鋼渣粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響研究

顏世濤，曹先廣，張勇，謝慧東

（山東華森混凝土有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

鋼渣粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響研究

顏世濤，曹先廣，張勇，謝慧東

（山東華森混凝土有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

本文通過分析利用不同比例鋼渣粗骨料等體積取代石灰石，對(duì)混凝土工作性、力學(xué)性能及耐久性能的影響。結(jié)果表明：混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失隨鋼渣取代比例增加有所降低；各齡期強(qiáng)度在鋼渣取代比例為 60% 時(shí)，達(dá)到最大值；利用鋼渣等體積取代石灰石配制的混凝土抗凍融性、抗?jié)B性及抗收縮性等耐久性均有所改善。微觀結(jié)構(gòu)表明鋼渣粗骨料混凝土界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)相對(duì)更為致密。

鋼渣粗骨料；工作性；強(qiáng)度；耐久性；界面過渡區(qū)

0 緒論

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的主要廢渣，鋼渣大量堆放占據(jù)大面積土地，而且對(duì)土壤、水質(zhì)會(huì)造成嚴(yán)重污染，提高鋼渣處理和綜合利用水平是非常急迫的問題。目前，我國鋼渣的綜合利用率大約為 50%～60%，建材領(lǐng)域利用率僅為 10% 左右，而歐美等發(fā)達(dá)國家，鋼渣回收利用率可以達(dá)到 100%，我國鋼渣利用率較發(fā)達(dá)國家仍有較大差距[1,2]。為提高鋼渣在建材行業(yè)的利用率，國內(nèi)外已對(duì)鋼渣應(yīng)用進(jìn)行了許多研究，鋼渣可以直接作為骨料應(yīng)用于混凝土中[3-10]，也可以磨細(xì)后作為混凝土摻合料或水泥摻合料應(yīng)用[11,12,13]，但鋼渣作為骨料直接應(yīng)用，一般多應(yīng)用在道路工程中[14]，在大坍落度的泵送混凝土中應(yīng)用研究相對(duì)較少，本試驗(yàn)著重研究分析利用鋼渣取代普通石灰石對(duì)普通泵送混凝土力學(xué)性能、工作性能及耐久性能的影響。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：水泥采用山東水泥廠普通硅酸鹽水泥P·O42.5 級(jí)水泥，28d 強(qiáng)度 46.2MPa，比表面積 342m2/kg，初凝時(shí)間 195min，終凝時(shí)間 301min。

（2）粉煤灰：粉煤灰采用市售 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，45μm 篩余20.8%，需水量比 102%，燒失量 0.4%。

（3）礦渣粉：礦渣粉采用 S95 級(jí)礦渣粉，比表面積420 m2/kg。

（4）砂：采用細(xì)度模數(shù) 3.2 的人工砂，MB 值 1.75。

（5）石灰石：5～25mm 連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎值 8.0%。

（6）鋼渣：5～25mm 連續(xù)級(jí)配鋼渣，陳化時(shí)間 3 個(gè)月以上，壓碎值 4.0%，表觀密度 3200kg/m3，2h 吸水率1.79%。

（7）外加劑：山東華森混凝土有限公司利用萘系減水劑、脂肪族減水劑、松香引氣劑復(fù)配的泵送劑。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比為水泥∶粉煤灰∶礦渣粉∶人工砂∶石灰石∶外加劑=315∶67.5∶67.5∶795∶1013∶13.5，砂率為 44%，試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別用 0%、20%、40%、60%、80%、100% 鋼渣等體積取代石灰石，調(diào)整水膠比，混凝土初始坍落度為 (200±20)mm，分析不同鋼渣取代比例對(duì)混凝土性能的影響，試驗(yàn)配合比如表 1 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。

混凝土坍落度、表觀密度參照 GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。不同齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)試，成型 100mm×100mm×100mm 的立方體試件，按照 GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行?；炷量?jié)B性、抗凍性及收縮性則參照 GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，其中抗?jié)B試驗(yàn)采用滲水高度法進(jìn)行測(cè)試，抗凍試驗(yàn)則采用慢凍法測(cè)試，分別測(cè)試 50 次和 100 次凍融后的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失，收縮試驗(yàn)則測(cè)試其 3d、7d、14d、28d、60d、90d收縮率。

表1 試驗(yàn)配合比 kg/m3

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同比例鋼渣取代石灰石對(duì)混凝土工作性能影響

圖1 摻加不同比例鋼渣混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失

圖2 混凝土表觀密度隨鋼渣取代比例變化曲線

由圖 1 摻加不同比例鋼渣混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失柱狀圖可以看出：通過調(diào)整混凝土需水量控制混凝土出機(jī)坍落度為220mm，60min 坍落度隨鋼渣取代石灰石比例增加而逐漸降低，石灰石骨料普通混凝土 60min 坍落度為 200mm，40% 鋼渣等體積取代石灰石后 60min 坍落度為 190mm，而用鋼渣完全取代石灰石混凝土 60min 坍落度則降低至 180mm。利用不同比例鋼渣等體積取代石灰石，因鋼渣骨料孔隙較多，吸水率較高，混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失有所增加，但是 60min 后坍落度仍可滿足泵送施工要求。

由圖 2 混凝土表觀密度隨鋼渣取代比例變化曲線可以看出：混凝土表觀密度隨鋼渣取代比例增加而逐漸增加，普通石灰石混凝土表觀密度為 2490kg/m3，鋼渣等體積取代 40%石灰石時(shí)，表觀密度增加至 2590kg/m3，鋼渣完全取代石灰石時(shí)，混凝土表觀密度則增加至 2840kg/m3。鋼渣骨料表觀密度為 3200kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石灰石表觀密度。由以上分析可以得出利用鋼渣作混凝土粗骨料可以配制表觀密度大于2800kg/m3的配重混凝土，若利用鋼渣取代石灰石配制普通泵送混凝土，鋼渣取代比例不宜過大，否則會(huì)大幅度增加混凝土密度，增加結(jié)構(gòu)載荷負(fù)重。

2.2 不同比例鋼渣取代石灰石對(duì)混凝土強(qiáng)度影響

由圖 3 混凝土各齡期強(qiáng)度隨鋼渣等體積取代石灰石比例變化曲線可以看出：混凝土各齡期強(qiáng)度均隨鋼渣取代石灰石比例增加呈現(xiàn)降低—增加—降低的趨勢(shì)，7d、28d、60d 抗壓強(qiáng)度均在鋼渣取代比例為 60% 時(shí)達(dá)到最大值，分別為 37.9MPa、50.0MPa、57.6MPa，相對(duì)單用石灰石骨料普通泵送混凝土 7d、28d、60d 強(qiáng)度分別增加了 4.4%、4.6%、4.3%。利用不同比例鋼渣等體積取代石灰石，混凝土 60d 強(qiáng)度相對(duì) 28d 強(qiáng)度增長幅度近似，說明利用鋼渣取代石灰石后混凝土 60d 強(qiáng)度完全可以達(dá)到普通混凝土強(qiáng)度應(yīng)用要求。

圖3 混凝土各齡期強(qiáng)度隨鋼渣取代石灰石比例變化曲線

2.3 不同比例鋼渣取代石灰石對(duì)混凝土耐久性能影響

表3 摻加鋼渣骨料混凝土50次和100次凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由表 3 摻加鋼渣骨料的混凝土凍融試驗(yàn)結(jié)果可以看出：50 次凍融循環(huán)后混合骨料混凝土的質(zhì)量損失率隨鋼渣取代比例的增加而起伏波動(dòng)，但相差不大，100 次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失略有增加，但是試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)凍融后試塊整體完整，沒有明顯損傷及碎塊脫落。50 次和 100 次凍融后的強(qiáng)度損失率均隨鋼渣取代比例的增加先降低后增加，分別在鋼渣等體積取代率為 60% 和 40% 時(shí)，強(qiáng)度損失率最低，分別為 2.73% 和1.41%，相對(duì)單用石灰石骨料混凝土經(jīng) 50 次和 100 次凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失有大幅度降低。摻加鋼渣骨料混凝土凍融試驗(yàn)表明利用不同比例鋼渣等體積取代石灰石配制混凝土抗凍融性能均有不同程度的改善。

圖4 混凝土滲透高度隨鋼渣取代石灰石比例變化曲線

由圖 4 混凝土滲透高度隨鋼渣取代石灰石比例變化曲線可以看出：混凝土滲透高度隨鋼渣取代石灰石比例增加而逐漸下降。單用石灰石作混凝土骨料時(shí)，滲透高度為 11mm，當(dāng)用 60% 的鋼渣等體積取代石灰石時(shí)，滲透高度降低至 7mm，鋼渣骨料完全取代石灰石后，混凝土的滲透高度僅為 6mm，說明利用鋼渣取代石灰石后，混凝土硬化體內(nèi)部孔隙率減小，漿體與骨料界面粘結(jié)力較高，抗水滲透性能提高。

圖5 混凝土各齡期收縮率隨鋼渣取代石灰石比例增加變化曲線

由圖 5 混凝土各齡期收縮率隨鋼渣取代石灰石比例增加變化曲線可以看出：混凝土早期（7d、14d）收縮率隨鋼渣取代石灰石比例增加而逐漸增加，但是后期（90d）收縮率則隨鋼渣取代石灰石比例增加而逐漸降低，混凝土 28d、60d 收縮率在鋼渣取代石灰石比例為 40% 時(shí)，收縮率最低。鋼渣孔隙率相對(duì)較高，吸水率要高于普通石灰石，摻加鋼渣混凝土需水量略高于單摻石灰石骨料混凝土，因早期水分蒸發(fā)，塑性收縮較大，早期收縮率相對(duì)較高。但是，鋼渣成分中含有C2S、C3S 等膠凝成分，添加鋼渣后混凝土硬化體更為致密，干燥收縮率較小，且鋼渣中含有一定的 MgO、CaO 等微膨脹成分，可以很大程度上彌補(bǔ)硬化體的干燥收縮，因此摻加鋼渣骨料的混凝土后期收縮率相對(duì)較低。

2.4 摻加鋼渣粗骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

圖6 100% 普通石灰石骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)

圖7 100% 鋼渣粗骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)

單摻石灰石骨料和鋼渣骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)分別如圖 6和圖 7 所示。由圖 6、圖 7 可以看出，單用石灰石骨料的混凝土硬化體結(jié)構(gòu)相對(duì)較為疏松，在界面過渡區(qū)可以發(fā)現(xiàn)大量定向?qū)訝钆帕械牡?Ca(OH)2，而用鋼渣作骨料混凝土，結(jié)構(gòu)更為致密，漿體與骨料粘結(jié)較好，界面過渡區(qū)沒有明顯裂縫。通過分析摻加鋼渣后的微觀結(jié)構(gòu)，可以為鋼渣混凝土抗凍融、抗?jié)B性及后期抗收縮性優(yōu)于石灰石骨料混凝土，提供了理論解釋和依據(jù)。

3 結(jié)論

分析不同比例鋼渣等體積取代石灰石對(duì)混凝土力學(xué)性能、工作性能及耐久性能的影響試驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）混凝土經(jīng)時(shí)損失隨鋼渣取代石灰石比例增加而逐漸降低，但均可滿足混凝土泵送施工對(duì)坍落度的要求；混凝土表觀密度隨鋼渣取代石灰石比例增加而逐漸增加，用鋼渣完全取代石灰石時(shí)，混凝土表觀密度大于 2800kg/m3。

（2）混凝土各齡期強(qiáng)度均隨鋼渣取代石灰石比例增加呈現(xiàn)降低-增加-降低的趨勢(shì)，但是利用鋼渣取代石灰石配制的混凝土強(qiáng)度完全可達(dá)到石灰石骨料混凝土的強(qiáng)度要求。

（3）利用鋼渣取代石灰石配制的混凝土抗凍融、抗?jié)B性及抗收縮性，相對(duì)單用石灰石骨料混凝土均有不同程度的改善。

（4）微觀結(jié)構(gòu)表明鋼渣骨料混凝土界面過渡區(qū)較石灰石骨料混凝土界面過渡區(qū)更為致密，漿體與骨料粘結(jié)性較好。

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［通訊地址］山東省濟(jì)南市高新區(qū)鳳山路。（400025）

The study on mechanical property and durability of concrete mixed with slag aggregate

Yan Shitao, Cao Xianguang, Zhang Yong, Xie Huidong
(Shandong Provincial Huasen Concrete Co., Ltd., Shandong Jinan 250101)

The workability, mechanical property and durability of concrete mixed with different percent slag aggregate was studied. The results showed that the more part of slag aggregate, the more the slump loss; the strength of 7d, 28d, 60d of concrete mixed with slag of 60% were largest; to some extent, the freeze-thaw resistance, resistance to water penetration and resistance to shrinkage were improved. The micro measurement showed that the interfical transition zone of concrete mixed with slag was more compact.

slag aggregate; workability; strength; durability; interfical transition zone

顏世濤（1978-），男，山東臨沂人，工程師，主要從事混凝土及混凝土外加劑和預(yù)拌砂漿研究。