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钢铁渣高效利用技术系列报道(一) 室兰钢铁厂用钢渣骨料配制重混凝土的研究
信息来源:世界金属导报      时间:2015-11-26 13:08:59


钢铁渣高效利用技术系列报道(一)

  室兰钢铁厂用钢渣骨料配制重混凝土的研究

      1 研究背景

  东日本大地震一年后不久,开始转向制定震灾修复、复兴的具体方案规划和各工程的执行阶段。随着这些工程的开展,预计工程所用主要建材混凝土的需求将会迅速增加,而且还需要大量的骨料。但是,一般情况下,混凝土用骨料从生产到消费是采取在较小地域内进行 “地产地消”型的流通形式。因为骨料的生产设备在地震中损坏或者从业人员到外地避难等因素,使灵活应对需求增长较为困难。因此,充分利用各产业的副产物(循环利用),既要满足混凝土骨料的品质要求,又要保证大量稳定地供给,并不是容易的事情。

  此外,发生海啸的规模远超出预想,所以在修复、复兴工程中,要求建筑提高对海啸和波浪的稳定性。因此,考虑采用比常规大的结构物和重混凝土,即同样尺寸建筑重量更大的结构物等对策。但是采用常规的技术和材料来实现这些措施,将会大幅度增加工程费用。

  对于上述两个课题,进行了钢渣作混凝土骨料的配合比开发,并用该配合料制造混凝土结构件。钢渣与高炉渣不同,到目前为止还没有作为混凝土骨料使用过。但钢渣具有一定的品质,而且可以稳定、大量供给的特征,有望作为天然骨料的替代料利用。钢渣的密度比天然骨料更大,所以,期待适用于对海啸和波浪稳定性高的重混凝土结构件的混凝土,而且价格便宜,并可大量生产。在开发这种混凝土配合比的基础上,使用受灾地区内的预拌混凝土厂等生产混凝土结构件,用有限的预算进行技术验证。

  2 钢渣作为混凝土骨料的试验研究

  为了将钢渣作为混凝土骨料使用,使其生产的预拌混凝土的施工性和硬化特性等性能具有与采用天然骨料生产的常规混凝土同等的性能非常重要。在开发以钢渣为骨料的重混凝土中,除混凝土容重外,要求其性能与常规混凝土性能同等。

  在这项研究中,为了详细掌握钢渣的物性、以钢渣为骨料的混凝土的适宜配合比以及诸性能和特性,进行了以下验证研究;根据各试验结果,对钢渣用作混凝土骨料的适合性进行了评价。

  2.1 测定钢渣骨料的物性试验

  为了掌握钢渣骨料的物性和特性,开展了各种物性试验(见表1)。除普通的粒度分布和粉化率试验外,还调查了蒸汽陈化条件与膨胀量的关系,重新评价了生产细骨料时的筛子形状与其粒度分布的关系,整理了为保证作为混凝土骨料的钢渣品质的条件。

    2.1.1 骨料的浸水膨胀试验

  钢渣含有的游离CaO和游离MgO与水接触产生水化反应,伴随该反应发生体积膨胀。该水化反应在几百摄氏度的范围内是温度越高反应越快,所以,包括室兰厂在内的许多钢铁厂采用蒸汽陈化进行钢渣稳定化处理后,将其作为路基料等产品发货。

  在此,为调查这种陈化处理时间与钢渣膨胀性的关系,实施了浸水膨胀试验(JIS A5015)。试验方法是将填充24h、48h和72h陈化处理后钢渣的模型浸入80℃的水中(见图1),促进钢渣膨胀后,用设置在容器上面的千分表测定膨胀量。浸水条件是80℃保持6h,反复10天。

    试验结果表明:随着蒸汽陈化时间的延长,浸水膨胀试验钢渣的膨胀量减少,通过72h的陈化,水化反应基本结束(见图2)。但是,在进行72h陈化时,钢渣的膨胀性并未完全被抑制,钢渣骨料的膨胀有可能影响混凝土的品质,因此在使用中需要进行骨料的品质管理和适当选择混凝土用途。

    2.1.2 骨料的耐磨损性试验

  在骨料运输和混凝土的搅拌中破碎的脆骨料出厂时的粒度分布范围很大,不能获得规定品质的混凝土。因此,混凝土用骨料要求不易产生破碎和耐磨损性的硬度。在此,采用洛杉矶试验机的耐磨损试验方法(JIS A1121),求出钢渣粗骨料的耐磨损性。用实际混凝土使用的天然骨料作为比较对象。

  试验方法是将直径46.8mm的钢球和骨料投入到试验装置(见图3),旋转规定的转数后,求出通过1.7mm筛子的重量率(磨损减少量)。根据试验结果确认,钢渣骨料具有与天然骨料同等的耐磨损性(见图4)。

    2.2 钢渣骨料混凝土配合比的研究

  天然骨料的供给状况因地域性和时间有波动。因此,可以根据需要组合骨料非常重要,即仅将粗骨料或细骨料置换为钢渣骨料以及将粗骨料和细骨料均置换为钢渣骨料。试验中,设定这种组合骨料的案例,研究了满足混凝土所要求品质(新拌混凝土性能、硬化特性)的配合比。

  关于硬化特性,在确认抗压强度和抗折强度的基础上,重点直接测定了钢渣骨料混凝土的冻融耐久性、干燥收缩量、中性化速度、盐分侵蚀性,还测定了2.5nm~10μm的细孔径分布,尝试观察了微观结构的变化(见表2)。此外,为评价钢渣骨料混凝土对环境的影响,进行了溶出试验。以下介绍试验结果。

  2.2.1 配合比试验

  混凝土根据骨料、水和添加剂等的种类以及配合比,混合时的性状和硬化特性发生敏感变化。因此,为了找出满足适合钢渣骨料使用条件的配合比,进行了变化配合比的多次试验,从中掌握使用钢渣骨料混凝土的特征,选择符合使用条件的适当配合比。试验结果表明,通过适当修正细骨料率、单位水量等配合比条件,获得了与使用天然骨料混凝土同等的新拌混凝土性状。

  2.2.2 耐冻结性和耐融化性试验

  一般的耐冻结性和耐融化性指标是冻结融化循环300次相对动弹性模量保持在60%,也包括使用天然细粗骨料的混凝土,在各钢渣骨料的使用条件配合比中,确认了满足要求的耐冻结性和耐融化性(见图5)。

    2.2.3 膨胀稳定性试验

  根据钢渣水化固化技术手册,进行了混凝土膨胀稳定性评价试验。该试验将混凝土试样连续10天浸在80±3℃的温水中后,确认混凝土表面是否有裂纹等异常现象(见图6)。从试验结果中没有观察到这些异常现象,使用钢渣的混凝土没有出现问题。如上所述经过72h的蒸汽陈化也不能完全抑制钢渣骨料的膨胀性,但确认了钢渣作为混凝土骨料,可以稳定化处理到没有问题的状态。

    在其他的抗压强度、盐分浸渍、细孔结构等各种硬化特性的试验结果中,没有发现使用钢渣骨料的影响。另一方面,关于干燥收缩量,发现使用钢渣骨料的常规普通混凝土比使用天然骨料的要小,中性化略差。

  为确认使用钢渣骨料的混凝土对周围环境是否有影响,采用相同目的进行的试验方法对使用钢铁渣的建材(包括钢铁渣水化固化体)进行了溶出试验。采用关系到水底泥沙的判定标准(环境省告示第14号)、环境JIS(JIS K0058-1和-2)进行了评价。所有的分析项目都在标准值以内,确认了使用钢渣骨料的混凝土对环境没有影响。

  2.3 重混凝土配合比的研究

  为加大混凝土的容重,进一步提高使用钢渣骨料的混凝土配合比,进行了重混凝土配合比的研究。这里重混凝土的目标容重为2.5-2.7t/m3。在混凝土材料中,要求尽可能减少密度最小的水的配比量,相反增加密度最大的钢渣骨料的配比量。由于担心混凝土拌合料的抗离析性和经时稳定性降低,所以着手研究和选择可以同时解决这些问题的混凝土用化学添加剂,之后,进行了混凝土配合比的研究和硬化特性的测定。

  本试验用钢渣作为骨料,为确保良好的混凝土性状,需要与使用天然骨料时不同的添加剂。在降低单位水量的重混凝土配合比中,这一倾向很明显。本研究开发了新的添加剂,在确立满足目标新拌混凝土性状和单位容积重量(2.5-2.7t/m3)的配合比条件的同时,确认各种硬化特性也可以适用重混凝土。

  2.4 实际工厂的混凝土生产、施工试验

  从实验室试验确立的配合比中选择两种,在位于南相马市的预拌混凝土工厂进行了实际规模的生产、施工试验的最终评价。

  在南相马市内的加藤建材工业公司的现场,实施了消波混凝土砌块、梁状有筋结构件的混凝土浇筑施工试验。消波砌块的规格为东北POLE制的6.3m3型(见图7),梁状有筋结构件为高50cm、宽50cm、长3m的D13

  200,分别采用天然骨料的普通混凝土、仅将粗骨料置换为钢渣的替代粗骨料混凝土和置换粗骨料与细骨料的重混凝土三种混凝土,浇筑了混凝土消波砌块和梁状有筋结构件。

  2012年10月23日,将室兰厂生产的钢渣运送到有搅拌混凝土设备的加藤建材工业公司,10月27日进行了混凝土的生产和浇筑试验。在试验结果中,没有发现因使用骨料种类不同而导致施工性不同的问题,在使用所有骨料的混凝土中,施工性均良好。在混凝土浇筑的5天后,11月1日进行了拆模作业,所有的混凝土表面都没有发现裂纹等缺陷。

    2.5 利用钢渣骨料混凝土的实用性

  一般普通混凝土单位容积的重量是2.3t/m3,而验证试验获得的混凝土中,替代粗骨料的混凝土达到2.5t/m3,至于重混凝土则达到了2.7t/m3。可以最有效地利用这一特征的用途有港湾混凝土结构件的消波块等。

    2.5.1 对波浪的稳定性

  具有一定规模的大浪所需消波块的最小重量是根据港湾设施技术标准中Hudson公式求出的。根据海水的浮力效果等,混凝土的单位容积重量如果增大到1.13倍(=2.7/2.5),要求消波块的最小重量大约可减轻到一半(0.53倍),效果非常大(见图8)。此外,消波块的大小相同时,对大波浪的重量安全系数可提高约2倍。在此的重量安全系数是指相对于大波浪所需消波块重量的实际消波块重量。

  一般的人工礁等港湾、海洋结构件根据消波块设置的海域水深等,规定最低限度所需的结构件规模,虽然推测根据混凝土单位容积的重量可以大幅削减数量的案例少,但重量安全系数大幅度提高的案例较多。

    2.5.2 混凝土价格

  重混凝土使用的天然骨料有橄榄岩,这种骨料价格高。使用这种骨料的重混凝土作为新拌混凝土是普通混凝土的约1.5倍。而根据离钢铁厂的远近和运输方法的不同,可以与普通天然骨料同样的价格获取钢渣骨料,所以,将钢渣作为重混凝土骨料使用,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

  上述的橄榄岩等,也作为钢铁厂烧结原料的改质料利用,是各工业领域利用的材料,但其埋藏量有限。因此,用钢铁厂副产品钢渣替代这种稀有的天然材料作为混凝土骨料利用,不仅是混凝土,还可能对更广泛的领域产生连锁反应。根据上述观点,用本研究开发的钢渣骨料混凝土配制重混凝土可以说是极有效的建筑材料。

  3 小结

  通过各种试验和研究,判断钢渣骨料替代的混凝土可以作为普通混凝土和重混凝土使用,但在实际应用方面,今后还需要研究以下课题:1)与普通混凝土特性的比较;2)品质管理;3)发展业务。(全荣)

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