀不同工业固废粉末在不同取代率下的混凝土7和28d抗压强度Fig.6㊀7and28d compressive strength of concrete with various industrial solid waste powders at different replacement rates 结合表4和图6可知:1)混凝土的抗压强度随着固废粉末掺量增加均呈下降的趋势,未掺固废粉末的混凝土7d抗压强度高于掺有固废粉末的混凝土㊂说明在混凝土硬化过程早期,粉煤灰和矿渣的火山灰反应不足以提高混凝土抗压强度㊂2)在硬化过程后期,混凝土的火山灰反应逐渐完成,因而掺入矿渣的混凝土的28d抗压强度最高㊂原因是粉煤灰和矿渣粉末填补了水泥颗粒之间的空隙,并与初级水化产生的石灰发生了沸石反应,生成了更多的次级水合物进一步填充结构孔隙,从而提高混凝土的抗压强度㊂而掺有石灰和煤矸石粉末的混凝土生成的次级水合物较少,其抗压强度较低㊂3)掺入石灰粉末显著降低了混凝土的抗压强度,30%石灰掺量混凝土的7和28d抗压强度分别降低了15.3%和20.8%㊂4)掺入大理石粉末混凝土的早期性能最好㊂一方面,大理石粉末具有更好的物理特性,添加大理石粉末后混凝土基体的密度更高㊁水泥颗粒分散性更好,可有效提高混凝土前期的抗压强度㊂另一方面,大理石粉末表面可作为Ca(OH)2和C-S-H(水化硅酸钙)早期反应产物的成核点[36-38],大理石粉末是最细的外加固废粉末,核晶效应对强度的影4024㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷响程度取决于填料与水泥水化产物之间的亲和力,且这种影响程度会随填料的细度和比表面积的增加而增加㊂大理石粉末是一种非全完活性也非全惰性的材料,可与水泥中的Al 2O 3发生反应㊂若水泥中含有较多的C 3A,则大理石粉末中的CaCO 3与C 3A 发生水化反应产生碳铝酸钙(CaAl 2(CO 3)2(OH)4㊃n H 2O)㊂这种反应加速了水化反应进程,增加了混凝土的抗压强度㊂而且这种反应会随着水泥中C 3A 含量㊁填料的细度和比表面积的增加而增加,因而掺入大理石粉末可大幅改善自密实混凝土的早期性能㊂图7㊀混凝土抗压强度与超声波波速的关系Fig.7㊀Relationship between compressive strength and ultrasonic velocity of concrete 图7为混凝土的抗压强度与超声波波速的关系㊂由图可知,超声波波速与抗压强度的变化规律基本一致,所有试件的超声波波速随抗压强度的增加而增加㊂也就是说,混凝土的抗压强度和超声波波速具有显著相关性(判定系数R 2=0.87)㊂图8为混凝土的静态和动态弹性模量㊂混凝土的动态弹性模量可通过静态弹性模量换算得到,计算公式为E d =105ˑV 2ˑ(Δ/g )(1)式中:E d 为动态弹性模量,GPa;V 为超声脉冲速度,m/s;Δ为拌合料单位质量,kg /cm 3;g 为重力加速度,取值9.81m /s 2㊂试验结果表明:自密实高性能混凝土的静态和动态弹性模量随混凝土强度增加而增加,这与常规振捣混凝土类似[39];掺入矿渣混凝土(如KZ20)的静态和动态弹性模量最高,明显高于同等掺量的其他混凝土㊂图8㊀混凝土的静态和动态弹性模量Fig.8㊀Static and dynamic elastic modulus of concrete 3㊀结㊀论1)所配制的混凝土拌合料均具备良好的流动性㊁填充性和抗离析性能㊂掺入粉煤灰有利于提高混凝土的流动性,60%粉煤灰掺量的混凝土坍落扩展度达到750mm㊂而增加固废粉末掺会导致混凝土的黏性增加,填充性下降㊂自密实混凝土中粉煤灰和石灰粉末的允许掺量分别为35%和60%,煤矸石㊁石灰和大理石粉末的允许掺量为30%㊂2)除石灰粉末外,随固废粉末掺量增加,混凝土抗氯离子性能呈上升趋势㊂增加粉煤灰和矿渣掺量,混凝土表现出更好的抗氯离子渗透性能㊂除掺入少量的矿渣(20%掺量)和粉煤灰(15%掺量)外,混凝土渗水深度总体上随工业固废粉末掺量的增加而增加,抗渗性能随之降低㊂3)混凝土早期和后期抗压强度随固废粉末掺量的增加而降低,掺入石灰粉末的混凝土抗压强度下降最明显,掺入30%石灰粉末混凝土7和28d 抗压强度分别降低了15.3%和20.8%㊂随着硬化过程中火山灰反应逐渐完成,掺入矿渣的混凝土后期抗压强度最高,而掺入大理石粉末的混凝土早期强度更好㊂此外,掺㊀第11期何㊀翔等:工业固废粉末对自密实高性能混凝土性能的影响4025入矿渣混凝土的静态和动态弹性模量最好㊂参考文献[1]㊀杨㊀欢,牛季收.自密实高性能混凝土的研究现状[J].硅酸盐通报,2015,34(增刊1):207-210.YANG H,NIU J S.Research statue of self-compacting concrete[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2015,34(supplement1):207-210(in 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利用多种工业废渣制备新型水泥混凝土膨胀剂_朱洪波
（562 ） --3& 2& // （728 ） -*3’ 2- // （95: ） -&3/ 20 //
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表&
编 号 膨胀剂 掺量 ! " 坍落度
0 种不同膨胀剂对 70* 和 7’* 混凝土物理力学性能的影响
水养 &’( 后干空气养护自由线性膨胀率 ! )&*+’ 标准雾气养护自由线性膨胀率 ! )&*+’
抗压强度 ! #$%
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95: 型膨胀剂的性能
膨胀剂： 分别采用 95: 型 膨 胀 剂 、 市 售 562 型 和 728
型膨胀剂， 配制混凝土时均内掺 &-"； 水泥： 分别采用 ’-34$38 和 0-34$38 水泥； 粉煤灰： 采用 !级粉煤灰； 减水剂 B 萘系高效减水剂 （5CD+4 ） 。 不同种类的膨胀剂对混凝土强度的影 响 试 验 方 法 参 照 混凝土自由线性膨胀率实验参照 F;E 4*&&1 E7 ’,/— -**&， 进行，试样为尺寸 &** GG)&** GG)44* GG 的棱柱体， 成 型 0 ( 后拆模， 移入养护室， 分别浸泡在水中和标准雾气 中 养护， 水养护试样在 &’ ( 后移入干空气中继续养护。试验分 别设计了 70* 与 7’* 强度等级的混凝土。70* 混凝土基准样 （2*） 配合比为： （水泥） （粉 煤 灰 ） （砂 ） （石 ） （减 水 ! H! H! H! H! 剂） （水） （膨胀剂） H! H! I0’*H&**H,&*H&*/4H030H&.*H*； 7’* 混凝 配合比为 B! （水泥） （粉煤灰） （砂） （石） 土基准样 （;*） H! H! H! H （减 水 剂 ） （水 ） （膨 胀 剂 ） ! H! H! I0/*H.*H,&*H&*/4H030H&,4H* 。 2&、 2-、 20 试样中水泥用量均为 -,’， ;&、 ;-、 ;0 试样中水泥 用量均为 -1’ ， 均内掺膨胀剂 // ， 其它配比分别与 2* 、 ;* 相 同。 收缩性能影响的试验 0 种不同膨胀剂对混凝土力学性能、 结果如表 & 所示。
工业废渣在混凝土中的资源化利用技术及应用
工业废渣在混凝土中的资源化利用技术及应用一、背景介绍工业废渣作为一种废物资源，其含有的成分可以被回收利用。
工业废渣的处理一直是环保领域的热点问题，如何将工业废渣资源化利用是当前环保领域需要解决的重要问题之一。
其中，将工业废渣用于混凝土中是一种重要的应用领域，有效地解决了废物处理问题，同时也促进了混凝土工业的发展。
二、工业废渣的种类及特性1.钢渣钢渣是炼钢生产过程中产生的一种废渣，其主要成分是氧化铁、氧化钙和硅酸盐等。
钢渣具有高硬度、高强度、耐磨性好的特点，同时也具有优异的化学稳定性和抗腐蚀性能。
2.矿渣矿渣是冶金、电力等工业生产中所产生的一种废渣，其主要成分是SiO2、Al2O3和CaO等。
矿渣具有高强度、高硬度、抗压性能好的特点，同时具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性能。
3.煤矸石煤矸石是煤矿采煤过程中产生的一种废渣，其主要成分是煤、岩石和泥土等。
煤矸石具有良好的物理性能和机械性能，可以用于制备混凝土。
4.粉煤灰粉煤灰是燃煤时所产生的一种废渣，其主要成分是氧化硅、铝和铁等。
粉煤灰具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性能，可以用于制备混凝土。
三、工业废渣在混凝土中的应用技术1.混凝土中钢渣的应用技术（1）钢渣水泥混凝土：将钢渣破碎后与水泥、砂、骨料等原材料混合，制备成混凝土。
钢渣水泥混凝土具有高强度、高硬度、抗压性能好等特点。
（2）钢渣矿渣混凝土：将钢渣和矿渣混合后与水泥、砂、骨料等原材料混合，制备成混凝土。
钢渣矿渣混凝土具有良好的物理性能和机械性能，同时也具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性能。
2.混凝土中矿渣的应用技术（1）矿渣水泥混凝土：将矿渣破碎后与水泥、砂、骨料等原材料混合，制备成混凝土。
矿渣水泥混凝土具有高强度、高硬度、抗压性能好等特点。
（2）高矿渣混凝土：将矿渣与水泥、砂、骨料等原材料混合，制备成混凝土。
高矿渣混凝土具有高强度、高硬度、抗压性能好等特点。
3.混凝土中煤矸石的应用技术（1）煤矸石水泥混凝土：将煤矸石破碎后与水泥、砂、骨料等原材料混合，制备成混凝土。
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利用工业废渣制备新型混凝土
膨胀剂的试验研究
陈德玉，袁伟，谭克锋，刘来宝
(西南科技大学先进建筑材料四川省重点实验室，四川绵阳621010)
摘要：以粉煤灰、石灰、石膏为主要原料，利用预水化活化技术制备新型胶凝材料，再以此胶凝材料与石膏、复合外加剂制备膨胀剂。
通过正交试验研究影响膨胀剂性能的因素，确定新型混凝土膨胀剂的最佳配比。
并对该膨胀剂的性能进行了试验。
结果表明，膨胀剂的性能符合JC476—2001要求。
关键词：粉煤灰；预水化活化：混凝土膨胀剂
中图分类号：TU258．55 文献标识码：B 文章编号：1001—702X(2008)07—0044—03
为了改善混凝土的抗渗性能，提高工程的耐久性，膨胀剂已在混凝土工程中被广泛使用。
现在已有的混凝土膨胀剂种类大致可分为硫铝酸盐类、氧化钙类、氧化镁类、氧化铁类膨胀剂及发泡类膨胀剂等[1-2]。
本研究利用低等级粉煤灰进行一种新型混凝土膨胀剂的制备和研究。
基于目前我国粉煤灰排放量很大的现状，用低等级粉煤灰制备新型混凝土膨胀剂，可提高粉煤灰的自身价值，也为膨胀剂的制备提供了一条新的途径。
1 工艺原理
在混凝土中引起膨胀的膨胀能来源于膨胀水泥或掺膨胀剂水泥的水化作用。
水化作用生成硫铝酸钙水化物——钙矾石(C3A·3CASO4·32H2O)而发生体积膨胀。
能在水泥水化阶段产生钙矾石的是无水硫铝酸钙3CaO·3Al2O3·CaSO4，这与明矾石在水泥水化的碱介质和硫酸盐激发下形成钙矾石的原理相似。
本研究以粉煤灰、石灰、石膏为主要原料利用预水化活化技术(即粉煤灰与石灰、石膏混合并陈化5-7d，再经过水热激发、烘干、低温煅烧及粉磨)制备新型胶凝材料，再以此胶凝材料与石膏、复合外加剂制备膨胀剂。
预水化活化制备的新型胶凝材料中含有C2S(2CaO，SiO2)、CA2(CaO·2A12O3)和C12A7(12CaO·7A12O3)等矿物，这些铝酸盐在C3S和C2S水化过程中所提供的碱Ca(0H)2和外掺硫酸盐(CaSO4)作用下会形成钙矾石，并使膨胀与强度均衡发展，取得预期效果。
2 试验部分
2．1 原材料
粉煤灰：四川江油发电厂原状干粉煤灰，含水率小于1％，45µm方孔筛筛余56％，为低钙粉煤灰，活性较低。
水泥：四川双马42．5R普通硅酸盐水泥，其28d抗压强度为49．4MPa。
石灰：市售磨细生石灰，有效CaO含量大于75％，80txm方孔筛筛余1．2％，密封备用。
石膏：市售磨细石膏，有效CaSO4·2H2O大于90％，80µm方孔筛筛余2．5％，密封备用。
砂子：ISO标准砂。
复合外加剂：自制。
2．2新型胶凝材料的制备
粉煤灰与石灰、石膏按
80：15：5的质量比混合均
匀并陈化5-7d；陈化好的样
品放入混凝土加速养护箱内
养护8h，养护温度为70cC；
然后放入105℃的烘箱内烘
干，再通过900℃煅烧和粉磨，制备成新型胶凝材料。
不同粉磨时间对细度的影响见表1。
2．3 膨胀剂的制备
将新型胶凝材料、石膏和复合外加剂按比例混合制备混凝土膨胀剂。
2．4试验方法
新型胶凝材料的细度、比表面积按GB／T 8074—1987、和GB／T1345—1991进行测试。
混凝土膨胀剂的性能按JC476—2001要求进行测试。
3 结果与讨论
3．1 试验结果
试验以石膏掺量、外加
剂掺量、新型胶凝材料的细
度3个影响因素，按L9(33)
正交试验设计，因素水平见
表2，试验结果和极差分析
见表3。
3．2 影响因素显著性分析
从表3试验结果分析，(1)如果只考察单个指标，水中7d限制膨胀率最优方案应为：A2B1C3；水中28d限制膨胀率的最优方案为：A2B3C3；7d抗折强度的最优方案为：A1B1C1；空气中21d限制膨胀率的最优方案为：A3B1C2；7d抗压强度的最优方案为：A1B2C3；28d 抗折强度的最优方案为：A1B3C1；28d抗压强度的最优方案为：A2B2C2。
由此可见，从单个考查指标分析出的最优方案是不同的，但实际情况要求考虑各因素水平的综合影响。
(2)对于水中7d的限制膨胀率，各因素的影响大小为：石膏掺量A>粉磨时间C>复合外加剂掺量B，即石膏的掺量影响最为显著，其次是粉磨时间的影响。
对于水中28d的限制膨胀率，各因素的影响大小为：粉磨时间C>石膏掺量A>复合外加剂掺量B，影响最大的是粉磨时间，其次是石膏掺量，外加剂的掺量仍然是影响最小的因素。
这说明在前期，石膏的加入能更有利于C2S的水化和钙矾石的形成。
而在后期，伴随着C2S的水化速度的进一步加快，胶凝材料组分与水化产物发生反应的机会增多，且颗粒细度越高影响更大。
而对于空气中21d的限制膨胀率，各因素的影响大小为：复合外加剂掺量B>石膏掺量A>粉磨时间C。
(3)非误差因素对7d抗折强度、7d抗压强度、28d抗折强度均为：石膏掺量A>粉磨时间C>复合外加剂掺量B;对28d抗压强度的影响大小为：石膏掺量A>复合外加剂掺量B>粉磨时间C。
综合考虑7、21、28d的限制膨胀率和7d、28d强度的影响，制备膨胀剂的最佳配合比为：A2B1C3，即：石膏掺量为20％，复合外加剂掺量为0，粉磨时间为35min。
3．3 重复试验
根据A2B1C3最优方案配
方，采用同样的实验方法进行
重复试验，结果见表4。
从表4可以看出，最优条
件下制备膨胀剂具有较好的
限制膨胀率和强度，符合
JC476—2001的规定，效果理
想。
由于石膏组分的加入使初
期水泥凝结变缓，但C12A7的存在会使C2S-C12A7-CaSO4·2H2O-H2O系统的各龄期的结合水量增加，且在后期有较大增长。
随着水化的深入，C12A7水化生成的Al(0H)3与C2S水化生成的Ca2+反应生成C3AH6，再与石膏生成AFt，加快了C2S的水化[3]，导致终凝提前。
4 结语
粉煤灰、石灰、石膏按照质量比80：15：5的比例混合，通过陈化7d、70℃蒸养8h和900℃煅烧制得了主要矿物为：C2S(2CaO·SiO2)、CA2(CaO·2A12O3)和C12A7(12CaO·7A12O3)的新型胶凝材料，这种胶凝材料可以与石膏配合制备混凝土膨胀剂。
粉磨35min(细度0．08mm筛筛余3．22％)的新型胶凝材料与石膏以质量比为80：20配合制得新型膨胀剂，通过试验，其性能符合标准JC476—2001的要求。
制备的膨胀剂中含有较多的石膏成分和铝酸盐矿物，掺入后使水泥的初凝时间有所延长，终凝时间有所缩短。