Асел Джексембаева

1 Катедра по гражданско и екологично инженерство, Мичигански държавен университет, Източен Лансинг, MI 48824, САЩ; ude.usm@yabmexej (A.J.); ude.usm@latmelas (Т.С.)

2 Технически факултет, Saken Seifullin Казахски агротехнически университет, Астана 010011, Казахстан; [email protected]

Талал Салем

1 Катедра по гражданско и екологично инженерство, Мичигански държавен университет, Източен Лансинг, MI 48824, САЩ; ude.usm@yabmexej (A.J.); ude.usm@latmelas (Т.С.)

Пенгченг Дзяо

3 Институт по пристанищно, крайбрежно и офшорно инженерство, Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, Китай; nc.ude.ujz@0260010613

4 Инженерно-изследователски център за океански сензорни технологии и оборудване, Университет Джеджианг, Министерство на образованието, Ханджоу 310000, Китай

Божи Хоу

3 Институт по пристанищно, крайбрежно и офшорно инженерство, Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, Китай; nc.ude.ujz@0260010613

Римма Ниязбекова

2 Технически факултет, Saken Seifullin Казахски агротехнически университет, Астана 010011, Казахстан; [email protected]

Резюме

1. Въведение

Тук докладваме смесен шлаков цимент от Портланд, в който обикновеният портландцимент е подсилен с основна кислородна шлака за производство на стомана (BOF). Безопасният за околната среда, самочувстващ се бетон, докладван в Справка [41], е разширен за по-задълбочено разбиране на механичните и химични свойства на подобрения на BOF цимент. Изследват се подобрените физични, химични и механични характеристики и се получава оптималната доза от 5% BOF за подобрения на BOF цимент. Първо се отчитат компонентите и производството на BOF-усилен цимент и след това се провеждат експерименти за получаване на характеристиките на BOF-подобрения цимент, включително физическите характеристики (т.е. разпределението на частиците на BOF и OPC), химичните характеристики (т.е. XRD и полуадиабатни калориметрични резултати на OPC и BOF) и механичните характеристики (т.е. якост на натиск и огъване). Провеждат се числени симулации, за да се потвърди механичната реакция на подобрения с BOF цимент и се получават задоволителни споразумения. Смесеният шлаков цимент от Портланд, докладван в тази статия, води до усъвършенствано разбиране за екологично чистите смесени цименти, които използват отпадъчни продукти за механични и електрически характеристики.

2. Компоненти, производство и експериментално тестване на BOF-подобрен цимент

2.1. Компоненти на подобрен с BOF циментов разтвор

BOF се използва за частично заместване на обикновения портландцимент (OPC) тип I с различни дози и експериментално калибриране на подобрените механични свойства. Имайте предвид, че BOF е отпадък от производството на стомана, получен чрез стопяване на чугун с вар или доломит в потока на газообразната кислородна среда. Примесите в чугуна са предимно въглерод, фосфор, силиций и манган, които могат да бъдат обозначени като

маса 1

Химичен състав и загуба при резултатите от запалването (тегл.%) На основната кислородна шлака за производство на стомана (BOF) и обикновения портландцимент (OPC).

Съдържание SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgOMnOSO3TiO2P2O5LOI
OPC19.9464,204.863.152.712.831.67--2.5
BOF12.0346.171.5321.664.535.100,770,582.522.3

2.2. Производство на подобрен с BOF циментов разтвор

Фигура 1 а представя производствените процеси на циментовия разтвор, подобрен с BOF. Подобрените с BOF разтвори за цимент и OPC бяха разклатени върху вибрационната маса, за да се намалят въздушните мехурчета, като същевременно се осигури уплътняването. След 24 часа образците се демонтират и се поставят в стаята за втвърдяване при температура 20 ° С и относителна влажност 95%. Полуадиабатната калориметрия беше използвана за определяне на повишаване на температурата, предизвикана от хидратацията, на повишения с BOF цимент при стайна температура от 25 ° C. Съотношението вода/цимент (W/C) се уточнява в съответствие с изискванията на ASTM C305 [43] и веднага се поставя вътре в адиабатната камера. Проследява се развитието на температурата на пресните BOF-подобрени цимент и OPC проби. Първоначалното и крайното време за настройка на пробите от разтвор за усилване на BOF и OPC бяха измерени съгласно ASTM C191 [44], като се използва иглата Vicat [45]. Количеството вода, смесено с цимента, е избрано, за да се получи нормална консистенция съгласно ASTM C187 [46]. В обобщение, производственият процес на подобрения с BOF циментов разтвор включва три стъпки:

Допълнителни циментиращи материали се смесват с OPC в продължение на 3 минути при ниска скорост, като се използва смесител с накланяща се глава classic ™ quart, за да се осигури проникването на влагата върху цели частици;

Към смесената OPC се добавя вода и съотношението W/C се коригира, за да се получи поток от прясна смес от 110 ± 5% за ASTM C1437 [47];

Към смесените материали бавно се добавя силициев пясък от Отава, за да се постигне съотношението пясък към цимент от 2,75 и се смесва в продължение на 30 s. Смесените циментови проби се държат в продължение на 90 s и след това се разбъркват със средна скорост в продължение на 60 s.

смесен

(а) Производство на усилен с BOF циментов разтвор. (б) Разпределение на размера на частиците на BOF и OPC в подобрения на BOF цимент.

Фините BOF бяха използвани като наноструктурна заместител на цимента, за да се подобри взаимодействието между OPC и BOF, като същевременно се увеличи скоростта на хидратация [48]. Разпределението на размера на частиците на BOF и OPC в усиления с BOF цимент беше измерено чрез анализатора 3071A, както е показано на фигура 1 b. Вижда се, че са получени значителни вариации на коефициента на преминаване за размерите на частиците на BOF и OPC между 1 и 100 µm.

Минералогията на разглежданите BOF и OPC бяха оценени с помощта на XRD техника. Рентгенов дифрактометър Bruker D8 (Bruker, Карлсруе, Германия), оборудван с рентгеново лъчение Cu, работещ при 40kV и 30mA, беше особено използван за провеждане на рентгенови тестове със скорост 2 °/min, покриващ ъгъл на отражение 2θ от 5-60 °. Резултатите от XRD на OPC и BOF в подобрения на BOF цимент са представени на фигура 2. Вижда се, че OPC съдържа предимно трикалциеви силикати (C3S), дикалциеви силикати (C2S) и тетракалциев алумоферит (C4AF), а BOF има предимно калциев карбонат (CaCO3), калциев хидроксид (Ca (OH) 2), железен оксид (Fe3O4 ), трикалциеви силикати (C3S), дикалциеви силикати (C2S) и тетракалциев алумоферит (C4AF). Сравняването на Фигура 2 a, b, CaCO3, Ca (OH) 2 и Fe3O4 води до основната разлика между OPC и BOF.

XRD резултати от (а) OPC и (б) BOF в подобрения на BOF цимент.

2.3. Експериментални процедури

Експериментална настройка за (а) компресивен и (б) триточкови тестове за огъване (всички ленти на скалата са 20 mm).

2.4. Механични резултати и дискусия

Тенденции на разпространение наа) компресивен и (б) якост на огъване между OPC и BOF-активиран цимент.

Таблица 2

Якост на натиск и огъване за проби от цимент и OPC, подобрени с BOF, със съответната стандартна грешка (стандартно отклонение).

Образци W/C Компресивен (MPa) огъващ (MPa)3 дни 7 дни 28 дни 3 дни 7 дни 28 дни
Обикновен портландски цимент (OPC) 0,2624,4 ± 0,328,1 ± 0,131,5 ± 0,4
(Фигура 8д)		5,33 ± 0,065,80 ± 0,056,35 ± 0,02
(Фигура 8f)
1% BOF0,2625,3 ± 0,729,5 ± 0,432,1 ± 0,35,10 ± 0,085,52 ± 0,046,14 ± 0,03
3% BOF0,2630,8 ± 0,336,1 ± 0,738,5 ± 0,26,14 ± 0,117,20 ± 0,047,54 ± 0,02
5% BOF0,2736,4 ± 0,438,3 ± 0,242,2 ± 0,26,52 ± 0,077,50 ± 0,027,86 ± 0,03
10% BOF0,2834,3 ± 0,635,6 ± 0,340,6 ± 0,16,75 ± 0,125,91 ± 0,067,32 ± 0,04
15% BOF0,2832,3 ± 0,334,4 ± 0,336,1 ± 0,55,89 ± 0,074,13 ± 0,023,60 ± 0,06

След това се получава XRD анализ на усиления с BOF цимент в ранна възраст от 3 дни, както е показано на Фигура 5. Вижда се, че за усиления с BOF цимент с 1–15% BOF основните минералогични фази са калциев силикатен хидрат (CSH), трикалциев силикат (C3S), дикалциев силикат (C2S), етрингит (E) и калций хидроксид (СН), които се образуват в значителни количества в ранна възраст [53,54]. По-специално, варирането в характерния пик на C3S при 2 θ = 29 ° беше по-малко рязко в случая на 5% BOF, което обяснява оптималното превръщане на гела C3S-в-C-S-H по време на реакцията на хидратация [55]. Останалите пикове обаче остават непроменени при 5% BOF, което води до увеличаване на якостите на натиск и огъване за подобрения на BOF цимент.

XRD резултати на OPC и BOF-подобрен циментов разтвор с 1%, 3%, 5%, 10% и 15% BOF при ранна втвърдяваща възраст от 3 дни.

Фигура 6 представя SEM изображенията на пробите от циментови хоросани, подобрени с BOF, в късна възраст от 28 дни с относително по-ниско увеличение (т.е. 1000 ×) и по-голямо увеличение (т.е. 2000 ×). По принцип се получават изображения с голямо увеличение с определени клъстери от шлака. Фигура 6а показва, че OPC циментът има хомогенна структура. Това може да се дължи на гел влакната на калциевия силикат хидрат (CSH), които образуват по-плътно припокриване на мрежовата структура и се свързват с околните нехидратирани циментови частици чрез хексагоналните СН кристали, които са склонни да образуват рамка чрез залитане [56]. Подобно наблюдение е получено на Фигура 6 b, което може да се обясни с ниското количество от 1% BOF в подобрения на BOF цимент. Фигура 6 в показва увеличение на СН кристалохидрати, преплетени с хидратирани плаки от C-S-H гел и игленообразен етрингит. Межтъканните пространства вътре в рамката на пастата са запълнени от СН кристали и C-S-H гел в 5% BOF на Фигура 6 d, което обяснява образуването на плътна кристализирана структура [57]. Фигура 6 e, f се наблюдават при хлабавите структури, които имат забележими пори с по-малко плътни мрежови структури.

SEM изображения за (а) OPC, както и циментов разтвор, подобрен с BOF с (б) 1% BOF, (° С) 3% BOF, (д) 5% BOF, (д) 10% BOF и (е) 15% BOF, на втвърдяваща възраст от 28 дни (сивите изображения са с ниско увеличение 1000 ×, а зелените изображения са с голямо увеличение 2000 ×) (всички ленти с мащаб са 100 µm).