鋼渣骨料在混凝土中的應用研究

李曉峰 杜云寶 張曉波

(1.山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001；2.太原高盛混凝土有限責任公司，山西 清徐 030400； 3.山西華建建筑工程檢測有限公司，山西 太原 030031)

0 引言

鋼渣是鋼鐵企業(yè)用石灰石礦物提取鐵礦石中雜質而大量形成的廢渣，煉鋼的原理是通過石灰石、炭等與金屬氧化物在1 500 ℃～1 700 ℃的高溫中反應，還原出各類鐵碳合金，化學反應過程概括為脫碳、脫硫、脫磷和脫氧。目前我國煉鋼的工藝有氧氣頂吹轉爐法(BOF)和電弧法(EAF)兩種，其中以轉爐法為主，2017年我國轉爐排渣量約為8 000萬 t，綜合利用率9%，大量的鋼渣堆積占用了耕地，鋼渣中的重金屬離子，堿金屬離子和粉塵等會向水和空氣中釋放，造成嚴重的環(huán)境污染。混凝土目前是我國最大宗的建材產品，2017年我國混凝土總量約24億m3，混凝土對骨料的需求量近達到29億m3，而砂石等天然骨料隨著國家環(huán)保及禁止亂開亂挖政策的嚴格要求，市場價格漲幅約200%，每立方米平均價格達到130元左右，如能合理利用鋼渣骨料代替部分天然骨料，混凝土單方成本能降低43元左右，再解決固廢的同時，極大地降低混凝土成本，一舉兩得。

相關研究表明，鋼渣的物理力學性能與天然碎石接近，是一種潛在建筑材料，其含有硅酸二鈣、硅酸三鈣等礦物，具有一定的水硬活性，因其煅燒溫度較高，俗稱——“過燒硅酸鹽熟料”，這些優(yōu)點為鋼渣在混凝土工程中的應用奠定了基礎，但是與天然骨料相比，鋼渣中含有一定量的游離氧化鈣與游離氧化鎂(方鎂石)，這些成分遇水或混凝土水化用水后會發(fā)生體積膨脹的化學反應，從而導致混凝土開裂破壞，因此鋼渣的安定性能成為其能否大面積作為混凝土骨料應用的關鍵因素。本文主要把鋼渣骨料的體積穩(wěn)定性作為首要研究對象，通過測定鋼渣骨料混凝土的物理性能及耐久性結果，尋求有效可行的使用之路。

1 材料與方法

1.1 原材料

1)鋼渣：采用美錦鋼廠自然處理鋼渣，沖擊破碎、篩分后備用，粗骨料粒徑5 mm～25 mm，細骨料細度模數(shù)2.8，堆積密度1 830 kg/m3，為保證本次研究鋼渣骨料的適用性，選用低堿度(CaO/(SiO2+P2O5)的橄欖石渣、鎂硅鈣石渣，其水化活度低。因鋼渣在自然環(huán)境中與外界空氣、水、陽光接觸后發(fā)生陳化反應，逐漸趨于穩(wěn)定，選取四種不同陳化時間的鋼渣作為研究材料，其物理性能如表1所示，化學組成如表2所示。

2)水泥：采用山西雙良鼎新水泥有限公司P.O42.5級水泥，其性能見表3，滿足相關規(guī)范要求。

3)粉煤灰：太原二電廠濕排2級粉煤灰；表觀密度1.96 g/cm3。

4)礦粉：太鋼礦粉，S95級，比表面積430 cm2/kg。

5)外加劑：山西黃河新型化工有限公司產聚羧酸泵送劑，液態(tài)，摻量2.0%。

6)拌合用水：潔凈飲用水。

7)天然骨料：太原鎮(zhèn)城碎石5 mm～25 mm連續(xù)級配，表觀密度2.66 kg/m3，石灰石機制砂細度模數(shù)2.8，堆積密度1 530 kg/m3。

1.2 試驗方法

1)鋼渣化學分析。按照YB/T 140—2009鋼渣化學分析方法進行f-CaO，f-MgO含量分析，壓碎指標按照JGJ 52—2006普通混凝凝土用砂、石質量及檢驗方法標準，測定四個不同陳化齡期的鋼渣中f-CaO，f-MgO含量及壓碎指標。

2)壓蒸粉化率試驗。依據(jù)GB/T 24175—2009鋼渣穩(wěn)定性試驗方法標準進行，將三種不同陳化齡期的鋼渣各取粒徑在4.75 mm～9.5 mm之間的鋼渣顆粒800 g，分別制成3個渣樣，烘干后，稱取質量m0，置于壓蒸釜中，在壓力為2.0 MPa，溫度為216 ℃的條件下壓蒸3 h，取出烘干過1.18 mm篩，稱量篩下鋼渣質量m1，壓蒸粉化率求算公式為：

f=(m1/m0)×100%。

取三個試樣的算術平均值作為試驗結果，精確至0.1%。

3)浸水膨脹率試驗。依據(jù)GB/T 24175—2009鋼渣穩(wěn)定性試驗方法標準進行，按照該規(guī)范要求制作最大干密度試樣3個，放入浸水膨脹率試驗裝置，水浴加熱，溫度90 ℃±3 ℃下保持6 h，如此持續(xù)循環(huán)10 d，浸水膨脹率γ求算公式為：

γ=[(d10-d0)/120]×100。

其中，γ為浸水膨脹率，%；120為試件原始高度，mm；百分表的終讀數(shù)，%。

取三個試樣的算術平均值作為試驗結果，精確至0.1%。

4)鋼渣骨料混凝土配合比設計。按照JGJ 55—2011混凝土配合比設計規(guī)程及實際生產經(jīng)驗，摻加20%一年陳化期的美錦鋼渣骨料，以C30，C40，C50混凝土為研究對象，混凝土坍落度控制在180 mm±30 mm，具體配合比見表1。

5)鋼渣骨料混凝土物理性能及耐久性。按照GB/T 50081—2016普通混凝土力學性能試驗方法標準及JGJ/T 193—2009混凝土耐久性檢驗評定標準進行。

6)鋼渣骨料混凝土有害性判定。依據(jù)GB/T 50344—2004建筑結構檢測技術標準中附錄B進行，如出現(xiàn)以下3個情況，即判定有害，不合格:

a.有2個或2個以上沸煮試件出現(xiàn)開裂、疏松和崩潰的現(xiàn)象；

b.芯樣試件抗壓強度變化率大于30%；

c.僅有一個薄片試件出現(xiàn)開裂、疏松和崩潰現(xiàn)象，并有一個芯樣抗壓強度變化率大于30%。

表1 混凝土配合比設計表 kg

2 結果與討論

2.1 鋼渣中游離氧化鈣及氧化鎂含量及其規(guī)律的研究

鋼渣中游離氧化鈣與氧化鎂與水發(fā)生化學反應，反應工程式見表2，同時帶來體積的極大膨脹，對混凝土體積穩(wěn)定性產生影響，所以對鋼渣中游離氧化鈣和游離氧化鎂的控制是必要的，通過對三種不同陳化齡期的鋼渣中游離氧化鈣和氧化鎂的化學分析結果見表3，可以看出在自然狀態(tài)下，熱潑鋼渣中游離氧化鈣及游離氧化鎂與空氣中的水分緩慢發(fā)生化學反應，一年后鋼渣中游離氧化鎂消解量約為50%以上，游離氧化鎂消解量約為20%，氧化鎂的消解速度較慢，這與游離氧化鎂晶相較大，在水化中形成Mg(OH)2薄膜減弱下一步水化。

表2 f-CaO，f-MgO反應工程式

表3 不同陳化時間鋼渣f-CaO，f-MgO含量表

2.2 鋼渣陳化齡期對鋼渣壓蒸粉化率及浸水膨脹率的影響

鋼渣陳化齡期對鋼渣壓蒸粉化率及浸水膨脹率也是對鋼渣安定性的表征方法，三種不同陳化齡期的鋼渣的壓蒸粉化率及浸水膨脹系數(shù)見表4，由表4可見，隨著鋼渣陳化時間的延長，鋼渣壓蒸粉化率及浸水膨脹率在逐漸降低，一年陳化期美錦鋼廠鋼渣壓蒸粉化率為3.1%，浸水膨脹率為1.5%，均滿足規(guī)范要求。

表4 鋼渣壓蒸粉化率及浸水膨脹率表

2.3 鋼渣骨料對鋼渣骨料混凝土力學性能的影響

鋼渣骨料在混凝土內部膨脹時會產生微裂縫，從而導致混凝土強度降低，游離氧化鈣及游離氧化鎂含量在合理范圍內的鋼渣骨料混凝土，因鋼渣骨料具有微膨脹性且外型不規(guī)則易咬合好、含泥量低，對混凝土抗壓強度及抗折強度的提高是有利的。試驗結果見表5。

表5 鋼渣骨料混凝土力學性能及耐久性試驗表

2.4 鋼渣骨料混凝土耐久性的研究

通過對不同強度等級的鋼渣骨料混凝土抗?jié)B性及抗凍性的試驗結果(如表5所示)可以看出，3組試件表現(xiàn)出的抗?jié)B性與抗凍性發(fā)展規(guī)律類似，這是由于鋼渣本身的微膨脹性、外觀易咬合性，同時鋼渣表面中的硅酸二鈣、硅酸三鈣也參與了混凝土水化反應，增加了混凝土的致密性，從而提高了混凝土的耐久性。

2.5 鋼渣摻量的變化對鋼渣骨料混凝土性能的影響

從表6中不同摻量鋼渣骨料的鋼渣混凝土的抗壓強度及壓蒸安定性來看，鋼渣粗骨料摻量15%，鋼渣細骨料摻量30%時，混凝土強度提高較多，鋼渣細骨料產量達到50%時，混凝土壓蒸安定性出現(xiàn)了掉砂、膨脹率過大的質量問題，這與鋼渣骨料中游離氧化鈣和游離氧化鎂含量較高的白色顆粒物普遍存在有關，所以鋼渣骨料完全替代天然骨料來配制混凝土難度較大，質量風險也較高。

表6 不同摻量鋼渣骨料的鋼渣混凝土的抗壓強度及壓蒸安定性試驗結果表

3 結語

1)隨著陳化時間的延長，美錦自然冷卻鋼渣內部的游離氧化鈣及游離氧化鎂含量逐漸減少，游離氧化鈣消解速度大于氧化鎂，一年期鋼渣中游離氧化鈣含量一般均小于3.0%，如果是中堿度或高堿度鋼渣需要高度關注內部的游離氧化鈣及游離氧化鎂含量。

2)鋼渣代替部分天然骨料配制混凝土需要將鋼渣陳化處理，用壓蒸粉化率和浸水膨脹性來表征鋼渣體積安定性是有效的。

3)體積安定性好的鋼渣骨料因其具有微膨脹性且外型不規(guī)則易咬合好及水泥石水化界面緊密，對混凝土抗壓強度、抗折強度及耐久性是有利的。

4)合適的鋼渣骨料摻量能提高混凝土的致密性，過量的摻加鋼渣骨料一定程度上會導致混凝土破壞，是有害的，使用前應進行驗證試驗，同時增加檢驗批次。

5)把鋼渣作為混凝土骨料使用在我國尚屬于起步階段，許多科學數(shù)據(jù)需要眾多行業(yè)專家共同研究實踐來完成，未來鋼渣作為混凝土骨料的應用一點會很成熟、很廣泛。