碳化钢渣骨料及混凝土的制备和性能研究

发布时间：2017-10-19 13:25

  本文关键词：碳化钢渣骨料及混凝土的制备和性能研究

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【摘要】：我国钢渣年排放量近亿吨,但利用率很低,利用量仅占总量的20%左右。钢渣的体积稳定性及其易磨性差,限制了其在建材领域的大宗利用;钢渣内含有重金属元素等有害物质,如不妥善处理则会危害环境。碳化是利用钢渣的有效手段,通过人为固定二氧化碳于钢渣中的方式,既可解决钢渣的安定性问题,使之大量应用成为可能,同时也可吸收大量二氧化碳,缓解温室效应。研究表明,钢渣作为骨料可显著提高混凝土力学性能,但由于其游离钙、镁等含量超标,严重影响混凝土耐久性,而且,钢渣的多棱角、多凹孔结构易形成“自锁”和“壁垒”效应,降低混凝土工作性能,进而浪费胶凝材料。通过优化碳化工艺,采用粗磨钢渣制备人造椭球形骨料配制混凝土,经优化级配增加填充密度,不仅保护环境,且消除了钢渣结构和化学组成固有的劣势,节省胶凝材料。碳化钢渣骨料与水泥基的亲和性也将进一步提高混凝土各项性能。本论文采用五因素五水平正交试验确立碳化钢渣骨料最优工艺参数,并根据Fuller分布及数据模拟优化骨料粒型和集配。通过游离氧化钙及氧化镁含量、压蒸及沸煮法测定骨料及混凝土体积稳定性。采用电通量、快速氯离子迁移、快速冻融等实验研究碳化钢渣骨料混凝土耐久性能。通过热重分析、X射线衍射分析、扫描电镜、能谱分析、孔结构分析、水化热分析等研究骨料及混凝土微观形貌及性能。取得主要研究结果和结论如下:碳化钢渣骨料基本性能各因素对钢渣抗压强度的影响程度按由大到小的顺序依次为掺水量、碳化压力(或二氧化碳分压)、碳化温度、成型压力、碳化时间等。当掺水量为12wt.%,成型压力为9MPa,碳化温度为60℃,碳化气压为0.1MPa,碳化时间为8h时,碳化钢渣骨料力学性能最优。骨料经碳化后游离氧化钙含量由大于7wt.%降低至不足1wt.%;有害孔体积降低24.4%,少害孔体积升高67.9%;主要碳化产物为纺锤体碳酸钙颗粒。在最优碳化制度下,碳化钢渣骨料压碎指标为18.30%,表观密度为2650kg/m3,满足GBT 14685-2001《建筑用卵石、碎石标准》。虽然碳化骨料吸水率超标(8.91%),但骨料吸水速率缓慢,吸水时间长达12小时,混凝土工作性能未明显降低,且泌水离析等现象得以显著改善。碳化钢渣骨料对混凝土基本性能及体积稳定性影响碳化钢渣骨料混凝土较天然骨料混凝土7、28、60天抗压强度提高幅度为15%~20%;流动性略有下降,无泌水离析现象;浇筑试样表面更为致密,宏观缺陷较少。虽然碳化钢渣骨料内MgO含量较高(约4wt.%),但经推测大部分镁的化合物可固溶到其他硅酸盐矿物中而不易引起体积稳定性不良。碳化骨料经沸煮和压蒸后未开裂、粉化;骨料减活性实验中,试样膨胀值小于0.1%,故碳化钢渣骨料及其混凝土的体积稳定性满足相关标准。相比较,未处理的破碎钢渣骨料混凝土严重胀裂,体积稳定性严重不良。碳化钢渣骨料对混凝土抗氯离子渗透、抗冻融性能影响电通量法、快速氯离子迁移结果显示,碳化钢渣骨料混凝土较天然骨料混凝土的抗氯离子渗透性能提高约2倍左右。在淡水冻融环境中,碳化钢渣骨料混凝土试样可经受约300次冻融循环,相对于普通混凝土的不到140次循环,抗冻融性能较好;在浓度为3wt.%盐溶液中,碳化钢渣骨料混凝土试样可经受约110次冻融循环,相对于普通混凝土的不到5次循环,抗盐冻性能显著提高。通过研究骨料界面过渡区显微硬度,碳化钢渣骨料和石灰石质骨料的界面过渡区平均厚度分别为约50μm和约35μm,维氏硬度分别为约43和约28。通过扫面电镜观察过渡区形貌,在天然骨料的周围观察到宽度约2至5μm的缝隙,而碳化钢渣骨料周围致密无缝隙、气孔。碳化钢渣骨料对混凝土自修复性能影响水化28天的水泥浆体及碳化钢渣骨料的7天水化放热量分别为约50J/g和约90J/g,碳化钢渣骨料放热速率在水化约2天时超过龄期为28天的水泥浆体通过多次破坏-修复循环实验,碳化钢渣骨料混凝土的自修复性能更为明显:初始抗压强度为67MPa的试样,在前三次破坏-修复循环中可保持抗压强度在60MPa以上,在第四次下降至29至38MPa。破坏并养护90天的碳化钢渣骨料混凝土声时由30μs下降至29.6μs,幅值由0.252V提升至0.648V,主频均保持在50kHz。天然骨料混凝土则不具备显著的自修复性能。碳化钢渣骨料的修复机理为水化碳化协同作用,其最终形成的产物主要为碳酸钙、氢氧化钙、水化铁铝酸钙及大量无定型的硅凝胶。
【关键词】：碳化 钢渣 混凝土 自修复 骨料
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU528
【目录】：

• 摘要8-10
• abstract10-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 课题研究背景14-15
• 1.2 研究目的与意义15-16
• 1.3 国内外研究进展16-24
• 1.3.1 钢渣骨料的应用进展16-19
• 1.3.2 钢渣碳化的研究进展19-21
• 1.3.3 骨料堆积形态的研究现状21-23
• 1.3.4 混凝土自修复性能研究现状23-24
• 1.4 本论文主要研究内容24-26
• 第二章 实验方案设计与研究方法26-38
• 2.1 原料26-27
• 2.2 研究路线图27
• 2.3 测试方法27-35
• 2.3.1 骨料制备27-30
• 2.3.2 骨料基本性能测试30-32
• 2.3.3 混凝土制备32
• 2.3.4 混凝土基本性能测试32-33
• 2.3.5 混凝土耐久性测试33-34
• 2.3.6 混凝土自修复性能测试34-35
• 2.4 主要设备仪器35-38
• 第三章 碳化钢渣骨料制备参数优化及基本性能38-52
• 3.1 骨料制备最优工艺确定38-41
• 3.1.1 正交实验设计结果38-39
• 3.1.2 最优工艺参数确定（极差分析）39-41
• 3.2 骨料体积稳定性实验41-42
• 3.2.1 压蒸实验41-42
• 3.2.2 沸煮实验42
• 3.3 骨料基本性能42-44
• 3.3.1 力学性能43-44
• 3.3.2 经时吸水率44
• 3.3.3 碳化深度及游离钙含量44
• 3.4 碳化骨料孔结构及碳化产物成分、形貌44-50
• 3.4.1 碳化骨料孔结构分析44-46
• 3.4.2 碳化产物成分46-49
• 3.4.3 碳化骨料微观形貌49-50
• 3.5 本章小结50-52
• 第四章 碳化钢渣骨料级配优化及混凝土的基本性能52-66
• 4.1 混凝土级配优化52-56
• 4.1.1 骨料粒型确定52-53
• 4.1.2 骨料级配优化53-55
• 4.1.3 骨料填充体积55-56
• 4.2 混凝土基本性能56-58
• 4.2.1 混凝土拌和物和易性56-58
• 4.2.2 混凝土力学性能58
• 4.3 混凝土抗氯离子渗透性58-59
• 4.4 混凝土抗冻融循环性能59-60
• 4.5 混凝土骨料界面过渡区性能60-63
• 4.5.1 界面过渡区硬度、宽度61
• 4.5.2 界面过渡区微观形貌61-62
• 4.5.3 混凝土冻融破坏模型62-63
• 4.6 混凝土体积稳定性63-65
• 4.7 本章小结65-66
• 第五章 碳化钢渣骨料混凝土自修复性能研究66-80
• 5.1 混凝土修复潜力评定66-69
• 5.1.1 混凝土有效修复面积66-67
• 5.1.2 碳化钢渣骨料水化性能67-69
• 5.2 混凝土修复性能69-74
• 5.2.1 碳化钢渣骨料微裂缝愈合69-70
• 5.2.2 超声波检测70-72
• 5.2.3 超声波图谱快速傅里叶变换72-73
• 5.2.4 混凝土破坏-修复循环73-74
• 5.3 碳化钢渣骨料混凝土自修复机理分析74-78
• 5.3.1 骨料水化产物微观形貌及元素分布74-75
• 5.3.2 骨料水化产物定性分析75-76
• 5.3.3 碳化钢渣骨料自修复机理分析76-78
• 5.4 本章小结78-80
• 第六章 结论与展望80-82
• 参考文献82-92
• 致谢92-94
• 附录94

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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5 王博;刘家祥;罗s，

本文编号：1061346