钢渣骨料膨胀与硬化混凝土性能外文翻译资料

 2022-08-03 16:34:59

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钢渣骨料膨胀与硬化混凝土性能

Alexander S. Brand , Jeffery R. Roesler

（Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA）

摘要：钢渣（SFS）是一种工业副产品，由于其含有大量的游离钙和镁的氧化物，在水化时会膨胀，所以不常用于绑定应用。在本研究中，开发了一种使用络合滴定法，热重分析和热压罐膨胀来快速筛选SFS团聚体的游离氧化物含量和膨胀潜力试验过程。选取三种SFS骨料源中的两种(高膨胀和低膨胀)作为混凝土粗骨料进行试验。试验结果表明，混凝土中添加SFS骨料具有良好的强度性能、良好的冻融耐久性和优异的断裂性能。然而，这些SFS骨料比白云石骨料混凝土产生更大的自由干燥收缩。对于膨胀潜力较低的SFS集料，硬化性能试验表明SFS可能是一种适合混凝土的集料。

关键词：钢渣（SFS）；电弧炉炉渣（EAF）；碱性氧气炉渣（BOF）；高压釜膨胀；游离氧化钙；游离氧化镁

1 介绍

钢渣是钢铁生产的副产品，2012年全球钢渣产量为1.5-2.3亿吨[1]。现代SFS是在将铁转化为钢的碱性氧气炉（BOF）中生产的，或通过熔化废钢生产钢的电弧炉（EAF）中生产[2]。转炉炉渣也称氧气顶吹转炉炼钢渣或LD转炉炉渣。在这些过程中，方解石或白云石熔剂被添加到钢水中以去除杂质，其结果被称为炉渣，由各种硅酸盐和氧化物矿物相的固溶体组成[2,3]。产生SFS的杂质去除过程将游离氧化钙（CaO）和/或游离氧化镁（MgO）引入熔渣中，两者在水合时膨胀。

虽然SFS的组成取决于许多因素，但SFS的氧化铁含量通常大于20%（按重量计），石灰与二氧化硅的比例大于7:3，硫含量较低（lt;0.2%）[4]。转炉和电炉炉渣的主要矿物学相为硅酸二钙（2CaO–SiO2）、铁酸二钙（2CaO–Fe2O3）和方铁矿（FeO）[5]。BOF的游离CaO含量通常在1%到10%之间，EAF的游离CaO含量通常在0%到4%之间[6]。

氢氧化钙[Ca（OH）2]和氢氧化镁[Mg（OH）2][7]的固体体积分别增加了91.7%和119.6%。这些反应都是拓扑化学反应，这意味着氢氧化物化合物向外演化，导致应力集中，从而在受限或约束应用中导致微裂纹[7]。由于SFS集料的膨胀率可接近10%[8]，SFS一般不用于受限或约束应用。尽管如此，SFS坚硬耐用的特性使其成为沥青路面、铁路道碴和填充材料以及冰雪控制的良好候选材料[9]。

在北美，已报道了对受损SFS骨料项目当在混凝土[10]和回填[11,12]中使用时的若干辩论调查。在欧洲，最近的案例研究报告了SFS骨料在混凝土中的成功应用，例如西班牙的Labein Tecnalia Kubik建筑[13]，以及应用于希腊的混凝土路面和自密实混凝土[14,15]。

尽管存在有害膨胀的可能性，但大量实验室研究表明，掺SFS的混凝土可以提高混凝土强度和模量。同时，很少有研究对SFS进行全面的表征，并检验膨胀潜力以及硬化混凝土的性能，包括耐久性。尽管耐久性试验条件（如加速老化）相当苛刻，但大量使用SFS的混凝土研究表明，其强度性能和冻/融和/或湿/干耐久性可接受[16–22]。

本研究的主要目的是检查三种不同SFS源的化学和矿物学组成、膨胀潜力和游离氧化物含量。此外，使用SFS骨料对几种混凝土混合料进行配料，以表征含有SFS的混凝土的性能，并比较其对混凝土强度、断裂、收缩和冻融耐久性的影响。

2 材料和实验方法

2.1 集料

三种SFS粗骨料分别为BOF、EAF和EAF/LMF。在钢包冶金炉（LMF）中，可以在电弧炉处理后向钢水中添加补充合金化剂或助熔剂，以确保最终钢产品的适当化学性质。作为对照混合料，还评估了碎白云石粗骨料。天然砂用作所有混合物的细骨料。经评估的骨料物理性质包括级配（ASTM C136[23]）、比重（ASTM C127和C128[23]）和单位重量（捣棒法）（ASTM C29[23]）。

2.2 化学和矿物学特征

利用粉末X射线衍射（XRD）分析了SFS的矿物组成。使用西门子-布鲁克D5000 XRD，该XRD利用铜（Cu）Kalpha;辐射，具有石墨单色仪和闪烁探测器。扫描范围为10～80，增量为0.02，扫描速度为0.5度/分钟。研磨SFS样品，收集通过#100筛（6150 lm）和#325筛（644 lm）的颗粒进行分析。

电感耦合等离子体（ICP）光谱法是一种常规应用于SFS定量元素分析的技术[24–31]。本研究使用PerkinElmer Optima 2000DV ICP-OES进行了电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）。受试样品的颗粒全部通过#100筛（6150 lm）。成分检测仅限于典型SFS样品中的主要元素，即铁、钙、硅、镁、锰、铝、钛、硫、磷和铬。

乙二醇和络合滴定法以前曾用于测定水泥和熟料中的游离CaO含量[32]，但也应用于SFS[5,27,33–39]。乙二醇将与存在的任何游离CaO形成络合物，但也将与存在的部分，但不一定全部的Ca(OH)2形成络合物[40]。加入酚酞作为指示剂，然后用盐酸（HCl）滴定溶液以测定钙含量。乙二醇值（EGN）表示从样品中的游离CaO和游离Ca(OH)2中溶解的CaO总量，按式（1）确定，其中m是SFS样品的初始质量（单位：g），NHCl是HCl的当量浓度，VHCl是滴定HCl的体积（单位：mL），Vblank是对空白乙二醇样品中滴定的HCl体积（单位：mL）的校正值（发现该值为零，因为乙二醇的pH值相对中性），F是等效因子，该方法和方程的等效因子F为28[41]。

(1)

由于乙二醇也溶解Ca(OH)2，热分析可与络合滴定结合使用，以更好地改进SFS中游离CaO含量的测定[31,33,36,38,39,42,43]。在这项研究中，进行了热重分析（TGA）以测定SFS中的氢氧化物和碳酸盐含量。在该分析中使用TA仪器Q50 TGA，其以每分钟10℃（50 °F）的加热速率将20 mg粉末SFS样品加热至1000℃（1830°F）。氮气用作吹扫气体，流速为60 mL/min，用于样品吹扫，40 mL/min，用于天平吹扫。选择氮气环境以防止样品中游离氧化物和氢氧化物相碳化。

2.3 膨胀试验

ASTM D4792规定了骨料的常规膨胀试验。先前的试验表明，SFS骨料比天然骨料具有更大的膨胀性[44]。然而，由于氧化镁水化所需时间可能超过ASTM D4792中建议的7天最小膨胀时间，因此本研究中的试验方案采用了高压釜膨胀试验，其中样品在300 psi（2.1 MPa）和420 °F（216 ℃）下经受蒸汽3小时，类似于ASTM C151水泥高压釜试验。本试验方法改编自Edw.C.Levy公司（J.Yzenas，个人通信，2014）制定的程序。由于先前的研究表明骨料级配会影响SFS的膨胀[45,46]，因此对材料进行筛分和重新分级（表 1），以便直接比较具有相似级配的不同SFS样品的膨胀。此外，还测试了“单粒子”尺寸级配，其中只有颗粒通过1/4英寸（6.35 mm）筛子，保留在#4（4.75 mm）筛子上。

如图 1所示，压实骨料样品的模具组件由固定在底板上的样品模具组成。试模为3.1英寸（7.9厘米）和2.3英寸（5.8厘米）高。一个延伸环被连接到样品模具上，其中一根杆和一个堆载物被放置在压实样品的顶部。杆的重量加上超载是3.22磅（1460克）。阀杆被打孔以使蒸汽进入样品。使用5.50-lb（2.5 kg）的锤子从12英寸（30厘米）的高度落下，对试样进行压实。骨料分三层压实，每层25击。用直尺从模具上切下多余的材料，以确保试样的初始高度恒定。骨料在压实前经过烘箱干燥。

使用固定在固定支架上的千分表，在高压灭菌前（hi）和高压灭菌后（hf）测量样品顶部的杆高度，单位为英寸。该高度也是相对于蒸压前（refi）和蒸压后（reff）样品恒定长度的参考样品测量的。如式（2）所示，膨胀率（e）是相对于样品的标距长度（G）确定的，即2.3英寸（5.8厘米）。

(2)

2.4 混凝土性能

平均测试三个试样的抗压和劈裂抗拉强度（AASHTO T22和T198[47]）、自由收缩（AASHTO T160[47]）和冻融耐久性（AASHTO T161[47]）。强度采用4times;8英寸（100times;200毫米）进行评估。采用3times;3times;11.25英寸（75times;75times;285毫米）的棱柱体进行收缩和冻/融耐久性试验。养护24h后，收缩样品放置在环境室内（23℃/73°F下相对湿度为50%）。

表 1热压罐膨胀试验用目标密实级配

经过

保留在

质量百分比

1/2 in. (12.5 mm)

3/8 in. (9.5 mm)

14

3/8 in. (9.5 mm)

1/4 in. (6.35 mm)

17

1/4 in. (6.35 mm)

4 (4.75 mm)

10

#4 (4.75 mm)

8 (2.36 mm)

21

#8 (2.36 mm)

#16 (1.18 mm)

14

#16 (1.18 mm)

#30 (0.6 mm)

9

#30 (0.6 mm)

#50 (0.3 mm)

8

#50 (0.3 mm)

#100 (0.15 mm)

4

#100 (0.15 mm)

#200 (0.075 mm)

3

图 1高压灭菌器膨胀模的部件（a）和完整组件（b）

此外，根据双参数断裂模型[48,49]和断裂工作方法[50]，对四根梁进行了断裂性能测试。使用单边切口梁（SENB）进行断裂试验，测量150times;80times;700 mm（5.9times;3.1times;27.6英寸），跨度为600 mm（23.6英寸），在跨中切割三分之一深度的切口。

3 结果与讨论

3.1 SFS特性

SFS骨料物理性质如表 2所示，为三次试验的平均值。由于铁含量高，SFS具有比天然骨料更高的比重和单位重量。SFS和白云石的吸附能力相似。在本研究中发现，SFS骨料来源具有比白云石粗骨料更细的粒度分布。

表 2 SFS骨料物理性质

转炉

电弧炉

EAF/LMF

白云石

天然砂

相对SG（OD）

3.26

3.64

3.45

2.67

2.63

相对SG（SSD）

3.3

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