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《武汉理工大学》 2008年
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钢渣粉活性与胶凝性及其混凝土性能的研究

关少波  
【摘要】: 各种各样废弃的工业固渣,正极大威胁着我们的生存环境,钢渣就是典型的代表。钢渣由于化学成分及矿物组成波动大、含有少量不利成份、易磨性差且原料的预处理较困难等多种原因,特别是仍然缺乏钢渣利用的基本理论,因此严重阻碍了其在现代混凝土中的广泛应用。本文依托国家“十五”科技攻关计划项目(2003BA652C)“钢渣矿粉的工业化生产成套技术与工程应用开发”,针对上述钢渣粉再资源化利用的技术难题,开展了钢渣粉复合活化技术、钢渣粉活性、钢渣粉胶凝性、钢渣粉混凝土性能以及钢渣粉混凝土微结构形成机理的系统研究,主要工作成果如下。 系统研究了钢渣粉机械—化学复合活化技术和工艺参数,同比表面积情况下,该技术能显著提高钢渣粉颗粒的圆形度,并能改善钢渣粉颗粒的表面形状,从而提高钢渣活性;通过研究钢渣粉的物理填充效应、吸附效应、化学键合及其与水泥之间的相互作用,确定钢渣的活性效应;深入研究多种因素对钢渣胶凝性能的影响,发现不仅活性矿物组成对钢渣胶凝性有很大影响,钢渣的结构特征、颗粒形状,以及预处理方式和活化技术也对钢渣的胶凝性发挥起到关键作用;提出以钢渣掺量与掺加钢渣后水泥浆体强度变化率两个独立变量相结合的钢渣活性因子评价方法,并由此可确定有利钢渣活性的比表面积和掺量范围。 研究了钢渣粉及钢渣与矿渣或粉煤灰复掺对混凝土性能的影响,研究结果表明,对于本研究中高活性的钢渣粉,以10-50%取代42.5普通硅酸盐水泥可配制出强度等级为C20-C55、初始坍落度在20cm左右的大流动度混凝土;钢渣粉与矿渣粉、粉煤灰有较好的适应性,采取二元复合制备混凝土时,可以改善单掺钢渣粉混凝土的工作性能,在保持相应的早期强度情况下,也提高了混凝土的后期强度增长率;钢渣粉若与粉煤灰复合,则可明显降低混凝土各龄期收缩;钢渣粉与矿渣粉、粉煤灰一样可以提高混凝土抗氯离子扩散能力,且钢渣粉与矿渣粉、粉煤灰复合后,抗氯离子扩散能力更高。 在上述宏观性能研究基础上,利用XRD、DTA-TG、SEM、水化热等测试技术,深入研究了含钢渣粉、矿渣粉和粉煤灰水泥浆体水化产物的组成及微观结构特征,实验结果表明,水化早期掺合料的活性大小顺序为:钢渣粉>矿渣粉>粉煤灰,而水化后期活性大小顺序为:矿渣粉>钢渣粉>粉煤灰;对于填充效果,矿渣粉的填充作用最强,其次是钢渣粉,粉煤灰最差;在相同水化龄期内,钢渣粉与矿渣粉复合具有的填充效应比单掺矿渣粉还高,即二者具有良好的超叠加效应;钢渣粉、矿渣粉及粉煤灰三种掺合料单掺或复掺均能不同程度地降低水泥水化热;若综合考虑三种掺合料的早期活性,可以认为用钢渣粉配制早期强度要求相对较高的大体积混凝土更具有优势。 运用群子统计理论和渗流理论方法,揭示了钢渣水泥水化过程中的粒子相互作用、水泥石微结构形成规律,阐述了它们与宏观性能之间的关系。钢渣水泥石微结构与宏观性能之间的关系可以看成是分散增强相、分散劣化相及连续相在空间内的多色渗流问题,各相在空间内所占分数体积变化,尤其分数体积在渗流的临界阈值左右变化,均在较大程度上影响到钢渣水泥石宏观性能,本文首次运用水泥石孔隙率强度模型对含钢渣粉水泥浆体微结构进行验证,结果表明,钢渣在水泥水化早期即开始了水化,但因其水化活性相对较低,使其水泥石有一定向大孔隙率方向偏移,而水化活性低也使未水化钢渣颗粒在水化后期体现出一定的正效应(微集料效应),这在一定程度上说明了钢渣是一种“劣质熟料”。另外,从粉体运动角度看,水泥基复合材料实质是由不同各类、不同层次的群子组成,材料的性质决定于各级各类群子的竞争作用,可以建立各级各类群子参数与材料性能的关系,本文首次运用群子理论研究含钢渣粉水泥基复合胶凝材料的水化过程,其实质是“反应物和生成物所构成的群子竞争能力随时间变化的过程”,加水拌和后,浆体水化取决于水泥和钢渣粒子的凝聚和分散竞争作用,任何影响浆体水化的因素都可通过改变不同粒子凝聚与分散双方的竞争能力来实现,运用群子参数——群聚性标度可以有效地表示这种粒子间的竞争作用,当钢渣等掺合料引入时,复合体系粒子的粒径明显减小,即复合体系粒子的分散能力较好,掺合料活性越差,群聚性标度越小,这意味着水泥粒子处于该分散体系时的竞争能力高,即水泥粒子的分散性得到加强,根据这个理论,为了得到适宜的分散条件,在高值化利用钢渣过程中,必须进行钢渣组成与结构特性的分析,同时应进行钢渣细度和掺量的优化,由此获得性能优良的钢渣混凝土。
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