掺钢渣粉水泥基材料的强度关联性研究_叶真.pdf

试试试试试试试试试试试试试试试试试试验验验验验验验验验验验验验验验验验验研研研研研研研研研研研研研研研研研研究究究究究究究究究究究究究究究究究究文章编号:1009-9441(2023)01-0010-04掺钢渣粉水泥基材料的强度关联性研究 叶真(山西职业技术学院,山西 太原 030006)摘 要:以掺钢渣粉水泥基材料为研究对象,通过试验得到掺不同比例钢渣粉的水泥基材料的抗压及抗折强度,并采用灰关联分析法定量分析钢渣粉掺量与水泥基材料强度间的关联程度。研究结果表明,在钢渣粉掺量30%的条件下,钢渣粉掺量与水泥基材料的 28 d 抗压强度及 3 d 抗折强度之间的关联性程度最高。关键词:钢渣粉;水泥基材料;灰关联分析法;强度;关联性中图分类号:TU 528 文献标识码:A引言钢渣是钢铁冶炼过程中产生的副产品,其中包含铁、MgO、MnO2、CaO、硅酸钙和铁酸钙等众多有用成分。据统计,我国钢渣产量约占粗钢产量的 10%13%1。随着钢铁产量的不断增长,钢渣产量也逐步攀升。因此,大力拓展钢渣资源化利用渠道是实现钢渣“变废为宝”的重要途径。钢渣磨细后可形成高活性的钢渣粉,目前已成为水泥基材料的常用掺料之一,为进一步探讨钢渣粉掺量与对应水泥基材料强度间的关联性,拟以掺钢渣粉的水泥基材料为研究对象,通过试验测得钢渣粉不同掺量下的水泥基材料抗压和抗折强度,并借助灰关联分析方法,对钢渣粉掺量与强度指标间的关联规律进行量化分析。1 钢渣粉在水泥基材料中的应用研究从水化特性来看,钢渣粉中含有 C2S 和 C3S,其具备较高的活性,与水反应可形成 C-S-H 凝胶及 Ca(OH)2晶体,水化过程与 PO 水泥类似2,研究表明,在 PO 水泥中掺入钢渣粉后,其终凝阶段的水化速率明显提升;从活性激发方面来看,未经活化处理的钢渣无法用作水泥基材料的掺料,但经机械研磨后,其所含矿物的活性大幅提升,相应的胶凝特性亦可满足水泥基材料的掺加要求。20 世纪 70 年代,我国就已开展了钢渣粉在水泥基材料中的应用研究,但因受限于工艺水平,钢渣粉细度不达标,致使与水泥混合后无法充分利用其胶凝特性,掺入钢渣粉无法显著提高水泥基材料的等级,无法满足高强度混凝土的拌制要求,在一定程度上限制了其推广应用2。但随着钢渣磨细和活化工艺的改进,通过物理磨细和化学改性激发等方式改善钢渣粉的细度和活性指标3,从而使钢渣粉满足水泥基材料活性掺料的指标要求。目前,钢渣粉已实现标准化生产,采用钢渣粉制备水泥基材料已成为钢渣资源化利用的重要途径之一。掺入钢渣粉一方面能够降低水泥基材料的生产成本;另一方面能够减少水泥用量,进而减少水泥生产过程中的碳排放,对于我国碳中和和碳达峰战略目标的实现具有重要意义。2 掺钢渣粉水泥基材料强度试验2.1 原材料试验旨在测定钢渣粉不同掺量下水泥基材料的抗压及抗折强度,试验原材料包括水泥、标准砂、钢渣粉和水等4。各原材料指标见表 1。表 1 原材料指标原材料指标参数参考标准规范P O 42.5 水泥3 d 抗压强度17.0 MPa,28 d 抗压强度42.5 MPa3 d 抗折强度3.5 MPa,28 d 抗折强度6.5 MPaGB 1752007通用硅酸盐水泥厦门艾思欧标准砂含泥量0.2%,SiO2含量96%,烧失量0.4%钢渣粉比表面积400 m2 kg-1,28 d 活性指数70%GB/T 204912006用于水泥和混凝土中的钢渣粉水自来水JGJ 632006混凝土用水标准01Research&Application of Building MaterialsDOI:10.13923/14-1291/tu.2023.01.0132.2 试验方法及结果试验在室内进行,掺钢渣粉水泥基材料的强度测定按照 GB/T 176712021水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)要求进行,试验仪器有行星式水泥胶砂搅拌机、自动压力试验机及电动抗折试验机。现有研究表明,水泥基材料中钢渣粉的掺量应控制在 30%以内;当掺量30%时,水泥基材料的早期强度明显下降,凝结硬化时间将延长;当掺量达到40%时,水泥基材料将无法凝结硬化并无法形成强度2。故试验拟将钢渣粉掺量限值设定为 30%,以钢渣粉掺量为 0 作为对照组,掺量按 5%递增设计6 个试验组2。掺钢渣粉水泥基材料不同龄期对应的抗压及抗折强度试验结果见表 2,强度变化趋势如图 1 所示。表 2 掺钢渣粉水泥基材料强度试验结果组别钢渣粉掺量/%抗压强度/MPa抗折强度/MPa3 d7 d28 d90 d3 d7 d28 d90 d对照组021.832.543.146.34.25.97.78.9实验组519.430.241.851.43.65.77.59.11016.930.940.352.03.25.47.38.21516.230.142.053.83.45.27.39.02015.429.342.153.23.05.06.98.42514.928.843.048.82.74.77.28.83013.628.640.149.92.54.67.08.3图 1 钢渣粉水泥基材料强度变化趋势 结合表 2 和图 1 发现,掺钢渣粉水泥基材料的早期抗压及抗折强度(3 d 和 7 d)与钢渣粉掺量间大体呈负相关,表明钢渣粉对水泥基材料的早期强度具有负向改性效应;掺钢渣粉水泥基材料的 28 d 抗压强度随钢渣粉掺量呈现先降低后增长的趋势,且掺量为25%时其抗压强度与对照组基本相同;掺钢渣粉水泥基材料的 90 d 抗压强度则随钢渣粉掺量大体呈现先增长后降低的趋势,且掺量为 15%时其抗压强度达到峰值;掺钢渣粉水泥基材料的 28 d 抗折强度与钢渣粉掺量间大体呈负相关,表明钢渣粉对水泥基材料的28 d 抗折强度仍具有负向改性效应;掺钢渣粉水泥基材料的 90 d 抗折强度与钢渣粉掺量间大体呈波动下降趋势。综上分析可知,钢渣粉对水泥基材料的抗折强度及早期抗压强度均无明显提升效果,但对水泥基材料的后期抗压强度提升效果显著。3 掺钢渣粉水泥基材料强度关联性分析3.1 灰关联分析法概述灰关联分析法是由系统科学理论衍生出的一类重要分析方法,其主要用于研究不同系统间或者系统内不同因素间的关联性程度。该方法不受分析对象样本数量及样本间是否存在内在规律的影响,同时该方法理论体系简单清晰,计算量小,且能够得到定量的关联性结果,具有较强的实用性和可操作性5。灰关联分析法的核心在于求解关联度,关联度是不同系统或系统内不同因素随时间或不同对象变化而变化的关联性大小的表征,对于发展中的两个因素,如果二者的变化历程具有明显的一致性和联动性,则认为两因素间的关联度较高,反之亦然。灰关联分析法的计算过程如下5-6:(1)明确参考因素和对比因素。以参考因素和对比因素为元素分别构造参考序列 X0j和对比序列Xij,两序列的函数表达式见式(1):X0j=x01,x02,x0n(j=1,2,n)Xij=xiji=1,2,m;j=1,2,n()(1)11建材技术与应用 1/2023 (2)为了满足代数运算要求,需对参考序列和对比序列中的全部元素进行无量纲处理,无量纲处理采用归一法,归一法计算见式(2):rij=xij-ximinximax-ximin(2)(3)将无量纲化的参考序列与对比序列作差,并以差值的绝对值构建灰关联矩阵 R,其表达式见式(3):R=|r01-r11|r02-r12|r0j-r1j|r01-r21|r02-r22|r0j-r2j|r01-ri1|r02-ri2|r0j-rij|i=1,2,m;j=1,2,n()(3)分析矩阵 R 发现,其每行元素分别表示同一对比序列与参考序列间的关联度,每列元素则表示不同参考序列与同一参考序列间的关联度。(4)根据式(3)进一步计算对比序列与参考序列中相应元素的关联系数值,计算方法见式(4):ij=Rijmin+RijmaxRij+Rijmaxi=1,2,m;j=1,2,n()(4)式中:分辨系数,其取值介于 01 之间,一般按等权要求计算,即=0.5。(5)求解关联度指标。关联度指标表征参考序列与对比序列的关联程度大小,其计算原理是将式(4)求得的全部关联系数求算数平均值,以平均值作为最终的关联程度量化指标,关联度 r 的计算见式(5):ri=1nnj=1iji=1,2,m;j=1,2,n()(5)3.2 钢渣粉掺量与强度的关联性分析为了进一步探讨水泥基材料掺入钢渣粉后对其强度的影响程度,采用灰关联分析方法定量分析掺钢渣粉水泥基材料抗压及抗折强度与钢渣粉掺量间的关联程度。其中,钢渣粉掺量为参考序列,不同龄期下的抗压及抗折强度分别为对比序列。3.2.1 钢钢渣渣粉粉掺掺量量与与抗抗压压强强度度间间的的灰灰关关联联分分析析 钢渣粉掺量与掺钢渣粉水泥基材料抗压强度的参考序列和对比序列数据计算结果见表 3。对表 3 中的试验数据采用归一法进行无量纲化处理,处理结果见表 4。根据式(3)求解对应的灰关联矩阵 R,结果见式(6):表 3 抗压强度参考序列和对比序列计算结果参考序列 X0j0.000.050.100.150.200.250.30对比序列 Xij21.819.416.916.215.414.913.632.530.230.930.129.328.828.643.141.840.342.042.143.040.146.351.452.053.853.248.849.9表 4 无量纲化处理后的数据参考序列 X0j0.000.170.330.500.670.831.00对比序列 Xij1.000.710.400.320.220.160.001.000.410.590.380.180.050.001.000.570.070.630.670.970.000.000.680.761.000.920.330.48R=1.000.540.070.180.450.671.001.000.240.260.120.490.781.001.000.400.270.130.000.131.000.000.510.430.500.250.500.52(6)从矩阵 R 中提取出 min=0.00、max=1.00,根据式(4)求解关联系数矩阵,结果见式(7):=0.330.480.880.730.530.430.330.330.670.660.810.510.390.330.330.560.650.791.000.790.331.000.490.540.500.660.500.49(7)最后,根据式(5)求得不同对比序列对应的关联度指标,结果见表 5。表 5 不同对比序列对应的关联度指标对比序列3 d 抗压强度7 d 抗压强度28 d 抗压强度90 d 抗压强度关联度指标0.530.530.640.60 由表 5 可知,关联度指标由大至小依次为:28 d抗压强度、90 d 抗压强度、7 d 抗压强度及 3 d 抗压强度。这说明对于掺钢渣粉水泥基材料而言,钢渣粉掺量与材料 28 d 抗压强度之间的关联性程度最高,即钢渣粉掺入后对水泥基材料 28 d 抗压强度影响最明显。3.2.2 钢钢渣渣粉粉掺掺量量与与抗抗折折强强度度间间的的灰灰关关联联分分析析 钢渣粉掺量与掺钢渣粉水泥基材料抗折强度的参考序列和对比序列数据计算结果见表 6。表 6 抗折强度参考序列和对比序列计算结果参考序列 X0j0.000.050.100.150.200.250.30对比序列 Xij4.23.63.23.43.02.72.56.05.75.45.25.04.74.67.77.57.37.36.97.27.08.99.18.29.08.48.88.3 对表 6 中的试验数据采用归一法进行无量纲化处理,处理结果见表 7。21Research&Application of Building Materials表 7 无量纲化处理后的试验数据参考序列 X0j0.000.170.330.500.670.831.00对比序列 Xij1.000.650.410.530.290.120.001