Kevert cement keveréke alap oxigén acélgyártási salakkal (BOF), mint alternatív zöld építőanyag

Assel Jexembajeva

1 Építőmérnöki és Környezetmérnöki Tanszék, Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA; ude.usm@yabmexej (A.J.); ude.usm@latmelas (T.S.)

2 Műszaki Kar, Saken Seifullin Kazah Agro Műszaki Egyetem, Astana 010011, Kazahsztán; [email protected]

Talal Salem

1 Építőmérnöki és Környezetmérnöki Tanszék, Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA; ude.usm@yabmexej (A.J.); ude.usm@latmelas (T.S.)

Pengcheng Jiao

3 kikötői, parti és tengeri mérnöki intézet, Óceán Főiskola, Zhejiang Egyetem, Zhoushan 316021, Kína; nc.ude.ujz@0260010613

4 Óceánérzékelő technológia és berendezés mérnöki kutatóközpontja, Zhejiang Egyetem, Oktatási Minisztérium, Hangcsou 310000, Kína

Bozhi Hou

3 kikötői, parti és tengeri mérnöki intézet, Óceán Főiskola, Zhejiang Egyetem, Zhoushan 316021, Kína; nc.ude.ujz@0260010613

Rimma Nijazbekova

2 Műszaki Kar, Saken Seifullin Kazah Agro Műszaki Egyetem, Astana 010011, Kazahsztán; [email protected]

Absztrakt

1. Bemutatkozás

Itt kevert portlandi salakcementről számolunk be, amelyben a közönséges portlandcementet az alap oxigénacélgyártó salak (BOF) fokozta. A [41] referenciában ismertetett, környezetbarát, önérzékelő beton kibővült a BOF-tal javított cement mechanikai és kémiai tulajdonságainak fejlett megértése érdekében. A fokozott fizikai, kémiai és mechanikai jellemzőket megvizsgálják, és a BOF-nal javított cementhez az optimális 5% -os BOF-dózist kapják. Először beszámolnak a BOF-fokozott cement összetevőiről és előállításáról, majd kísérleteket végeznek a BOF-nal javított cement jellemzőinek, beleértve a fizikai teljesítményt (azaz a BOF és az OPC részecskeméret-eloszlását), a kémiai teljesítményt. (azaz az OPC és a BOF XRD és féladiabatikus kalorimetriás eredményei), valamint a mechanikai teljesítmény (azaz a nyomó- és hajlítószilárdságok). Numerikus szimulációkat hajtanak végre a BOF-tal javított cement mechanikai reakciójának validálására, és kielégítő megállapodás születik. Az ebben a cikkben ismertetett kevert portlandi salakcement haladó ismeretekhez vezet a környezetbarát kevert cementek terén, amelyek melléktermék-hulladékokat használnak a mechanikai és elektromos teljesítményhez.

2. A BOF-fokozott cement komponensei, előállítása és kísérleti tesztelése

2.1. A BOF által javított cementhabarcs alkatrészei

A BOF-et a szokásos I típusú portlandcement (OPC) különböző dózisokkal történő részleges cseréjére és a fokozott mechanikai tulajdonságok kísérleti kalibrálására használták. Megjegyezzük, hogy a BOF az acélgyártás hulladéka, amelyet öntöttvas megolvasztásával mész- vagy dolomitfluxussal a gáz-oxigén közegben nyernek. Az öntöttvas szennyeződése elsősorban a szén, a foszfor, a szilícium és a mangán, amelyek

Asztal 1

Kémiai összetétel és a gyulladás vesztesége (tömeg%) az alap oxigénacél-salaknak (BOF) és a közönséges portlandcementnek (OPC).

TartalomSiO2CaOAl2O3Fe2O3MgOMnOSO3TiO2P2O5LOI

OPC	19.94	64.20	4.86	3.15	2.71	2.83	1.67	-	-	2.5
BOF	12.03	46.17	1.53	21.66	4.53	5.10	0,77	0,58	2.52	2.3

2.2. BOF-fokozott cementhabarcs gyártása

Az 1a. Ábra a BOF-nal javított cementhabarcs gyártási folyamatait mutatja be. A BOF-nal javított cement- és OPC-habarcsokat a vibrációs asztalra rúgták, hogy a tömörítés biztosítása érdekében csökkentse a légbuborékokat. 24 óra elteltével a mintákat leszereltük, és 20 ° C hőmérséklet és 95% relatív páratartalom mellett a pácolóhelyiségbe helyeztük. A féladiabatikus kalorimetriát alkalmaztuk a BOF-tartalmú cement 25 ° C-os szobahőmérsékleten történő hidratációs hő okozta hőmérséklet-növekedésének meghatározására. A víz/cement (W/C) arányt az ASTM C305 [43] követelményeinek megfelelően határoztuk meg, és azonnal az adiabatikus kamrába helyeztük. Figyeltük a friss BOF-erősített cement- és OPC-minták hőmérsékleti alakulását. A BOF-erősített és az OPC habarcsminták kezdeti és végső kötési idejét az ASTM C191 [44] szerint mértük Vicat tűkészülékkel [45]. A cementtel összekevert vízmennyiséget úgy választottuk meg, hogy az ASTM C187 normál konzisztenciájú legyen [46]. Összefoglalva, a BOF-tal javított cementhabarcs gyártási folyamata három lépést tartalmazott:

Kiegészítő cementáló anyagokat 3 percig kis sebességgel kevertünk az OPC-vel a klasszikus ™ quart dönthető fejű állványkeverővel, hogy biztosítsuk a nedvesség behatolását az egész részecskékre;

Vizet adunk a kevert OPC-hez, és a W/C arányt úgy állítjuk be, hogy az ASTM C1437/110 ± 5% friss keverék áramlását eredményezze [47];

Az összekevert anyagokhoz lassan ottawa-i szilícium-homokot adtak, hogy a homok/cement arány 2,75 legyen, és 30 másodpercig keverték. Az összekevert cementmintákat 90 másodpercig tartottuk, majd 60 másodpercig közepes sebességgel kevertük.

(a) A BOF-nal javított cementhabarcs gyártása. (b) A BOF és az OPC részecskeméret-eloszlása a BOF-fokozott cementben.

Finom BOF-et használtak a cement nanostruktúra-helyettesítőjeként, hogy javítsák az OPC és a BOF közötti kölcsönhatást, miközben növelik a hidratációs sebességet [48]. A BOF és az OPC részecskeméret-eloszlását a BOF-erősített cementben a 3071A analizátorral mértük, amint az az 1. b ábrán látható. Látható, hogy a BOF és az OPC részecskeméretei között 1 és 100 µm közötti szignifikáns eltéréseket kaptunk.

A vizsgált BOF és OPC ásványtanát XRD technikával értékeltük. A 40 kV és 30 mA feszültségű Cu röntgensugárzással felszerelt Bruker D8 röntgendiffraktométert (Bruker, Karlsruhe, Németország) különösen alkalmazták az XRD tesztek 2 °/perc sebességgel történő lefolytatására, amely 2 a 5–60 °. Az OPC és a BOF XRD eredményeit a BOF-fokozott cementben a 2. ábra mutatja be. Látható, hogy az OPC főleg trikalcium-szilikátokat (C3S), dikalcium-szilikátokat (C2S) és tetrakalcium-aluminoferritet (C4AF) tartalmaz, a BOF pedig főleg kalcium-karbonátot (CaCO3), kalcium-hidroxidot (Ca (OH) 2), vas-oxidot (Fe3O4) tartalmaz ), trikalcium-szilikátok (C3S), dikalcium-szilikátok (C2S) és tetrakalcium-aluminoferrit (C4AF). A 2. ábra összehasonlítása a, b, CaCO3, Ca (OH) 2 és Fe3O4 az OPC és a BOF közötti fő különbséghez vezet.

XRD eredményei (a) OPC és (b) BOF a BOF-fokozott cementben.

2.3. Kísérleti eljárások

Kísérleti beállítás a (a) nyomó és (b) hárompontos hajlítási tesztek (az összes skála 20 mm).

2.4. Mechanikai eredmények és megbeszélés

A (a) nyomó és (b) hajlítószilárdságok az OPC és a BOF-képes cement között.

2. táblázat

Nyomó- és hajlítószilárdság BOF-erősített cement- és OPC-habarcsmintákhoz kapcsolódó standard hibával (szórás).

Minták W/CC nyomás alatti (MPa) hajlító (MPa)3 nap7 nap28 nap3 nap7 nap28 nap

Rendes portlandi cement (OPC)	0,26	24,4 ± 0,3	28,1 ± 0,1	31,5 ± 0,4 (8e. Ábra)	5,33 ± 0,06	5,80 ± 0,05	6,35 ± 0,02 (8f. Ábra)
1% BOF	0,26	25,3 ± 0,7	29,5 ± 0,4	32,1 ± 0,3	5,10 ± 0,08	5,52 ± 0,04	6,14 ± 0,03
3% BOF	0,26	30,8 ± 0,3	36,1 ± 0,7	38,5 ± 0,2	6,14 ± 0,11	7,20 ± 0,04	7,54 ± 0,02
5% BOF	0,27	36,4 ± 0,4	38,3 ± 0,2	42,2 ± 0,2	6,52 ± 0,07	7,50 ± 0,02	7,86 ± 0,03
10% BOF	0,28	34,3 ± 0,6	35,6 ± 0,3	40,6 ± 0,1	6,75 ± 0,12	5,91 ± 0,06	7,32 ± 0,04
15% BOF	0,28	32,3 ± 0,3	34,4 ± 0,3	36,1 ± 0,5	5,89 ± 0,07	4,13 ± 0,02	3,60 ± 0,06

Ezután a BOF-tal javított cement XRD-analízisét 3 nap korai életkorában kapjuk meg, amint azt az 5. ábra mutatja. Látható, hogy az 1–15% BOF-et tartalmazó BOF-fokozott cement esetében a fő ásványtani fázisok a kalcium-szilikát-hidrát (CSH), a trikalcium-szilikát (C3S), a dikalcium-szilikát (C2S), az ettringit (E) és a kalcium voltak. hidroxid (CH), amelyek már a korai életkorban jelentős mennyiségben képződtek [53,54]. Különösen a C3S jellegzetes csúcsának változása 2 θ = 29 ° -nál kevésbé volt éles az 5% BOF esetében, ami megmagyarázza a C3S-C-S-H-gél optimális átalakulását a hidratációs reakció során [55]. Azonban más csúcsok változatlanok maradnak 5% BOF értéknél, ami a BOF-fokozott cement nyomó- és hajlítószilárdságának növekedését eredményezi.

Az OPC és a BOF által javított cementhabarcs XRD eredményei 1%, 3%, 5%, 10% és 15% BOF mellett 3 napos korai kikeményedési korban.

A 6. ábra a BOF-nal javított cementhabarcs minták SEM képeit mutatja késői 28 napos korban, viszonylag alacsonyabb (azaz 1000x) és nagyobb (azaz 2000x) nagyítással. Általában nagy nagyítású képeket készítenek bizonyos salakfürtökkel. A 6a. Ábra azt mutatja, hogy az OPC cement homogén szerkezetű. Ennek oka lehet, hogy a kalcium-szilikát-hidrát (CSH) gélrostok sűrűbb átfedéseket képeznek a hálózat szerkezetével, és a hatszögletű CH kristályokon keresztül kapcsolódnak a környező vízmentes cementrészecskékhez, amelyek hajlamosak a keretek kialakítására a lépcsőzésekkel [56]. Hasonló megfigyelést kapunk a 6b. Ábrán, amely a BOF-dúsított cementben lévő alacsony 1% BOF mennyiséggel magyarázható. A 6c. Ábra a CH-kristályhidrátok növekményét mutatja, összefonódva C-S-H gél és tű alakú ettringit hidratált lemezeivel. A paszta kereten belüli szövetek közötti tereket CH kristályok és C-S-H gél töltik ki 5% BOF-ben a 6. d ábrán, amely megmagyarázza a sűrű kristályos szerkezet kialakulását [57]. A 6. e, f ábrákat olyan laza szerkezetekkel figyeljük meg, amelyeknek észrevehető pórusai vannak, kevésbé sűrű hálózati struktúrákkal.

SEM képek (a) OPC, valamint BOF-javított cementhabarcs (b1% BOF, (c) 3% BOF, (d) 5% BOF, (e) 10% BOF, és (f) 15% BOF, 28 napos kikeményedési korban (a szürke képek az 1000x-es kis nagyítás, a zöld képek pedig a 2000-es nagyítás) (az összes skálasáv 100 µm).