不同养护条件下GBFS高强水泥基材料的力学性能

石东升, 李 科, 薛欣欣, 韩佳彤,2

(1.内蒙古工业大学 土木工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010051;2.呼和浩特市市政工程技术服务中心, 内蒙古 呼和浩特 010020)

提高工业固体废弃物综合利用率,进行节能减排是中国近年来的一项重要工作[1].2018年中国粗钢产量达到9.28亿t[2],所产生的高炉矿渣超3亿t;同时,中国的天然砂资源短缺问题日益突出[3].粒化高炉矿渣(GBFS)的物理性能类似天然砂,其化学组成接近于水泥熟料,具有一定的潜在水硬性[4].早在20世纪80年代就有学者针对GBFS替代天然砂，用作混凝土细骨料进行研究.依田彰彦[5]研究发现,相同配合比条件下GBFS细骨料混凝土7d抗压强度低于普通天然砂混凝土,而5a抗压强度高出普通混凝土5%～18%.Patra等[6-7]研究表明,GBFS代砂混凝土及代砂水泥砂浆短龄期强度小于普通混凝土,但其长龄期强度随着代砂率的增加而增加.Gallucci等[8]研究表明,养护温度对混凝土早期强度有积极作用;Long等[9-10]研究发现,蒸汽养护会使混凝土发生肿胀变形、脆性增大等热伤损效应,但总体上能够提高混凝土的强度[11].

本文以GBFS替代部分石英砂,对GBFS高强水泥基材料进行力学性能研究,以期为拓宽钢铁废渣利用途径、缓解天然砂资源供需矛盾提供参考.

1 试验

1.1 原材料

水泥：符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥.石英砂：粗、中、细3种粒径分别为0.16～0.315mm、0.315～0.63mm和0.63～1.25mm.GBFS：某钢铁公司原状粒化高炉矿渣,由于原状矿渣中粒径0.16～0.315mm的组分占比很少,本试验选择粒径0.315～0.63mm、0.63～1.25mm和1.25～2.5mm的3种矿渣.硅灰：某硅材有限责任公司产,SiO2含量(质量分数,文中涉及的含量、水胶比等除特别注明外均为质量分数或质量比)大于91%.减水剂：聚羧酸高效减水剂.表1为原材料的化学组成.图1为GBFS和石英砂的显微照片.由图1可见,GBFS颗粒形状不规则,石英砂颗粒形状较规则.

表1 原材料的化学组成Table 1 Chemical composition of raw materials w/%

1.2 配合比

本研究选取GBFS高强水泥基材料的水胶比(mw/mb)为0.14和0.20;GBFS代砂率(体积分数)为0%、50%和100%.6种高强水泥基材料试件的配合比见表2.

1.3 养护条件

1.3.1标准养护

将拌和物浇入试模后,在其表面覆盖塑料薄膜,于20℃下室内养护12h;待试件脱模后,放入标准养护室((20±2)℃、相对湿度大于90%)中继续养护至试验龄期.

图1 粒化高炉矿渣和石英砂的显微照片Fig.1 Micrographs of GBFS and quartz sand

表2 试件配合比Table 2 Mix proportion of specimens kg/m3

1.3.2蒸汽养护

试件成型脱模(具体过程同标准养护)后,先将其放入蒸汽恒温恒湿箱((70±5)℃、相对湿度大于95%)中养护72h,再转入标准养护室中继续养护至试验龄期.

1.3.3高温压蒸釜养护

试件成型脱模(具体过程同标准养护)后,将其放入高压釜进行蒸压养护.高压釜养护过程分升温(1h)、恒温(2h)和降温(3h)3个阶段,其中恒温阶段压强设置为1.4MPa(换算成温度为190℃);待试件冷却后(约4h)取出,再转入标准养护室中继续养护至试验龄期.

1.4 测试方法

1.4.1力学性能测试

试件抗压强度和抗折强度试验依照GB/T 17671—1999《水泥砂胶强度检验方法(ISO法)》进行;试件弹性模量和劈裂抗拉强度试验依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行.

1.4.2微观形貌观察

利用激光共聚焦显微镜对7d龄期试件的骨料- 胶凝界面进行微观形貌观察.

2 力学性能试验结果

2.1 抗压强度和抗折强度

表3为不同养护条件下试件抗压强度和抗折强度试验结果.由表3可知：各试件28d抗压强度在标准养护、70℃蒸汽养护、高温压蒸釜养护条件下分别超过100、115、125MPa,其中高温压蒸釜养护条件下最高可达168MPa;而在不同养护条件下其抗折强度差别较大,最小值为13.6MPa,最大值为30.8MPa.

2.2 劈裂抗拉强度与弹性模量

由于劈裂抗拉和弹性模量试件体积较大,而试验用高温压蒸釜体积较小,无法进行高温压蒸釜养护下试件的劈裂抗拉强度和弹性模量试验,故表4

表3 不同养护条件下试件抗压强度和抗折强度Table 3 Compressive strength and flexural strength of specimens under different curing conditions MPa

表4 不同养护条件下试件28d劈裂抗拉强度和弹性模量Table 4 28d split tensile strength and elastic modulus of specimens under different curing conditions

仅列出标准养护与70℃蒸汽养护条件下试件28d劈裂抗拉强度和弹性模量试验结果.由表4可知,与标准养护相比,70℃蒸汽养护能够提高GBFS高强水泥基材料试件的劈裂抗拉强度与弹性模量,但试验数据离散性较大.

3 力学性能结果分析

3.1 抗压强度

由表3可见：(1)无论是何种养护方式,各试件的抗压强度均随着养护龄期的延长而增大,且相同代砂率、相同养护龄期条件下水胶比为0.14的试件抗压强度大于水胶比为0.20的试件.(2)高温压蒸釜养护条件下,0%代砂率试件Q14、Q20的3d抗压强度就能达到标准养护条件下28d抗压强度的110.6%和110.0%,且50%、100%代砂率试件(M14、M20,G14、G20)3d抗压强度可达标准养护条件下28d抗压强度.(3)70℃蒸汽养护条件下,试件G14、G203d抗压强度相比标准养护提高了28.4%和36.7%,且试件G147d抗压强度达到标准养护28d的102%.(4)当养护龄期为28d时,各试件在标准养护条件下的抗压强度与在高温压蒸釜养护、70℃蒸汽养护条件下的差距有所减小,且基本接近70℃蒸汽养护,但与高温压蒸釜养护仍有较大差距.由上可知,GBFS高强水泥基材料在高温压蒸釜养护、70℃蒸汽养护条件下的短龄期(3、7d)抗压强度明显高于标准养护,这是由于高温高压环境加速且充分促进了凝胶材料的水化反应,快速形成了水合物,致使GBFS高强水泥基材料早期强度高于标准养护,与文献[12-13]结论相一致.

由表3还可见：在标准养护和70℃蒸汽养护条件下,50%代砂率试件抗压强度最高,0%代砂率次之,100%代砂率最小;在高温压蒸釜养护条件下,0%代砂率试件抗压强度最高,50%代砂率次之,100%代砂率最低,但在7～28d养护龄期时,100%代砂率试件抗压强度增长率大于0%代砂率试件.这是由于GBFS具有潜在水硬性,高温压蒸釜养护促进了其潜在水硬性的发挥,使GBFS高强水泥基材料抗压强度增长率大于石英砂高强水泥基材料,与文献[14]试验结果一致;但由于GBFS颗粒形状不规则、自身缺陷较多,总体上GBFS高强水泥基材料的强度要低于石英砂高强水泥基材料.

3.2 抗折强度

由表3可知：(1)试件抗折强度变化规律与抗压强度一样,均随着养护龄期的延长而增大;当养护龄期相同时,各试件抗折强度大小依次为高温压蒸釜养护、70℃蒸汽养护和标准养护;试件在高温压蒸釜养护条件下3d龄期抗折强度要远大于标准养护.这是由于标准养护条件下凝胶材料水化反应缓慢,而高温高压促进了凝胶材料的水化反应,使试件在短期内提高了其抗折强度.(2)除水胶比为0.20的高温压蒸釜养护试件外,0%代砂率试件抗折强度最高、50%代砂率次之、100%代砂率最小.50%代砂率试件抗折强度大于100%代砂率试件,是由于50%代砂率试件中同时有GBFS和石英砂,既发挥了GBFS的潜在水硬性,又发挥了石英砂作为惰性材料和填充材料的作用.

3.3 劈裂抗拉强度

由表4可知：(1)在标准养护和70℃蒸汽养护条件下,代砂率对各试件28d劈裂抗拉强度的影响规律为0%代砂率>50%代砂率>100%代砂率.(2)相比标准养护,70℃蒸汽养护条件下,0%代砂率试件劈裂抗拉强度增长量最少;50%代砂率试件劈裂抗拉强度增长量较多;100%代砂率试件劈裂抗拉强度增长量最大,且100%代砂率试件28d劈裂抗拉强度与50%代砂率试件基本持平.

3.4 弹性模量

由表4可知：当水胶比为0.14时,3种代砂率试件在70℃蒸汽养护条件下的弹性模量相比标准养护提高较小,且均大于水胶比0.20时的弹性模量；水胶比为0.20时,3种代砂率试件在70℃蒸汽养护条件下的弹性模量相比标准养护增长幅度较大,石英砂高强水泥复合材料试件(Q20)提高了20%,GBFS高强水泥基材料试件(G20)提高了38%,混合骨料高强水泥基材料试件(M20)提高了42%.由上述分析可知,70℃蒸汽养护对于水胶比0.14的高强水泥基材料弹性模量影响较小,而对于水胶比0.20的高强水泥基材料影响较大,且水胶比为0.20时,不同代砂率的高强水泥基材料在70℃蒸汽养护条件下弹性模量提高幅度依次为：50%代砂率试件>100%代砂率试件>0%代砂率试件.

3.5 抗折强度与抗压强度的关系

对表3中试件的抗压强度与抗折强度关系进行拟合.结果表明：(1)3种养护条件下试件抗折强度均随着抗压强度的增加而增加.(2)对于代砂率为0%、100%的试件,当抗折强度相同时,高温压蒸釜养护条件下抗压强度最高;对于代砂率为50%的试件,当抗折强度相同时,70℃蒸汽养护条件下抗压强度最高.

3.6 劈裂抗拉强度与抗压强度的关系

对表3中试件的劈裂抗拉强度与抗压强度关系进行拟合.结果表明：(1)代砂率不同的各试件劈裂拉强度与抗压强度均呈正相关,且劈裂抗拉强度与抗压强度的比值为1/40～1/20.(2)随着代砂率的增大,试件的劈裂抗拉强度与抗压强度的比值逐渐减小.当代砂率为0%时,两者比值接近1/20；当代砂率为100%时,两者比值接近1/40.

3.7 弹性模量与抗压强度的关系

本研究分别借鉴许锦峰提出的经验公式[15]和GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》给出的弹性模量计算式,对3种代砂率试件的弹性模量与抗压强度进行拟合,结果见表5.

许锦峰提出的经验公式为：

(1)

GB 50010—2010给出的经验公式为：

(2)

式中：E为弹性模量;f为抗压强度;a、b为系数.

表5 不同代砂率试件弹性模量与抗压强度间的公式拟合Table 5 Formula fitting of elastic modulus and compressive strength of high strength cement-based materials with different sand replacement ratio

由表5可知,GBFS高性能水泥基材料与普通石英砂高性能水泥基材料相似,其弹性模量随着抗压强度的增加而增加,且弹性模量随抗压强度的增长速率依次为代砂率100%试件>代砂率50%试件>代砂率0%试件.

4 微观结构分析

图2为2种高强水泥基材料试件(Q14和G14)在不同养护条件下的激光共聚焦显微照片.由图2可见：100%代砂率试件(G14)与0%代砂率试件(Q14)一样,在标准养护条件下，其界面过渡区中的骨料与胶凝体有明显区分,可清晰分辨出界面;在70℃蒸汽养护条件下,虽然其界面过渡区能分辨,但形成了较窄的模糊过渡带,说明在蒸养环境下高强水泥基材料发育致密;在高温压蒸釜养护条件下,界面过渡区非常致密,骨料与胶凝浆体融为一体,已无法分辨过渡区.说明高温高压环境会促进高强水泥基材料内部的水化反应,这是导致在高温压蒸釜养护条件下高强水泥基材料的力学性能明显优于70℃蒸汽养护和标准养护的原因.由图2还可见：100%代砂率试件(G14)与0%代砂率试件(Q14)微观形式有明显不同,Q14内部骨料与胶凝浆体过渡区呈现直线形式,而G14中骨料与胶凝浆体呈不规则的曲线状,这是由于GBFS本身具有的不规则形状造成的.

通过以上分析可知,GBFS高强水泥基材料与普通石英砂高强水泥基材料一样，界面过渡区结构均随着养护温度的提高,变得越来越密实.70℃蒸汽养护和高温压蒸釜养护均能改善高强水泥基材料界面过渡区的微细观结构,使体系密实度进一步提高.尤其是高温压蒸釜养护使得过渡区水化填充效应得到不断改善,体系中的骨料颗粒与水化胶凝体紧密粘结在一起,从而使抗压强度得到提高.

图2 GBFS高强水泥基材料在不同养护条件下的显微照片Fig.2 Micrographs of GBFS high-strength cement-based materials under different curing conditions

5 结论

(1)GBFS高强水泥基材料强度发展规律与普通石英砂高强水泥基材料一致,其抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均随水胶比的降低、养护龄期的增加及养护温度的增高而增大;相同配合比、相同养护条件下,GBFS高强水泥基材料抗压强度等力学性能要低于普通石英砂高强水泥基材料.

(2)70℃蒸汽养护和高温压蒸釜养护不仅能提高GBFS高强水泥基材料的早期强度,还使其后期强度发展高于标准养护;3种养护条件下GBFS高强水泥基材料的抗折强度、抗劈裂拉强度和弹性模量均随着抗压强度的增加而增加,其中弹性模量与抗压强度的关系可用通常混凝土计算公式描述.

(3)GBFS高强水泥基材料与普通石英砂高强水泥基材料的微观结构相类似.在标准养护条件下,其骨料界面过渡区中的水泥浆体与骨料结合紧密,但可明显分辨;在70℃蒸汽养护条件下,其骨料界面过渡区进一步致密,形成了较窄的模糊过渡带,但依然可区分骨料和水泥胶凝体;高温压蒸釜养护条件下,其骨料与水泥胶凝材料融为一体,已分辨不出界面过渡区.