含电弧炉渣骨料和粉煤灰的碾压混凝土路面的抗压强度和耐久性能外文翻译资料

 2022-01-07 22:27:43

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含电弧炉渣骨料和粉煤灰的碾压混凝土路面的抗压强度和耐久性能

Ngoc-Tra Lam , Duc-Hien Le , Saravut Jaritngam

胡志明市开放大学土木工程学院

摘要：本研究调查了电弧炉（EAF）矿渣骨料和粉煤灰对碾压混凝土路面（RCCP）的抗压强度和耐久性（即吸水性，耐磨性和抗硫酸盐性）的影响。用于三个水平（即0％，50％和100％） 的EAF炉渣骨料作为天然骨料替代物，用三种比例（即0％，20％和40％）的粉煤灰代替水泥。本研究中使用的EAF炉渣聚集体暴露于室外条件下几个月，以减少体积不稳定性。通过土壤压实法测定RCCP混合比例。在3天，7天，28天和91天时检测RCCP的抗压强度。同时，测定RCCP在91天龄时的吸水性，耐磨性和抗硫酸盐性来研究耐久性。此外，测量了用EAFslag骨料制成的砂浆棒的长度变化，来评估由高压釜条件和碱 - 硅反应（ASR）条件引起的EAF炉渣的膨胀潜力。另外，用X射线衍射分析来鉴定高压釜和ASR测试条件下砂浆图案的结晶相。结果表明，含有电弧炉渣骨料的RCCP的抗压强度和抗硫酸盐性能略有下降，而吸水和耐磨性与传统的RCCP相比有所提高。此外，使用粉煤灰作为水泥替代物可以提高长期钢渣-RCCP的抗压强度。更换20％的粉煤灰后的炉渣-RCCP可以满足路面的强度和耐久性要求。此外，砂浆杆长度变化的扩展表明，经过适当处理后的EAF炉渣骨料在高压釜条件和ASR试验下具有一定的体积稳定性。

1.简介

在过去十年中，世界钢铁产量迅速增加，2012年，2013年和2014年分别生产了约1560亿吨，1650亿吨和1670亿吨粗钢。电弧炉（EAF）炉渣是钢铁生产过程中产生的副产品，每吨钢液生产约150-200公斤EAF炉渣。在越南，2015年获得了约100万吨电弧炉渣。电弧炉渣作为混凝土中的天然骨料越来越受欢迎，既可以减少环境污染，又可以减少废物储存区，同时节省成本。电弧炉渣可以代替多种混凝土中的天然骨料，如传统混凝土，高性能混凝土，碱激发混凝土。试验结果表明，用EAF矿渣骨料制成的混凝土增加了35％-45％的强度，并提高了水泥的耐久性。 含有钢渣的粗骨料的碱激发混凝土有足够的结构强度，但耐久性值略有下降。 尽管使用EAF矿渣混凝土的混凝土的机械性能和耐久性得到了很多研究，但很少有EAF渣骨料制成的碾压混凝土的力学性能和耐久性进行研究。

碾压混凝土是一种坚硬且无坍落度的混凝土，由于其结构坚固且成型效率高，通常用于路面。碾压混凝土路面（RCCP）的材料与传统混凝土相似，而RCCP的等级与热拌沥青路面相似。 RCCP混合物具有大量的细骨料和少量的粘合剂，粗骨料和水。在最大密度法设计的RCCP中，使用了20％，40％和60％的灰分替代水泥。研究结果表明，随着混合物早期粉煤灰含量的增加，RCCP的强度降低。此外，粉煤灰替代水泥也会导致耐久性降低。然而，使用适当的粉煤灰含量的RCCP在后期获得了一定的耐久性。在一项类似的研究中，Yerramala和Babu研究了含有大量粉煤灰的RCCP的输送性质。粉煤灰作为水泥替代品使用的水泥重量为40-85％。据观察，与普通混凝土相比，含有60％至70％粉煤灰的混凝土改善了RCCP的渗透性，吸收性，吸附性和氯化物扩散性。同时，先前已经讨论过将EAF炉渣作为天然粗骨料替代品和粉煤灰作为RCCP中的水泥替代品。 RCCP中电弧炉渣和粉煤灰的回收可以降低混凝土行业的材料成本，环境污染和天然骨料的消耗。因此，使用含有EAF矿渣骨料和粉煤灰的RCCP是开发可持续基础设施的解决方案之一。

本研究的主要目的是研究EAFslag骨料和粉煤灰对RCCP抗压强度和耐久性的影响。 在用于生产RCCP之前，EAF炉渣骨料暴露于室外条件下数月。 在这项工作中，RCCP混合比例是通过土壤压实方法确定的。 使用标准圆柱试样的抗压强度来评估RCCP的机械性能。 此外，吸水性，耐磨性和抗硫酸盐性是研究RCCP耐久性的参数。测量了由高压釜条件和碱 - 硅反应（ASR）试验引起的含EAF炉渣骨料的砂浆棒的长度变化，来评价EAF炉渣的膨胀潜力。 此外，用X射线衍射（XRD）分析来鉴定高压灭菌条件和ASR测试下的试样的结晶相。

2.测试项目

2.1使用的材料

2.1.1胶凝材料

在该研究中，使用符合ASTM C150的普通硅酸盐水泥（OPC）I型。 使用从越南南部收集的表1中列出的具有化学组成的F型灰分作为部分水泥替代物。

2.1.2骨料

在该研究中使用的具有如表2中所示的渐变的天然骨料碎石。同时使用来自越南南部的EAF炉渣骨料。EAF渣完全按照ASTM C33标准的要求使用。然而，在EAF炉渣中存在不稳定的化合物（即游离的CaO，游离的MgO）会在混凝土中产生有害的行为。当游离CaO与水反应转化为Ca（OH）2并且游离MgO与水反应转化为Mg（OH）2时，它们的体积大约是原始尺寸的两倍，导致混凝土膨胀和开裂。因此，本研究中使用的EAF矿渣骨料在室外条件下放置数月以减少体积膨胀。在处理之后，根据ASTM C25标准检查EAF炉渣的化学组成，并且按照表4中列出的安大略省通过的测试方法测定游离CaO含量。因为游离CaO含量如果大于0.1％，本研究中使用的EAF炉渣可能会产生裂纹或不稳定的问题。此外，EAF矿渣骨料在水合反应中的体积稳定性是通过先前研究中符合ASTM D4792标准的膨胀试验得到的。

2.2混合比例

本研究分为两个阶段。 在第一阶段，在先前的研究中使用了通过土壤压实方法设计的RCCP的混合比例。根据该方法，将具有不同含水量（例如5％，6％，7％，8％和9％）的混合物压实。 Proctor模具按照ASTMD1557建立压实曲线。 在压实曲线中，确定每种混合物的最佳含水量。 本研究中使用的粘合剂（水泥 粉煤灰）用量为粘合剂和骨料总重量的12％，用三种比例（即0％，20％和40％）替代水泥中的粉煤灰。 制备粗骨料以生产RCCP，即100％碎石骨料（A组），50％碎石加50％EAF矿渣骨料（B组）和100％EAF矿渣骨料（C组）。 结果，表5中显示了9个混合比例的RCCP。

2.3测试方法和样品制备

2.3.1抗压强度

RCCP的抗压强度在3天，7天，28天和91天测定。 通过符合ASTM C1435的振动锤生产直径为150mm，高度为300mm的试样。 将混合物在模具中的四层中压实，并且每层压实时间为20秒。 在铸造后24plusmn;8小时，将所有样品从模具中取出并在23plusmn;2℃的温度的水浴中固化直至测试日。 在测试前16小时，圆柱体样品根据ASTM C617进行封盖操作。

2.3.2吸水性

根据BSEN1338标准，在91天时测量RCCP的总吸水率。 在测试之前，将所有测试规格去除灰尘并放置在温度为20plusmn;5℃的房间中2天。 之后，将样品浸入水浴中至少3天。当以24小时的间隔进行的第二次重量之差小于1％时，记录初始质量的样品。 然后，将样品置于105plusmn;5℃的烘箱中，直至达到恒定质量。 试样的总吸水率是试样的初始质量和恒定质量之间的差值与样品的恒定质量之比。

2.3.3耐磨性

RCCP的耐磨性在91天龄时通过宽轮磨蚀机（图1）确定，符合BS EN 1338标准。 制备直径为100mm，高度为50mm的18个样品。 样品应在plusmn;1 mm的公差范围内，清洁干燥。 将每个样品放在与宽磨轮相接触的机器上以测量耐磨性。 在机器的磨轮旋转75转后，测量样品上产生的凹槽的长度。 每个RCCP混合物的结果是两个不同样品的两个读数的平均值。

2.3.4耐硫酸盐

为了评估硫酸盐抗性，制备RCCP混合物（100times;100times;100mm）样品。 固化91天后，样品分为两组; 将一组浸入5％硫酸钠（Na2SO4）溶液中，而第二组在水中连续固化，研究硫酸盐侵蚀对质量和抗压强度的影响。 每2周更新硫酸钠溶液。 每2周测定质量和压缩强度的变化。 质量变化是置于硫酸钠溶液中的样品的平均质量与在相同测试时间放置在水中的样品的平均质量之间的差异。

2.3.5砂浆棒的扩展长度

2.3.5.1通过高压灭菌器测试进行扩展。

EAF炉渣经适当处理后可用作良好的骨料混凝土。在干燥环境条件下放置三个月后，研究使用的EAF炉渣无明显的有害膨胀行为。然而游离CaO的水合比游离MgO的水合更容易反应。已经证明，在高压釜条件下，游离CaO和游离MgO的水合作用几乎瞬间完成。因此，本部分提出了高压釜法，观察了电弧炉渣处理后的膨胀潜力。根据ASTM C151标准中描述的程序进行高压釜测试。因此，在模塑24小时plusmn;30分钟后，将尺寸为25plusmn;25times;250mm的砂浆棒被移除潮湿气氛并立即测量每个棒的初始长度。接下来，对砂浆棒进行高压釜测试。然后，记录它们的长度变化。在这项工作中，将EAF炉渣在颚式破碎机中压碎。收集通过No.4（4.75mm）筛的精细EAF炉渣和天然聚集体用于制造砂浆棒。细骨料的级配符合ASTM C1260标准（表6）。制备具有三种细骨料类型的三种砂浆混合物（即MA，MB和MC）（参见表9）（即100％天然骨料，50％天然骨料加50％EAF矿渣骨料和100％EAF矿渣骨料）。对于每种砂浆混合物，水泥剂量为262g以产生两个样品。水泥，骨料和水的混合比为1：2.75：0.485。此外，从MA，MB和MC砂浆棒中提取的三种模式进行了XRD分析，以检测结晶相。

2.3.5.2碱-硅反应（ASR）膨胀。

含有某些成分的聚集体可与碱金属氢氧化物反应。 ASR的产品是吸水性的膨胀。如果ASR的产品产生高膨胀，它们将导致混凝土的挤压。在目前的工作中，EAF炉渣骨料的潜在ASR膨胀根据ASTM C1260标准行评估。此外，还研究了粉煤灰作为水泥替代物对膨胀ASR减缓的影响。将EAF炉渣粉碎以满足制造样品的等级（表6）。三个细集团（即100％天然集料，50％天然集料加50％EAF炉渣集料，100％EAF矿渣集料）和三个粉煤灰比替代水泥（即0％，20％和40％）准备生产砂浆混合物。总共提供了九种砂浆混合物，如表7所示。骨料 - 粘合剂（水泥 粉煤灰）比为2.25，水混合比为0.47。在每种砂浆混合物中，生产三个测试样品（25 *25 *250mm）。铸造后，将样品在潮湿的橱柜中保留在模具中24plusmn;2小时。接下来，从模具中取出样品并记录初始比较器读数。将每个样品组置于具有足够水的储存容器中以使其完全浸没。然后，将容器放入80.0plusmn;2.0℃的烘箱中24小时。 24小时后，将棒移至烘箱中，立即取出每个棒的读数。之后，将每种砂浆混合物制成的所有样品置于具有1N NaOH溶液的容器中，并使烘箱在80.0plusmn;2.0℃下保温。定期对样本进行读数。另外，从六个砂浆样品（即MA00，MB00，MC00，MA40，MB40和MC40）中提取的六种样品进行XRD分析以检测结晶相。

3.结果与讨论

3.1抗压强度

图2显示了RCCP混合物在3,7,28和91天时的抗压强度。在3日龄时，A00，B00和C00的抗压强度分别为25.87MPa，22.08MPa和21.58MPa。含有RCCP的钢渣作为粗骨料替代品，强度略有下降。与A00相比，B00的强度降低为14.65％，C00的强度降低为16.58％。与3日龄时的强度相似，使用EAF矿渣骨料的RCCP的抗压强度在7天和28天龄时也略有下降。含有EAF的RCCP的强度降低由石灰石颗粒引起（见图3）。在炼钢过程中加入石灰石（CaCO3）以除去氮，硅，磷，硫等杂质。通过与炉中石灰石加热过程产生的氧化钙（CaO）结合，除去这些杂质，形成炉渣。 EAF炉渣模式的X射线衍射分析表明，炉渣的复杂结晶相为氧化铁（FeO），氧化铝钙（CaO）12（Al2O3）7），硅酸钙Ca2（SiO4）和钙铁铝氧化物（Ca2（（FeO922Al1O78）O5）（图4）。另一方面，氧化钙在水分存在下不稳定，转化为氢氧化钙（Ca（OH）2）。然后，氢氧化钙吸收二氧化碳（CO2） ）从空气中恢复到石灰石（图5）。石灰石的结晶相是硅酸钙（Ca2（SiO4）），碳酸钙（Ca（CO3））和铁氧化钙（Fe2CaO4）（图4），虽然使用EAF炉渣作为粗骨料的RCCP的抗压强度与使用天然骨料的RCCP相比降低，但B00和C00混合物在28天龄时的抗压强度超过了路面的抗压强度要求。例如， B00在28日龄时达到41.46MPa的抗压强度，并且，C00混合物在28天龄时达到35.56MPa的抗压强度。该结果表明，在RCCP中使用EAF炉渣代替100％天然粗骨料的可行性。

此外，用粉煤灰替代水泥导致RCCP在早期强度降低。在3日龄时，A20的强度为22.52 MPa; B20的强度为17.45 MPa; C20的强度为15.73 MPa。在28日龄时，A20，B20，C20的抗压强度分别为42.44MPa，37.82MPa，30.07MPa。这一观察结果证明，掺入EAF矿渣聚集体和20％粉煤灰产生了RCCP，这对于路面施工来说是有足够的强度。 28天后，由于粉煤灰的火山灰性质，含有粉煤灰的混合物的抗压强度显着提高。如图所示，A20，B20和C20混合物分别在91天达到58.40MPa，42.84MPa和43.35MPa的抗压强度。然而，当水泥含量被40％的粉煤灰代替时，压缩强度急剧下降，因为粉煤灰不如水泥强度贡献大。在28日龄时，B40和C40的压缩强度为26.99MPa和23.20MPa。因此，使用EAF矿渣骨料和40％粉煤灰作为水泥替代物的RCCP可以考虑应用于路面基层。

3.2吸水性

RCCP的总吸水率在91天测定，如图6所示。观察到A00混合物的总吸水率为4.31％，而B00和C00混合物的总吸水率为4.88％和5.36。 ％，与A00混合物相比，分别增长了13％和24％。电弧炉渣骨料的吸水率高于天然骨料，导致B00和C00混合物的吸

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