泵送鋼渣重混凝土的研究與應(yīng)用

泵送鋼渣重混凝土的研究與應(yīng)用摘要：本文主要針對容重在2.8KN/m3以上的鋼渣重混凝土如何實現(xiàn)泵送進行研究，并在實際工程中進行了大量應(yīng)用，總結(jié)出一套成熟的泵送鋼渣混凝土生產(chǎn)及施工工藝。前言華北地區(qū)作為中國主要的鋼材生產(chǎn)基地，鋼渣作為煉鋼的副產(chǎn)品，資源非常豐富，科學(xué)、合理地利用鋼渣是鋼鐵、建材可持續(xù)發(fā)展的需要；同時也是綠色建材、循環(huán)經(jīng)濟的體現(xiàn)。但是將鋼渣作為骨料應(yīng)用到預(yù)拌商品混凝土中并沒有得到大面積推廣，這主要是因為鋼渣的加工、制造、運輸成本高及自身穩(wěn)定性較差造成的。目前鋼渣的應(yīng)用主要集中在水泥廠、路基、抗浮配重這三個方面，其中水泥廠僅僅是將鋼渣作為混合材代替部分石灰石改善水泥活性；在筑路工程中也是作為普通集料代替級配石；在工程抗浮配重應(yīng)用中，目前也基本上以干拌料現(xiàn)場回填為主。因此將鋼渣直接應(yīng)用到預(yù)拌混凝土中還是一個比較新的課題，鋼渣預(yù)拌混凝土的應(yīng)用范圍主要是用于一些地下水位較高需要抗浮或結(jié)構(gòu)設(shè)計需要配重的工程。相較于干拌料現(xiàn)場回填鋼渣預(yù)拌混凝土具有品質(zhì)均勻、密度高、施工方便、耐磨性好、耐碳化性能好、后期強度高、耐硫酸鹽腐蝕性能好等優(yōu)勢。但是鋼渣密度高穩(wěn)定性差的特點決定了其不能簡單的直接取代預(yù)拌混凝土中砂石集料，必須經(jīng)過沉積、篩分、分選、優(yōu)化等過程處理并進行合理的配合比設(shè)計后才能應(yīng)用到工程實踐中。1、原材料試驗1.1鋼渣的選擇：根據(jù)工程需要確定鋼渣的產(chǎn)地非常重要，目前北京周邊可提供鋼渣的資源非常多，其中規(guī)模較大的主要有首鋼、唐鋼、天鋼等，鋼渣的處理工藝主要有水淬法、熱潑法、余熱自解法（熱悶法）、滾筒法、風(fēng)淬法等。其中鋼渣熱悶法是利用高溫鋼渣淋水后產(chǎn)生的溫度應(yīng)力及f-CaO吸水消解后產(chǎn)生的體積膨脹應(yīng)力使鋼渣在冷卻過程中快速龜裂粉化，對鋼渣性能適應(yīng)強，處理速度快，尾鋼渣穩(wěn)定性好，因此應(yīng)作為鋼渣混凝土骨料的首選。目前鋼廠的廢棄鋼渣均以非常低廉的價格出售給一些個人作坊式企業(yè)用于磁選工藝回收廢鋼鐵，所以我們得到的鋼渣均為這些企業(yè)選鐵后的廢棄物，根據(jù)客戶的要求這些企業(yè)可以將鋼渣加工成需要的粒徑和級配，其出廠成本很低，但是每個企業(yè)的規(guī)模和產(chǎn)量均很小，因此必須再選擇一家上規(guī)模的專業(yè)鋼渣生產(chǎn)企業(yè)對這些回收的鋼渣進行統(tǒng)一優(yōu)化處理，否則很容易出現(xiàn)重大質(zhì)量問題，特別是鋼渣的穩(wěn)定性將難以保證，其中一些新鋼渣制成的混凝土已出現(xiàn)過類似問題（附圖）。經(jīng)水浸泡后爆裂的混凝土鋼渣混凝土與普通混凝土顏色對比（左為普通混凝土）經(jīng)過多方取樣與走訪對比，最終確定選用北京可耐科特特種材料公司提供的產(chǎn)地為天鋼熱悶法工藝處理過的0.5-20mm連續(xù)級配鋼渣，現(xiàn)場考察后，貨源充足，能夠滿足4萬噸以上的需求，檢測報告齊全，游離氧化鈣含量及存放期均滿足2年以上的要求。簡易方法，用雷氏夾法試驗（附圖片）1#、2#、3#試驗對象是250g水泥加250g鋼渣研磨粉攪拌而成，實驗結(jié)果分別是0.5mm，0.4mm，1.0mm，結(jié)論：安定性合格。砂：放馬峪鐵礦尾礦細(xì)砂，粒徑：0.15-1mm連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)：1.6，表觀密度：1650kg/mm3，產(chǎn)地：密云配重砂：表觀密度：2600kg/mm3，粒徑：0.5-5mm連續(xù)級配可耐科特提供，產(chǎn)地：天津泵送劑：CKL聚羧酸型泵送劑，減水率：25%，產(chǎn)地：北京誠凱利外加劑廠。2、混凝土配合比設(shè)計適當(dāng)提高砂率以減少鋼渣碎石間的內(nèi)摩阻力減少泌水和離析傾向，但砂率的提高以滿足和易性為宜砂率過高會影響?zhàn)ざ取?、鋼渣碎石呈多孔狀，必然要從混凝土拌和物中吸取較多的水分和漿體，而使混凝土拌和物和易性變壞。為此攪拌前鋼渣碎石宜預(yù)先潤濕或補上附加水或適當(dāng)增加外加劑用量；同時，對于低強度等級鋼渣混凝土而言漿體體積所占比例不宜過?。赏ㄟ^摻加礦物摻和料加以解決）。鋼渣碎石級配較差且比重較大，故鋼渣配重碎石混凝土坍落度以滿足泵送施工為宜，不宜過大以防離析和沉降。綜上所述，確定如下3個配合比進行試驗試驗結(jié)果表明，0.35的砂率為最佳砂率，可泵性指標(biāo)滿足要求，容重試驗符合28KN/m3設(shè)計要求。3、工程應(yīng)用工程概況華為環(huán)保園J01J05地塊數(shù)據(jù)通信研發(fā)中心工程位于北京市海淀區(qū)北清路中關(guān)村環(huán)?？萍际痉秷@內(nèi)，總建筑面積為148075m2，其中地下建筑面積為60077.94m2，地上建筑面積為87997.5m?，地下2層，地上4層，建筑高度22.49m。本工程回填面積約30000m2，回填總方量約27000方，其中素土6500方，鋼渣混凝土20500方。素土壓實系數(shù)不小于0.94，鋼渣容重不小于28KN/M3。工藝流程原材料檢、試驗（合格后）一鋼渣配重混凝土攪拌一鋼渣配重混凝土運輸T泵送T振搗T鋼渣配重混凝土試驗T抹面T養(yǎng)護。工藝流程與普通混凝土無異，節(jié)省了大量的人力、物力，同時加快了施工速度，提前了工期?？刂其撛蛎洿胧﹪?yán)格選用自然沉降一年半以上的鋼渣，鋼渣中f-CaO含量少于3%，經(jīng)試餅法、壓蒸法試驗安定性合格，不存在體積穩(wěn)定性問題。膠凝材料采用大摻量礦渣粉，用水量不超過180公斤。大摻量礦粉的引入，有效降低水化熱，大大地降低了混凝土的收縮裂縫，而后期強度較高，又極大地限制了鋼渣中殘留游離氧化鈣造成的膨脹。礦渣粉中的SiO2與鋼渣中的游離氧化鈣反應(yīng)生成硅酸三鈣(3CaOSiO2).硅酸二鈣(2CaO-SiO2)，有效降低鋼渣混凝土膨脹開裂風(fēng)險。采用部分彈性模量較低且比重較大的配重礦石或礦砂，在混凝土早期受到膨脹時起到緩沖釋壓的作用。在滿足設(shè)計要求的情況下盡量減少鋼渣的使用量，一般來說最高用量不宜超過1500公斤/m3。外加劑采用引氣型高性能聚羧酸減水劑，引入的含氣量也可以起到鋼渣膨脹緩沖釋壓的作用。為緩解鋼渣混凝土后期膨脹，施工時每200m2設(shè)置一道磚胎膜隔離；與原有建筑用500mm厚聚苯板隔開；高度大于1m時，每1m設(shè)一層聚苯板。附圖泵送理論計算混凝土的泵送距離受許多因素影響：泵的功率；泵管的尺寸與布置；均勻流動所需克服的阻力；泵送的速率；混凝土特性。泵必須提供足夠的力量以克服混凝土和管內(nèi)壁之間的摩擦力。管道彎曲或管徑縮小會明顯增加摩擦阻力。設(shè)備的泵送能力是關(guān)鍵因素之一，其能力應(yīng)有一定的儲備，以保證輸送I順利，避免堵管。根據(jù)本工程的實際情況，選用中聯(lián)重科HBT90混凝土拖式泵，其中泵的設(shè)計最大泵送壓力為14MPa,發(fā)動機的功率為174KW。對泵送混凝土至300m(按最遠(yuǎn)距離)長度所需壓力進行驗算，：L=P/APH式中：L 混凝土泵的最大水平輸送距離，m；P 泵出口處的計算壓力，Pa；△PH 每米水平管的壓力損失，Pa/m。每米水平管的壓力損失APH,可按下式計算：△PH=2/r[K1+K2(1+t2/t1)V]a式中：r 混凝土輸送管的半徑，m;K1 黏著系數(shù)，K1=(3.00-0.10S)x102=100;K2 速度系數(shù)，K2=(4.00-0.10S)x102=200;S 混凝土坍落度，約20cm;t2/t1 分配閥的切換時間與活塞推壓混凝土?xí)r間之比，這里取0.30;V 混凝土在輸送管內(nèi)的平均流速，m/s；當(dāng)排量為30m3/h時，取0.68m/s，即[30/(3.14x0.1252/4)]/3600;a 徑向壓力與軸向壓力之比，普通混凝土約為0.90。經(jīng)計算，當(dāng)采用壓力損失計算法時，換算水平管長度和壓力損失的混凝土泵送的配管換算的總壓力損失為APH=4.40MPa3.4.2為保證發(fā)動機的功率滿足混凝土出口壓力的要求，對發(fā)動機的功率驗算，具體如下：(1)主系統(tǒng)油壓為20MPa;(2)柴油機額定轉(zhuǎn)速為2000rpm;(3)主油泵1臺，每臺排量為190ml/r;(4)恒油泵1臺，每臺排量為28ml/r，最高工作壓力為16MPa;(5)齒輪泵1臺，每臺排量為22ml/r，最高工作壓力為11MPa;貝卜主油泵功率W1=PxQ/60=20x190x2/60=126.7kW;恒油泵功率W2=PxQ/60=16x28x2/60=15.4kW;齒輪泵功率W3=PxQ/60=11x22x2/60=8.6kW。因此，所需發(fā)動機功率W=(W1+W2+W3)/n=(126.7+15.4+8.6)/0.88=170kW經(jīng)驗表明，泵的最經(jīng)濟最安全的實際壓力應(yīng)不超過設(shè)計最大壓力的55%~65%。所以，在一般的泵送施工經(jīng)驗中，混凝土泵的最大出口壓力應(yīng)比實際所需壓力高10%~20%，多出的壓力儲備用來應(yīng)付混凝土變化引起的異常現(xiàn)象。因此，根據(jù)計算及工程經(jīng)驗，確定泵的最大出口壓力為14MPa,一方面有一定的壓力儲備；另一方面，在正常工作狀況下，液壓系統(tǒng)工作壓力不超過16MPa，工作可靠性更高。3.5施工效果每車混凝土均留置100*100*100mm混凝土試塊1組，并測量濕容重＞2900kg/m3,脫模后＞2857kg/m3,滿足28KN/m3的要求。附圖：泵送距離大于150m，泵送過程順利，極少出現(xiàn)泵管堵塞現(xiàn)象，現(xiàn)場混凝土坍落度控制在200-220mm,擴展度600-700mm。附圖鋼渣混凝土澆注已結(jié)束，目前未發(fā)現(xiàn)裂縫、起鼓、爆裂現(xiàn)象，基本達到了預(yù)想的設(shè)計效果。4、結(jié)論經(jīng)熱悶處理后存放2年以上的鋼渣可以大量應(yīng)用在非結(jié)構(gòu)配重或抗浮混凝土內(nèi)。只要控制好混凝土的各種相關(guān)泵送技術(shù)指標(biāo)，鋼渣重混凝土的泵送是可以實現(xiàn)的，能夠有效保障重混凝土容重同時