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Performance of high strength concrete made with copper slag as a fine aggregate
Khalifa S. Al-Jabria,*, Makoto Hisadab, Abdullah H. Al-Saidya, S.K. Al-Oraimia
文章信息
文章历史：
2008年11月11日收到
2008年12月6日修订
2008年12月9日接受
2009年1月17日可在线获得
摘要
本研究旨在研究以铜渣作为细骨料制成的高强度混凝土(HSC)在恒定条件下加工的性能,并研究了超增塑剂添加对铜渣制成的HSC性能的影响。用不同比例的铜渣制备两种系列混凝土混合物。第一个系列由六种混合物制成,不同比例的铜渣具有恒定的可加工性。在每种混合物中调节含水量以达到与对照混合物相同的可加工性。在第二系列中准备了十二种混合物,仅在第一混合物中使用超增塑剂制备,而在不使用超增塑剂制备其它11种混合物中,会使用不同比例的用作砂替代的铜渣。结果表明,与对照混合物相比,100％铜渣替换时的用水需求下降了近22％。随着混凝土混合物中铜渣含量的增加,HSC的强度和耐久性一般都有所提高。然而,随着铜含量的增加和混凝土强度的提高,HSC的强度和耐久性也不受混凝土浆的超增塑剂的不利影响。由于混凝土糊的分离和干燥,所有混凝土混合物都不符合强度和耐久性设计要求。因此,可以得出结论,使用铜渣取代砂改善了HSC强度和耐久性特性,同时可以提高HSC的强度和耐久性,同时超增塑剂是用铜渣制成的HSC中非常重要的成分,为混凝土基体提供良好的加工性和更好的一致性。
关键词：高强混凝土；铜渣；材料浪费；工业副产品的强度；耐久性
1.介绍
混凝土是全球使用的主要建筑材料之一。除了水泥和水之外,聚合物是混凝土的主要组成材料之一,因为其占混凝土体积的近55％-80％。所使用的骨料类型是粗骨料(粒径大于4.75mm)或细骨料(粒径小于4.75mm)。在混凝土中使用的骨料可以从天然来源获得,也可以通过粉碎大尺寸的岩石获得。在水合过程期间,粗骨料与水泥浆结合以形成水泥混凝土,而细骨料用于填充粗骨料颗粒之间的间隙。由于全球建筑业增加,每年天然骨料消费量的迅速增长意味着总储备正在迅速枯竭,特别是在阿拉伯海湾地区等沙漠地区[1]。据报道,在不久的将来,如果没有适当的替代聚合物被利用,全球具体行业将在2010年之后每年消耗8-12亿吨天然总量[2],大量消耗的天然骨料会造成环境破坏。因此,我们迫切需要通过探索工业副产品和废料在混凝土中的利用的可能性来寻找和提供替代天然骨料的替代品。这将导致可持续的具体设计和更加环保的环境。
高强度混凝土(HSC)被广泛应用于高层建筑和预应力混凝土建筑物,长跨混凝土桥梁等高性能结构的施工中,因此应设计具有较高的加工性能,较高的机械性能并且比传统混凝土具有更大的耐久性。 HSC的定义继续改变,因为具体技术的进步使得使用常规施工实践更容易实现越来越高的实力和更高的可操作性。在过去三十年中,42MPa混凝土被认为是高强度混凝土,而最近60MPa被认为是HSC的下边界[3]。然而,目前可以容易地获得抗压强度为100-130MPa的HSC [3]。为了实现具有良好机械性能和耐久性的HSC,将被认为是废料的飞灰或硅灰可以用作主要成分之一。最近研究的综述显示,可以利用工业副产品和其他废料生产正常混凝土[4-28]和HSC [1,29-41]完全替代水泥或/和骨料或混合物。此外,我们已经证明在强度、性能和耐久性方面,与常规混凝土相比,许多用废物和工业副产物制成的混凝土(正常或HSC)具有优异的性能。
本文介绍了一个实验测试程序的结果,以研究在不断的可加工性下用铜渣作为细骨料制成的高强度混凝土的性能。还讨论了混合添加对不同比例铜渣制成的混凝土混合物性能的影响。
2.研究目标
作者在以前的研究论文[42]中研究了铜渣替代细砂对HSC的强度和耐久性的影响。制备不同比例铜渣(0％至100％替代品)的混凝土混合物,测试混凝土样品以评估不同固化时间下混凝土的性能。结果表明,与砂相比,由于铜渣的吸水率和玻璃状表面低,随着混凝土混合物中铜渣含量的增加,加工性能显着增加(图1)。但是混凝土的抗压强度,拉伸强度和弯曲强度分别为与对照混合物相当,高达50％的铜渣替代,但随着铜渣含量的进一步增加而降低(如图1所示的抗压强度)。本文进一步研究了铜渣添加作为细骨料对恒温加工性能的影响。还研究了混合物对含有HSC的铜渣性能的影响。
坍落度（mm）
抗压强度
28天抗压强度（N/mm2）
坍落度（mm）
铜渣替代量
图1：添加铜渣作为砂粒替代HSC的可加工性和强度的作[42后]
3.材料
3.1 水泥
本研究中使用的水泥是从阿曼水泥公司购买的普通硅酸盐水泥(OPC)。 这种水泥是阿曼建筑行业中应用最广泛的一种。
3.2 细骨料
细砂(图2a)是从附近的Al-Khoudh地区的破碎机购买的。在砂上进行的等级试验表明,满足混凝土砂的规格要求,如图3 [42]所示。对砂样进行的物理性能试验也表明,砂的比重和吸水率分别为2.77％和1.36％。
图2：用于研究的砂和铜渣
通过量
%
砂
铜渣
筛分尺寸（mm）
图3：砂和铜渣的筛分分析
3.3 铜渣
本工程采用的铜渣来自阿曼矿业公司,年产6万吨。图2b显示了在HSC混合物中所使用的铜渣。
OPC和铜渣的化学分析见表1。从表1可以看出,游离和组合的灰分贡献了OPC的近63％的化学成分,而在铜渣中的石灰含量非常低,含量约为6％。 这表明铜渣不是用作水泥材料的非常活泼的材料,因为必须有足够的石灰才能达到所需的水化速率并达到所需的早期强度。另一方面,铜渣的浓度高。SiO2和Fe2O3与OPC相比。与ASTM C618-99 [42]天然火山灰的化学成分相比,铜渣中三种氧化物(二氧化硅,氧化铝和氧化铁)的总和接近89％,超过了N类70％的百分位数 生的和煅烧的天然火山灰。因此,预计铜渣具有生产高品质火山灰的良好潜力。
表1 普通硅酸盐水泥，铜渣和沙子的化学成分和物理性能
对铜渣和砂的三个样品进行了梯度试验,结果表明,铜渣和砂均具有相似的粒度分布,如图1所示。然而,沙子似乎比铜渣具有更高的细粒度。
根据ASTM C128 [42]进行铜渣和砂的比重和吸水率试验。表1中的结果表明,铜渣的比重为3.4,高于沙的(2.77)和OPC的(3.15),当用作沙子替代时,这可能会导致生产出高密度聚乙烯。此外,表1显示,测得的铜渣吸水率为0.17％,而沙子的吸水率为1.36％。这表明铜渣比混凝土混合物中所需要的水要少。因此,预计随着铜渣含量的增加,混凝土基体中的游离水含量会增加,从而导致混凝土的加工性能提高。
3.4 硅粉
供应用于生产高强度混凝土的硅粉,并以粉末形式(Elkem Emsac 500s)将其加入到混合物中。
3.5. 超增塑剂
为了提高高强度混凝土的可加工性,使用了以聚萘磺酸盐为基础的混合物(Conplast SP430)形式的超增塑剂。这在溶液中具有40％的活性固体。
4. 实验课程
4.1. 混合设计和样品制备
本研究选择的混合比例在表2中给出。以恒定的加工性制备不同比例的铜渣(即0,30％,50％,70％,80％和100％)的混合混合物(表3)。用100％砂的对照混合物测得的坍落度为26mm。调整每个混合物中的水含量,使得可以如表3所示达到与对照混合物相当的坍落度值。为了研究混合物对用铜渣制备的HSC的性能的影响,制备了12种混凝土混合物 不同比例的铜渣,如表4所示。两种对照混合物用超增塑剂(混合物＃1)制备,而另一种不含增塑剂(混合物＃2)。但是,那制备剩余的混合物(混合物＃3-＃12)而不使用超增塑剂。
表2高性能混凝土的混合比例和水灰比
SF：硅粉
SP：减水剂
表3：HSC在恒定可加工性下所测量的坍落度和减少的水量（每个混合物）
S=砂
CS=铜渣
表4 外加剂对铜渣制成的HSC强度的影响
Fcu：立方体抗压强度；S：砂；Ft：抗拉强度；CS：铜渣；Fct：抗折强度
a 7天
b 含有减水剂
c 28天
d 不含减水剂
f 90天
成分在不同的桶中称重。根据ASTM C192-98[43]将材料在旋转盘中混合。总混合时间约为4分钟。混合物使用振动台压实。确定新拌混凝土的坍落度以确保其在设计值之内。试样24小时后脱模,在水中固化然后在所需年龄的室温下进行测试。
为了确定无侧限抗压强度,为每个混合物浇铸九个立方体(150mmtimes;150mmtimes;150mm),在固化7,28和56或90天之后测试三个样品。为每个混合物制备三个150mm直径times;300mm长的圆筒,以确定混凝土的28天拉伸强度。此外,为了确定每种混合物的弯曲强度(断裂模量),在固化28天后,铸造并测试三个100mmtimes;100mmtimes;500mm的棱镜。制备两个(150mmtimes;150mmtimes;150mm)立方体并在28天后测试,以便使用初始表面吸收试验评估HSC的耐久性。
4.2. 测试程序
固化后,对混凝土试件进行以下试验：
·使用2.5kN/s的加载速率,根据BS 1881：Part 116 [44]进行7-和28天立方体抗压强度试验;
·根据ASTM C496-96[45]使用2kN/s的加载速率进行28天圆筒拉伸(分裂)强度试验;
·根据ASTM C78-94[46]使用简单的梁,以0.2kN / s的载荷速率进行第三次载荷,进行28天弯曲强度试验;
·根据BS 1881：Part 208 [47],固化28天后,对两个样品进行初始表面吸收试验。
所有强度试验均使用DARTEC压缩机进行。
5.结果与讨论
5.1 用铜渣制成的恒温加工性能
通过测试使用不同比例的铜渣制备的混凝土样品,评估了铜渣添加作为细砂对恒定加工条件下HSC性能的影响。以前的研究结果表明,随着铜渣含量的增加,由于铜渣的含水量低,玻璃状表面与砂相比,铜渣混凝土混合料的可加工性大大提高[42]。用不同比例的铜渣制备六种混凝土混合物。对于每种混合物,调节含水量以达到与对照混合物相当的坍落度(即26mm)。这导致了在混合物混合物中随着铜渣百分比的增加而减少了水需求,以达到与对照混合物相同的可加工性。结果显示于表3,并在图1中显示。对于以恒定可加工性制备的混凝土混合物,在图4中显示,随着铜渣含量的增加,每种混合物的用水量下降,导致HSC在恒定坍落度下的w/c比降低。在100％铜渣替换时,与含有100％砂含量(混合物＃1)的对照混合物相比,所需水量降低约22％。这个水量的节约是非常有利的,特别是在阿拉伯政府等严重缺水的干旱和沙漠地区。因此,w/c比降低到约0.27。
水灰比
水的减少量（%）
铜渣包含量%
图4：添加铜渣对同种可加工性制备的HSC混合物所需要的水和水灰比的影响
表5显示了7天,28天和56天的所有混合物的立方体抗压强度以及固化28天时测试的HSC的拉伸和弯曲强度。平均7天和28天抗压强度也以图形方式显示在图1中。一般来说,随着混凝土混合物中铜渣的含量增加,HSC的抗压强度也会增加。最大28天抗压强度由混合物＃6(100％铜渣替
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