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鋼鐵渣高效利用技術系列報道(一) 室蘭鋼鐵廠用鋼渣骨料配制重混凝土的研究
信息來源:世界金屬導報      時間:2015-11-26 13:08:59


鋼鐵渣高效利用技術系列報道(一)

  室蘭鋼鐵廠用鋼渣骨料配制重混凝土的研究

      1 研究背景

  東日本大地震一年后不久,開始轉向制定震災修復、復興的具體方案規劃和各工程的執行階段。隨著這些工程的開展,預計工程所用主要建材混凝土的需求將會迅速增加,而且還需要大量的骨料。但是,一般情況下,混凝土用骨料從生產到消費是采取在較小地域內進行 “地產地消”型的流通形式。因為骨料的生產設備在地震中損壞或者從業人員到外地避難等因素,使靈活應對需求增長較為困難。因此,充分利用各產業的副產物(循環利用),既要滿足混凝土骨料的品質要求,又要保證大量穩定地供給,并不是容易的事情。

  此外,發生海嘯的規模遠超出預想,所以在修復、復興工程中,要求建筑提高對海嘯和波浪的穩定性。因此,考慮采用比常規大的結構物和重混凝土,即同樣尺寸建筑重量更大的結構物等對策。但是采用常規的技術和材料來實現這些措施,將會大幅度增加工程費用。

  對于上述兩個課題,進行了鋼渣作混凝土骨料的配合比開發,并用該配合料制造混凝土結構件。鋼渣與高爐渣不同,到目前為止還沒有作為混凝土骨料使用過。但鋼渣具有一定的品質,而且可以穩定、大量供給的特征,有望作為天然骨料的替代料利用。鋼渣的密度比天然骨料更大,所以,期待適用于對海嘯和波浪穩定性高的重混凝土結構件的混凝土,而且價格便宜,并可大量生產。在開發這種混凝土配合比的基礎上,使用受災地區內的預拌混凝土廠等生產混凝土結構件,用有限的預算進行技術驗證。

  2 鋼渣作為混凝土骨料的試驗研究

  為了將鋼渣作為混凝土骨料使用,使其生產的預拌混凝土的施工性和硬化特性等性能具有與采用天然骨料生產的常規混凝土同等的性能非常重要。在開發以鋼渣為骨料的重混凝土中,除混凝土容重外,要求其性能與常規混凝土性能同等。

  在這項研究中,為了詳細掌握鋼渣的物性、以鋼渣為骨料的混凝土的適宜配合比以及諸性能和特性,進行了以下驗證研究;根據各試驗結果,對鋼渣用作混凝土骨料的適合性進行了評價。

  2.1 測定鋼渣骨料的物性試驗

  為了掌握鋼渣骨料的物性和特性,開展了各種物性試驗(見表1)。除普通的粒度分布和粉化率試驗外,還調查了蒸汽陳化條件與膨脹量的關系,重新評價了生產細骨料時的篩子形狀與其粒度分布的關系,整理了為保證作為混凝土骨料的鋼渣品質的條件。

    2.1.1 骨料的浸水膨脹試驗

  鋼渣含有的游離CaO和游離MgO與水接觸產生水化反應,伴隨該反應發生體積膨脹。該水化反應在幾百攝氏度的范圍內是溫度越高反應越快,所以,包括室蘭廠在內的許多鋼鐵廠采用蒸汽陳化進行鋼渣穩定化處理后,將其作為路基料等產品發貨。

  在此,為調查這種陳化處理時間與鋼渣膨脹性的關系,實施了浸水膨脹試驗(JIS A5015)。試驗方法是將填充24h、48h和72h陳化處理后鋼渣的模型浸入80℃的水中(見圖1),促進鋼渣膨脹后,用設置在容器上面的千分表測定膨脹量。浸水條件是80℃保持6h,反復10天。

    試驗結果表明:隨著蒸汽陳化時間的延長,浸水膨脹試驗鋼渣的膨脹量減少,通過72h的陳化,水化反應基本結束(見圖2)。但是,在進行72h陳化時,鋼渣的膨脹性并未完全被抑制,鋼渣骨料的膨脹有可能影響混凝土的品質,因此在使用中需要進行骨料的品質管理和適當選擇混凝土用途。

    2.1.2 骨料的耐磨損性試驗

  在骨料運輸和混凝土的攪拌中破碎的脆骨料出廠時的粒度分布范圍很大,不能獲得規定品質的混凝土。因此,混凝土用骨料要求不易產生破碎和耐磨損性的硬度。在此,采用洛杉磯試驗機的耐磨損試驗方法(JIS A1121),求出鋼渣粗骨料的耐磨損性。用實際混凝土使用的天然骨料作為比較對象。

  試驗方法是將直徑46.8mm的鋼球和骨料投入到試驗裝置(見圖3),旋轉規定的轉數后,求出通過1.7mm篩子的重量率(磨損減少量)。根據試驗結果確認,鋼渣骨料具有與天然骨料同等的耐磨損性(見圖4)。

    2.2 鋼渣骨料混凝土配合比的研究

  天然骨料的供給狀況因地域性和時間有波動。因此,可以根據需要組合骨料非常重要,即僅將粗骨料或細骨料置換為鋼渣骨料以及將粗骨料和細骨料均置換為鋼渣骨料。試驗中,設定這種組合骨料的案例,研究了滿足混凝土所要求品質(新拌混凝土性能、硬化特性)的配合比。

  關于硬化特性,在確認抗壓強度和抗折強度的基礎上,重點直接測定了鋼渣骨料混凝土的凍融耐久性、干燥收縮量、中性化速度、鹽分侵蝕性,還測定了2.5nm~10μm的細孔徑分布,嘗試觀察了微觀結構的變化(見表2)。此外,為評價鋼渣骨料混凝土對環境的影響,進行了溶出試驗。以下介紹試驗結果。

  2.2.1 配合比試驗

  混凝土根據骨料、水和添加劑等的種類以及配合比,混合時的性狀和硬化特性發生敏感變化。因此,為了找出滿足適合鋼渣骨料使用條件的配合比,進行了變化配合比的多次試驗,從中掌握使用鋼渣骨料混凝土的特征,選擇符合使用條件的適當配合比。試驗結果表明,通過適當修正細骨料率、單位水量等配合比條件,獲得了與使用天然骨料混凝土同等的新拌混凝土性狀。

  2.2.2 耐凍結性和耐融化性試驗

  一般的耐凍結性和耐融化性指標是凍結融化循環300次相對動彈性模量保持在60%,也包括使用天然細粗骨料的混凝土,在各鋼渣骨料的使用條件配合比中,確認了滿足要求的耐凍結性和耐融化性(見圖5)。

    2.2.3 膨脹穩定性試驗

  根據鋼渣水化固化技術手冊,進行了混凝土膨脹穩定性評價試驗。該試驗將混凝土試樣連續10天浸在80±3℃的溫水中后,確認混凝土表面是否有裂紋等異常現象(見圖6)。從試驗結果中沒有觀察到這些異常現象,使用鋼渣的混凝土沒有出現問題。如上所述經過72h的蒸汽陳化也不能完全抑制鋼渣骨料的膨脹性,但確認了鋼渣作為混凝土骨料,可以穩定化處理到沒有問題的狀態。

    在其他的抗壓強度、鹽分浸漬、細孔結構等各種硬化特性的試驗結果中,沒有發現使用鋼渣骨料的影響。另一方面,關于干燥收縮量,發現使用鋼渣骨料的常規普通混凝土比使用天然骨料的要小,中性化略差。

  為確認使用鋼渣骨料的混凝土對周圍環境是否有影響,采用相同目的進行的試驗方法對使用鋼鐵渣的建材(包括鋼鐵渣水化固化體)進行了溶出試驗。采用關系到水底泥沙的判定標準(環境省告示第14號)、環境JIS(JIS K0058-1和-2)進行了評價。所有的分析項目都在標準值以內,確認了使用鋼渣骨料的混凝土對環境沒有影響。

  2.3 重混凝土配合比的研究

  為加大混凝土的容重,進一步提高使用鋼渣骨料的混凝土配合比,進行了重混凝土配合比的研究。這里重混凝土的目標容重為2.5-2.7t/m3。在混凝土材料中,要求盡可能減少密度最小的水的配比量,相反增加密度最大的鋼渣骨料的配比量。由于擔心混凝土拌合料的抗離析性和經時穩定性降低,所以著手研究和選擇可以同時解決這些問題的混凝土用化學添加劑,之后,進行了混凝土配合比的研究和硬化特性的測定。

  本試驗用鋼渣作為骨料,為確保良好的混凝土性狀,需要與使用天然骨料時不同的添加劑。在降低單位水量的重混凝土配合比中,這一傾向很明顯。本研究開發了新的添加劑,在確立滿足目標新拌混凝土性狀和單位容積重量(2.5-2.7t/m3)的配合比條件的同時,確認各種硬化特性也可以適用重混凝土。

  2.4 實際工廠的混凝土生產、施工試驗

  從實驗室試驗確立的配合比中選擇兩種,在位于南相馬市的預拌混凝土工廠進行了實際規模的生產、施工試驗的最終評價。

  在南相馬市內的加藤建材工業公司的現場,實施了消波混凝土砌塊、梁狀有筋結構件的混凝土澆筑施工試驗。消波砌塊的規格為東北POLE制的6.3m3型(見圖7),梁狀有筋結構件為高50cm、寬50cm、長3m的D13

  200,分別采用天然骨料的普通混凝土、僅將粗骨料置換為鋼渣的替代粗骨料混凝土和置換粗骨料與細骨料的重混凝土三種混凝土,澆筑了混凝土消波砌塊和梁狀有筋結構件。

  2012年10月23日,將室蘭廠生產的鋼渣運送到有攪拌混凝土設備的加藤建材工業公司,10月27日進行了混凝土的生產和澆筑試驗。在試驗結果中,沒有發現因使用骨料種類不同而導致施工性不同的問題,在使用所有骨料的混凝土中,施工性均良好。在混凝土澆筑的5天后,11月1日進行了拆模作業,所有的混凝土表面都沒有發現裂紋等缺陷。

    2.5 利用鋼渣骨料混凝土的實用性

  一般普通混凝土單位容積的重量是2.3t/m3,而驗證試驗獲得的混凝土中,替代粗骨料的混凝土達到2.5t/m3,至于重混凝土則達到了2.7t/m3。可以最有效地利用這一特征的用途有港灣混凝土結構件的消波塊等。

    2.5.1 對波浪的穩定性

  具有一定規模的大浪所需消波塊的最小重量是根據港灣設施技術標準中Hudson公式求出的。根據海水的浮力效果等,混凝土的單位容積重量如果增大到1.13倍(=2.7/2.5),要求消波塊的最小重量大約可減輕到一半(0.53倍),效果非常大(見圖8)。此外,消波塊的大小相同時,對大波浪的重量安全系數可提高約2倍。在此的重量安全系數是指相對于大波浪所需消波塊重量的實際消波塊重量。

  一般的人工礁等港灣、海洋結構件根據消波塊設置的海域水深等,規定最低限度所需的結構件規模,雖然推測根據混凝土單位容積的重量可以大幅削減數量的案例少,但重量安全系數大幅度提高的案例較多。

    2.5.2 混凝土價格

  重混凝土使用的天然骨料有橄欖巖,這種骨料價格高。使用這種骨料的重混凝土作為新拌混凝土是普通混凝土的約1.5倍。而根據離鋼鐵廠的遠近和運輸方法的不同,可以與普通天然骨料同樣的價格獲取鋼渣骨料,所以,將鋼渣作為重混凝土骨料使用,可大幅度降低原料成本。

  2.5.3 密度大的天然骨料的稀有性

  上述的橄欖巖等,也作為鋼鐵廠燒結原料的改質料利用,是各工業領域利用的材料,但其埋藏量有限。因此,用鋼鐵廠副產品鋼渣替代這種稀有的天然材料作為混凝土骨料利用,不僅是混凝土,還可能對更廣泛的領域產生連鎖反應。根據上述觀點,用本研究開發的鋼渣骨料混凝土配制重混凝土可以說是極有效的建筑材料。

  3 小結

  通過各種試驗和研究,判斷鋼渣骨料替代的混凝土可以作為普通混凝土和重混凝土使用,但在實際應用方面,今后還需要研究以下課題:1)與普通混凝土特性的比較;2)品質管理;3)發展業務。(全榮)

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