不同水泥的鋼渣混凝土基本力學性能試驗研究

韓艷麗，馮　勇，晉　強，肖　磊

(新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

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不同水泥的鋼渣混凝土基本力學性能試驗研究

韓艷麗，馮勇，晉強，肖磊

(新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

摘要：在原有混凝土配合比的基礎下，利用鋼渣粗骨料對混凝土中的天然骨料進行部分替換，進行鋼渣混凝土配合比試驗，分別用普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，進行配合比試驗，比較用兩種水泥分別拌制下，鋼渣混凝土的早期抗折、抗壓強度及后期強度發(fā)展變化，進行不同水泥品種下鋼渣混凝土基本力學性能研究。

關鍵詞：鋼渣；普通硅酸鹽水泥；硫鋁酸鹽水泥；早期強度；變化

鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，其密度較大且硬度高，因此可以考慮作為粗骨料替換混凝土中的部分天然骨料。用其替換部分天然骨料，不僅對工業(yè)廢渣再利用有著重要意義[1]，同時可以保護石子、鐵礦石等不可再生資源，又減少鋼渣堆放對環(huán)境的污染，實現(xiàn)工業(yè)廢渣的循環(huán)再利用，綠色環(huán)保，保護生態(tài)[2]。

現(xiàn)今，國內外許多學者在混凝土里摻加鋼渣粉等優(yōu)質工業(yè)廢渣，并做了大量的研究，也取得了大量的研究成果。劉攀、侍克斌[3]等人對單摻鋼渣粉混凝土的早期抗裂性能進行了研究，研究表明鋼渣粉不僅可以延長混凝土的初裂時間，同時隨著摻量的增加,混凝土的抗裂性越突出。巴明芳、柳俊哲[4]等人研究了鋼渣微粉和鋼渣骨料對水泥基復合材料的影響，結果表明：隨著鋼渣微粉摻加量的提高，鋼渣改性水泥基材料漿體的初凝時間逐漸延長，流動性逐漸增加；隨著鋼渣骨料粒徑的增加，鋼渣改性水泥基混凝土的抗壓、抗折強度也呈現(xiàn)增長趨勢，并最終確定作為粗骨料的鋼渣粒徑為13.3 mm與9.5 mm，而且兩種粒徑鋼渣骨料的質量比為1∶1時，所配制鋼渣改性混凝土的工作性能與力學性能最佳。王功勛，譚琳[5]等人以工業(yè)廢棄物鋼渣、陶瓷拋光磚粉為輔助膠凝材料，通過對單摻鋼渣粉及陶瓷拋光磚粉水泥在不同水膠比下的強度、化學結合水、孔溶液堿度及孔微觀結構的測定，研究了在不同水膠比情況下，鋼渣粉、陶瓷拋光磚粉在復合膠凝材料中對水泥水化性能的影響。

本試驗以寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司煉鋼所生產的鋼渣作為粗骨料替代部分天然粗骨料。由于目前八一鋼鐵有限公司對鋼渣出爐后首先進行熱悶后，再采用滾筒篩對鋼渣進行初步顆粒篩分，然后利用篩分機進行篩分，從而使鋼渣中體積不安定成分降低，使鋼渣推廣利用變?yōu)榭赡躘6-8]。本實驗所采用的膠凝材料為普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥，對比在兩種不同水泥的情況下鋼渣混凝土的早期抗壓、抗折強度及其變化趨勢,并與原普通混凝土進行對比。

1　實驗原材料

普通硅酸鹽水泥為新疆青松建筑P.O42.5號水泥，硫鋁酸鹽水泥為北極熊牌42.5號快硬水泥。

本實驗的鋼渣由寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司提供，其鋼渣滿足體積安定性的要求。該鋼渣呈黑色，表面粗糙多孔，其化學成分見表1。

表1　鋼渣的化學成分　單位：%

鋼渣粒徑選用5 mm～10 mm的連續(xù)級配，天然骨料選用：碎石5 mm～10 mm連續(xù)級配。

細骨料粒徑在1 mm～5 mm以下，經測驗為中砂。

水采用普通自來水。

2　試驗方法

2.1配合比

設計一組普通混凝土的配合比，具體見表2。

在不添加任何混凝土活性摻和料的情況下，根據劉攀等人[9]對鋼渣體積安定性的實驗研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣摻量在10%～30%時，混凝土幾乎沒有膨脹值，因此用鋼渣分別以20%、30%替換部分石子。分別選用普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥做兩組試塊。具體配合比見表3。

2.2試驗方法

根據表2、表3中的配合比制成40 mm×40 mm

×160 mm和100 mm×100 mm×100 mm兩種不同尺寸的標準混凝土試塊(根據實驗室模具的種類選擇這兩種模具，見圖1)。分別測試普通混凝土、普通硅酸鹽鋼渣混凝土、硫鋁酸鹽鋼渣混凝土3 d、7 d、28 d的抗折強度與抗壓強度。每種混凝土試塊制備6組，每組6塊，共計108塊(見圖2、圖3)。

表2　普通混凝土配合比

表3　鋼渣混凝土配合比

圖1試驗模具

3　試驗結果與分析

普通混凝土與普通硅酸鹽鋼渣混凝土及硫鋁酸鹽鋼渣混凝土的基本力學實驗結果見表4、表5。

鋼渣混凝土試驗結果分析比較：

(1)當鋼渣的替換率在20%、30%時，試件的形態(tài)在28 d后均保持完整狀態(tài)，證明在混凝土中用鋼渣替換部分天然骨料，不會影響混凝土的體積安定性。

(2)當膠凝材料均為普通硅酸鹽水泥時，可發(fā)現(xiàn)：

圖2試驗試塊

圖3實驗儀器

表4　三種混凝土抗折強度試驗結果

表5　三種混凝土抗壓強度試驗結果

① 當鋼渣替換率在20%時，普通混凝土與普通硅酸鹽鋼渣混凝土3 d、7 d、28 d抗折強度相差較大，抗壓強度同樣相差較大，均有明顯程度的下降；

② 當鋼渣替換率在30%時，普通混凝土與普通硅酸鹽鋼渣混凝土3 d、7 d、28 d抗折強度相差不大，兩者的抗壓強度卻是普通混凝土較好；

③ 普通硅酸鹽鋼渣混凝土中，替換率為30%的抗折和抗壓強度比20%的大，但是28 d的抗壓強度都有明顯下降，這說明鋼渣作為粗骨料替換部分天然骨料時，適合的替換率為30%。

(3)選用硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，通過3 d、7 d、28 d的檢測數據來看，可發(fā)現(xiàn)：

① 當鋼渣的替換率為20%時，3 d的抗折強度明顯提高，這是由于本次試驗所選用的硫鋁酸鹽水泥為快硬水泥，因此早期有較大的抗折強度。7 d、28 d抗折強度不如普通混凝土，但比普通硅酸鹽鋼渣混凝土略有提高。從抗壓強度上來看，硫鋁酸鹽鋼渣混凝土抗壓強度很大，不僅遠遠超過了普通混凝土，同時也比普通硅酸鹽鋼渣混凝土提高很多。

② 當鋼渣的替代率在30%時，同樣也是3 d的抗折強度明顯提高，7 d、28 d抗折強度不如普通混凝土，但是卻高于普通硅酸鹽鋼渣混凝土。從抗壓強度上來看，硫鋁酸鹽鋼渣混凝土抗壓強度有很大的提高，遠遠超過了普通混凝土和普通硅酸鹽鋼渣混凝土的抗壓強度。

③ 硫鋁酸鹽鋼渣混凝土中，替換率為30%的抗折和抗壓強度同樣比20%的大，并且28 d的抗壓強度均呈上升趨勢，同樣也說明鋼渣作為粗骨料替換部分天然骨料時，替換率為30%是較為合適的。

(4)鋼渣作為粗骨料替換混凝土中天然骨料時，替換率在30%左右時，普通硅酸鹽鋼渣混凝土和硫鋁酸鹽鋼渣混凝土的抗折強度和抗壓強度均比替換率為20%時有提高，證明鋼渣可以替換部分石子作為粗骨料運用到混凝土中，并且不需要添加其他活性摻和料，這樣在很大程度上也節(jié)約了成本。

(5)通過表4和表5的4組試驗數據來看，普通硅酸鹽鋼渣混凝土的早期強度不如硫鋁酸鹽鋼渣混凝土的大，但是后期的抗折強度卻是前者比后者大。這說明硫鋁酸鹽水泥可以使鋼渣混凝土具有較強的早期抗折強度，而后期的抗折強度就會有一些下降。從抗壓強度上來看，硫鋁酸鹽鋼渣混凝土的早期強度比普通硅酸鹽鋼渣混凝土的要大很多，并且后期強度一直呈上升趨勢。

因此綜上所述，硫鋁酸鹽鋼渣混凝土的抗壓性能比普通硅酸鹽鋼渣混凝土的性能稍好。

4　結　論

通過以上實驗可以得到，把鋼渣作為粗骨料替換混凝土中的天然粗骨料是可行的。用普通硅酸鹽水泥所配置的鋼渣混凝土是可以滿足一定的抗折強度的，只是其抗壓強度還需要進一步的提高。用硫鋁酸鹽水泥所配置的鋼渣混凝土雖然在抗折強度稍有下降，但其抗壓強度提高很多，證明用鋼渣替換部分天然粗骨料制成的鋼渣混凝土，是可以向高性能混凝土發(fā)展的，而且隨著實驗的進一步深入研究，能夠促使鋼渣混凝土在實際工程中得到推廣應用。

參考文獻：

[1]張宇，郝以黨，柯國炬，等.鋼渣在建材行業(yè)中應用的定位分析[J].混凝土與水泥制品,2011,(11):68-70.

[2]康明.鋼渣用于混凝土的安定性評價與控制研究[J].粉煤灰,2013，46(2):15-17.

[3]劉攀,侍克斌,吳福飛.單摻鋼渣粉混凝土早期抗裂性能研究[J].水利與建筑工程學報,2014,12(1):96-99.

[4]巴明芳,柳俊哲,賀智敏,等.鋼渣微粉改性水泥基鋼渣骨料混凝土的配制及性能[J].材料導報,2013,27(22):119-124.

[5]王功勛,譚琳,王佳驊,等.不同水膠比下鋼渣粉與陶瓷拋光磚粉對水泥水化性能的影響[J].硅酸鹽學報,2014,42(2):190-197.

[6]徐兵,張國防.寶鋼鋼渣對水泥混凝土性能的影響[J].新型建筑材料,2013，(5):73-76.

[7]孫家瑛,張健,金強,等.寶鋼鋼渣微粉用于水泥混凝土的安定性和與水泥,外加劑相容性試驗研究[J].粉煤灰,2006,18(3):20-21.

[8]張燦路.鋼渣粗骨料混凝土的試驗研究[J].中國科技博覽,2012，(26):31-31.

[9]劉攀.單摻鋼渣混凝土的抗壓強度及早期抗裂性能研究[D].烏魯木齊：新疆農業(yè)大學,2014.

ExperimentalStudyontheBasicMechanicalPropertiesofSteelSlagConcretewithDifferentCement

HAN Yan-li,FENG Yong,JIN Qiang,XIAO Lei

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Abstract：According to the original concrete mix ratio,the natural aggregate was replaced by steel slag coarse aggregate in proportion in the slag concrete mix ratio tests.The tests were conducted with ordinary portland cement and sulpho-aluminate cement as binding materials respectively,By comparing early compressive strength and its development in the later stages of two concrete mixtures with these two different cement,the basic mechanical properties of steel slag concrete with different varieties of cement were studied.

Keywords：slag;ordinary Portland cement;sulpho-aluminate cement;early strength;change

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.019

中圖分類號：TU528.041

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0098—04

通訊作者：馮勇(1971—)，男，四川巴中人，博士，副教授，主要從事新型建筑材料的教學科研工作。

作者簡介：韓艷麗(1988—)，女，陜西澄城人，碩士研究生，研究方向為新型建筑材料。

基金項目：新疆水利水電重點學科基金(XJSLSDZDXK2012-13)；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金項目“鋼渣替換部分天然骨料應用于地鐵盾構圓管片制備的關鍵技術研究”

收稿日期：2014-07-12修稿日期：2014-08-24