大掺量工业废渣生产混凝土防渗U型渠槽技术研究

安定性的影响。通过优化混凝土配合比，使胶凝材料中工业废渣的比例超过 70%，且拌制的混凝土强度符合设计要求、膨胀率较小；用优
化后的配合比生产混凝土防渗 U 型渠槽，其强度达到设计要求，表观质量合格。
关键词： 粉煤灰；钢渣；U 型渠槽
中图分类号： TU528.01
文献标志码： A
文章编号： 1002-3550（2011）03-0136-03
表 1 水泥、III 级粉煤灰、钢渣主要化学成分
%
名称 Loss SiO2 CaO MgO Fe2O3 Al2O3 Na2O K2O SO3 f-CaO 水泥 3.50 21.20 61.18 1.90 3.36 5.89 0.15 0.57 2.24 III 级灰 2.52 58.00 2.47 1.00 3.46 25.80 0.36 1.37 0.98 钢渣 3.36 10.96 44.48 8.10 24.07 1.95 0.01 0.01 - 4.97
本文的主要研究内容是以 III 级粉煤灰和粗钢渣作为主要 胶凝材料，生产混凝土防渗 U 型渠槽，且 III 级粉煤灰和钢渣占 胶凝材料的比例超过 70%；配制的混凝土 90 d 抗压强度大于 15.0 MPa；生产出来的混凝土防渗 U 型渠槽表面光滑，无裂纹。
利用火电厂 III 级粉煤灰、钢铁厂钢渣等工业废渣作为主要 胶凝材料（占胶凝材料总量 70%以上）制作混凝土防渗 U 型渠 槽，既能满足混凝土防渗 U 型渠槽设计要求，又能够变废为宝、 保护环境、减少资源和能源消耗，符合我国国民经济可持续发 展要求，具有显著的社会意义和巨大的经济效益。
3 175 120 300 220
4
570 960
（2）混凝土抗压强度试验。混凝土拌完后，成型 100 mm×
100 mm×100 mm 试件，在标准养护室养护至规定龄期，测试其
抗压强度。具体测试结果见表 3。
表 3 混凝土抗压强度试验结果
编号
1 2 3
混凝土抗压强度 /MPa
7d
28 d
60 d
90 d
Ab s tra ct: The study based on the experiments and analyzed the soundness of cement affected by the amount of P·O 42.5 cement and steel slag，compared the influence of steel slag ash and raw steel slag to cementitious materials.By optimizing the concrete mix proportions，the industrial residue ratio in cementitious materials exceeds 70%，concrete strength meets the design requirements and concrete has low expansion ratio. The U-type channel produced by optimized concrete has enough strength to meet the design requirements，and its apparent mass is qualified. Ke y w o rd s : fly ash；steel slag；U-type channel
韦 华 1，2，陈迅捷 1，2，张燕驰 1，2 （1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 水利部水工新材料工程技术研究中心，江苏 南京 210029）
摘 要： 在试验基础上，分析了 P·O 42.5 级水泥掺量、钢渣微粉掺量对胶凝材料安定性影响规律；对比了钢渣微粉与粗钢渣对胶凝材料
到 C20 指标。
（3）混凝土体积安定试验。混凝土搅拌后，成型 100 mm×
100 mm×515 mm 试件，在标准养护室养护 3 d 拆模，测量试件
基长，把混凝土试件放入标准养护室养护，分别检测 7、14、28、
60、90、180 d 混凝土试件伸长率。具体试验结果见表 4。
编号
表 4 混凝土伸长率试验结果
·137·
3 大掺量工业废渣混凝土防渗 U 型渠槽现场 生产
在室内试验分析研究的基础上，选用编号 2 和编号 3 配合 比生产强度等级分别为 C15 与 C20 的大掺量工业废渣混凝土 防渗 U 型渠槽；在现场取样做抗压强度试件，试件与生产的混 凝土防渗 U 型渠槽同条件养护；定期观察 U 型槽表面，看是否 有裂纹。
本节主要测试了掺加 III 级粉煤灰时，水泥掺量为 30%、 40%、50%，钢渣微粉掺量对胶凝材料安定性的影响；III 级粉煤 灰、水泥、钢渣掺量相同时，钢渣微粉与粗钢渣对胶凝材料安定 性影响，胶凝材料安定性检测依照 GB/T 1346—2001《水泥标准 稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行。具体试验结果 见图 1、2。
粗钢渣的安定性比钢渣微粉的安定性好。主要原因是粗钢渣中
f-CaO、MgO 水化产物填充粗钢渣内部孔隙，部分消解了 f-CaO、
MgO 水化膨胀应力，同时提高了胶凝材料的密实性和力学性能；
当采用掺粗钢渣的胶凝材料配制混凝土时，由于混凝土骨料的
约束作用，水泥掺量还可适当降低，从而使成本更经济。
从胶凝材料体积安定性、成本分析，配制防渗 U 型槽的的
1.2 骨料
砂：河砂，细度模数 2.60；碎石：人工碎石，粒径 5~20 mm。
1.3 减水剂
FDN 高效减水剂。
2 试验方案与结果分析
2.1 大掺量工业废渣胶凝材料安定性试验分析研究
利用水泥、III 级粉煤灰、钢渣作为混凝土的胶凝材料时，为了保 证混凝土强度，必须满足胶凝材料二次水化时有足够的 Ca（OH）2 含量。有研究表明[4]，在大掺量粉煤灰混凝土中掺入一定数量的 钢渣作为胶凝材料，有利于混凝土强度的发展和耐久性要求。但 是，由于钢渣中含有大量的 f-CaO、MgO，而 f-CaO、MgO 是造成 胶凝材料体积不安定的重要因素[5]，因此为保证混凝土体积稳 定和耐久性，水泥、III 级粉煤灰、钢渣掺量的合理配制至关重要。
5.0
9.5
13.1
15.2
7.0
13.4
19.7
21.7
7.9
15.1
21.5
24.8
从表 2 可以看出，当选用编号 2 配合比时，即水泥含量大 于 100 kg/m3 时，90 d 抗压强度能够达到 C15 指标，当选用编号 3 配合比时，即水泥含量大于 120 kg/m3 时，90 d 抗压强度能够达
混凝土选用水泥、III 级粉煤灰、粗钢渣作为胶凝材料更合适。
2.2 防渗 U 型槽混凝土试验
（1）混凝土配合比。在大掺量工业废渣胶凝材料安定性试验
分析研究的基础上，选用水泥、III 级粉煤灰、粗钢渣作为拌制混
凝土的胶凝材料。配制防渗 U 型渠槽的混凝土一般要求是 90 d抗
压强度大于 15.0 MPa 或 20.0 MPa，坍落度 40~60 mm，黏聚性
2011 年 第 3 期（ 总 第 257 期 ） Number 3 in 2011（Total No.257）
doi：10.3969/j.issn.1002-3550.2011.03.043
混
凝
土
Concrete
实用技术 PRACTICAL TECHNOLOGY
大掺量工业废渣生产混凝土防渗 U 型渠槽技术研究
从图 1 可以看出：①水泥掺量相同时，钢渣微粉掺量越多，
雷氏夹（C-A）的值越大，主要是由于钢渣掺量增加后，胶凝材
料中的 f-CaO、MgO 含量增加，f-CaO、MgO 水化反应产生的膨
胀应力大于水泥水化产生的凝胶结构应力，从而引起雷氏夹
（C-A）值增大；②胶凝材料中水泥的比例越大，雷氏夹（C-A）
和保水性能良好，根据混凝土强度及工作性要求，通过计算和
试拌，经优化后的混凝土的配合比如表 2 所示。
表 2 防渗 U 型渠槽的混凝土试验配合比
kg/m3
编号 水 水泥 III 级灰 钢渣 FDN 减水剂 砂 碎石
1 175 80
320 200
4
600 960
2 175 100 300 200
4
600 960
0 引言
据有关资料显示，目前我国粉煤灰堆积存量已达到 20 亿 t， 预计到 2020 年，总堆积量将达到 30 亿 t[1]；2008 年我国钢渣产 量超过 5 000 万 t，但钢渣利用率仅为 10%[2]，距我国提出的到 2010 年冶炼渣的综合利用率达 86%的计划指标相差甚远[3]。堆 积的粉煤灰与钢渣一方面污染了周边环境，另一方面给国家的 土地利用带来沉重负担。目前国家正在推行节能减排、低碳经济， 因此开发利用具有潜在活性的粉煤灰和钢渣替代部分水泥，是 实现节能减排、环境保护、解决废渣占用土地等问题的一条有 效途径。
1 原材料
1.1 胶凝材料
水泥：海螺牌 P·O 42.5 级水泥；粉煤灰：南京热电厂回收 收稿日期：2010-10-16
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III 级粉煤灰；钢渣：南京钢铁厂废料堆场钢渣，取部分进行粉 磨，比表面积为 420 m2/kg，试验中称为钢渣微粉，取部分钢渣过 2.5 mm 方孔筛，细度模数为 2.05，试验中称为粗钢渣。水泥、III 级 粉煤灰、钢渣主要化学成分见表 1。
的值越小，主要是由于水泥掺量增加后，水泥水化产物增多，
产生的凝胶更加致密，使凝胶结构应力大于 f-CaO、MgO 水化
反应产生的膨胀应力。③为了使胶凝材料体积安定性合格，当水
泥掺量为 30%、40%、50%时，钢渣微粉的最大掺量分别为 21%、
34%、50%。