鋼渣-礦渣混凝土性能的試驗

康海鑫 ，張仁巍，陳 琴，田 震 ，陳勝毅

（1.三明學院 建筑工程學院，福建 三明 365004；2.三明學院 工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學校重點實驗室，福建 三明 365004）

我國工業(yè)在迅速發(fā)展過程中產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢料，對環(huán)境造成了巨大污染。鼓勵加大對工業(yè)廢棄料的研究及再利用是國家出臺的一項環(huán)保政策。鋼渣是鋼鐵冶煉的一種副產(chǎn)品，產(chǎn)量大，堆積需要占用大量土地，污染社會和自然環(huán)境，因其化學成分與水泥相似因而具有一定的潛在活性[1]，將其作為混凝土摻合料使用成為學術(shù)和工程界重要的研究及應(yīng)用方向[2-3]。有研究表明，鋼渣活性是影響混凝土性能的重要因素，活性高低與其所處的條件有很大關(guān)系[4-5]。礦渣混凝土具有高強、低水化熱以及良好的耐久性能等優(yōu)點，是一種環(huán)境友好型綠色建材[6]，應(yīng)用前景廣闊，其能給鋼渣提供的環(huán)境條件的復(fù)雜程度要高于普通混凝土。目前大多數(shù)學者是將鋼渣作為普通混凝土的摻合料進行研究，鮮有研究鋼渣對礦渣混凝土性能的影響。

因此，為了探討鋼渣在對礦渣混凝土性能的影響情況，本文以粉煤灰為參照，對礦渣混凝土摻入鋼渣量后的工作性能、強度、收縮、抗碳化、抗氯離子滲透及收縮等情況進行試驗研究，并分析了鋼渣摻量對礦渣混凝土的基本力學和耐久性能的影響情況，為其他研究者及工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥：由福建省水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為340 m2/kg，28d抗壓、抗折強度分別為50.4 MPa和8.9 MPa；細集料：采用天然河砂，屬Ⅱ區(qū)中砂，其細度模數(shù)為2.6，含泥量為1.8%；粗集料：采用5～31.5 mm連續(xù)級配的碎石，含泥量為0.6%，針片顆粒含量2%，堆積密度1390 kg/m3；外加劑：由福建建工材料科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)型號為TW-10的高效性能泵送劑，減水率為18%；礦渣粉：福建省三明精通礦微粉有限公司生產(chǎn)的S95級高爐礦渣粉；粉煤灰品種為F類Ⅱ級，由福建省永安瑞祥粉煤灰科技有限公司生產(chǎn)，其細度為16.8%，需水量比為101%；鋼渣粉由福建省三明市鑫勝貿(mào)易有限公司生產(chǎn)，其性能參數(shù)詳見表1。

表1 礦物摻合料技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗設(shè)計

礦渣混凝土的基準配合比如表2所示，在此基礎(chǔ)上，以粉煤灰為參照，鋼渣摻量分別為膠凝材料總量的0%、10%、15%和25%加入到礦渣混凝土中，與相對應(yīng)粉煤灰摻量的礦渣混凝土性能進行比較。

表2 礦渣粉混凝土配合比 單位：kg/m3

1.3 試驗方法

力學試驗：成型采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模，標準養(yǎng)護28、56 d；強度測試采用無錫建儀儀器機械有限公司生產(chǎn)的TYE-2000A型壓力試驗機。

抗裂試驗：試件成型采用800 mm×600 mm×100 mm模具，測試采用《普通混泥土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB50082-2009中規(guī)定的混凝土早期抗裂試驗裝置與方法。

碳化試驗：成型采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模，碳化養(yǎng)護采用滄州泰達公路建筑儀器廠生產(chǎn)的混凝土碳化試驗箱，用配置好的1%酚酞酒精溶液噴灑在開裂面進行顯色反應(yīng)，測量10個未顯色部分作為碳化深度，求平均值。

電通量試驗：試件采用直徑為100 mm，高度為50 mm的柱形塑料試模成型后振實，標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護56 d，試驗儀器采用北京首瑞測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的RCM-F型多功能混凝土耐久性綜合試驗儀，在試驗裝置的陰陽極機玻璃槽內(nèi)分別放入質(zhì)量分數(shù)為3%的NaCl溶液和0.3 mol/L的NaOH溶液，接上電源后進行6 h試驗。

收縮試驗：尺寸采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，試模底部覆蓋一層塑料布并在表面涂抹兩道潤滑油，以減少混凝土接觸表面的摩擦，保證混凝土自由伸縮變形，試驗過程在（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%的條件下采用非接觸法進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土工作性能

新拌混凝土的工作性能是影響混凝土應(yīng)用的重要因素，其評價指標主要有混凝土的坍落度、粘聚性和保水性，其中坍落度值可以通過坍落度實驗測得，粘聚性及保水性通常由肉眼判斷。表3為礦渣混凝土摻入鋼渣和粉煤灰后的基本工作性能參數(shù)。從表3中可以看出，在本試驗的最大摻量范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的落度值呈遞增趨勢，在摻量為15%至25%時增幅明顯，達到最大值200 mm，且粘聚性和保水性良好；鋼渣摻入后未能明顯改善混凝土的坍落度值，摻量在15%～25%之間不影響混凝土的粘聚性和保水性，也不會破壞礦渣混凝土本身的坍落度值，但是鋼渣摻量達到25%時，混凝土的粘聚性和保水性能表現(xiàn)一般。粉煤灰具有眾多優(yōu)點，其“滾珠效應(yīng)”能夠改善混凝土的工作性能[7]，但鋼渣不具備該特性，或許這是鋼渣摻雜在對混凝土工作性能上表現(xiàn)不如粉煤灰的原因之一。

表3 摻粉煤灰和鋼渣的混凝土拌合物性能

2.2 力學性能

圖1 鋼渣、粉煤灰摻量對混凝土力學性能影響

力學性能是測試是檢驗混凝土能否實用的基本要求，混凝土抗壓強度試驗結(jié)果及鋼渣和粉煤灰摻量對礦渣混凝土的力學性能影響情況如圖1所示。從圖中可以看出，摻入鋼渣的礦渣混凝土28d和56d抗壓強度整體比摻入粉煤灰的要低，混凝土強度隨粉煤灰摻量先增加后保持不變，隨鋼渣摻量先增加后降低。與空白組對比，粉煤灰和鋼渣摻量都能達到25%，但鋼渣的最佳摻量為10%；同為25%摻量情況下，摻鋼渣和粉煤灰礦渣混凝土28d分別增長6.4%和13.6%，56d強度分別增長0%和15.5%，說明鋼渣對礦渣混凝土后期強度的增幅影響程度弱于粉煤灰。

2.3 耐久性能

2.3.1 抗裂與抗碳化性能

圖2為礦渣混凝土單位面積總開裂面積隨鋼渣、粉煤灰摻量變化的曲線圖。從圖2得出，在摻量為15%以內(nèi)時，礦渣混凝土單位面積總開裂面積隨鋼渣、粉煤灰摻量增加呈交替變化。在10%的摻量條件下，鋼渣礦渣混凝土的單位面積總開裂面積值大于粉煤灰礦渣混凝土；摻量達到15%時，粉煤灰礦渣混凝土的單位面積總開裂面積值略大于鋼渣礦渣混凝土，但摻量達到25%時，鋼渣礦渣混凝土單位面積總開裂面積值顯著降低，遠低于摻粉煤灰礦渣混凝土。說明在25%的摻量時，相較于粉煤灰，鋼渣能夠明顯改善礦渣混凝土的抗裂性能。

礦渣混凝土的抗碳化能力隨鋼渣、粉煤灰摻量而變化的情況如圖3所示。從圖中可以看出，礦渣混凝土28d碳化深度隨鋼渣摻量增加而增大，隨粉煤灰摻量增加先減小后增大，說明粉煤灰在摻量為15%以內(nèi)時能夠改善礦渣混凝土的抗碳化性能，鋼渣摻入到礦渣混凝土中后不能改善其抗碳化性能，反而有不利影響，這與大多數(shù)學者研究普通鋼渣混凝土的結(jié)論一致。

圖2 粉煤灰、鋼渣摻量對抗裂性能的影響

圖3 粉煤灰、鋼渣摻量對抗碳化性能的影響

2.3.2 抗氯離子滲透能力

圖4 粉煤灰、鋼渣摻量對電通量性能的影響

抗氯離子滲透能力能夠檢測混凝土的密實性，是體現(xiàn)混凝土耐久性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。試驗中通常采用快速擴散法進行檢測，電通量法就是其中方法之一。礦渣混凝土電通量值隨粉煤灰、鋼渣摻量變化情況如圖4所示。從圖中可以看出，礦渣混凝土中摻入粉煤灰或鋼渣后的電通量值隨摻量增加而減小，空白組電通量值2585.3 C，摻入25%粉煤灰、鋼渣的礦渣混凝土電通量值分別為813.5和1476.7 C，參照混凝土氯離子滲透性能的電通量評判標準[8]可知，純礦渣混凝土的氯離子滲透性等級為中等，摻量為25%的粉煤灰、鋼渣礦渣混凝土氯離子滲透性等級分別為低和很低，說明鋼渣和粉煤灰都能改善礦渣混凝土的抗氯離子滲透性能，粉煤灰的改善效果大于鋼渣。

2.3.3 收縮能力

通常情況下，硬化初期混凝土內(nèi)部的毛細孔和凝膠孔充滿水分，水泥水化又會消耗水分，隨著時間遷移，加上水份蒸發(fā)減少，孔隙內(nèi)失水產(chǎn)生凹液面，對孔隙產(chǎn)生收縮力，致使孔隙收縮，導(dǎo)致混凝土體積收縮，較大的體積收縮容易引起混凝土開裂。粉煤灰和鋼渣對礦渣混凝土收縮率性能的影響情況如圖5所示。從圖中可以看出，礦渣混凝土摻入鋼渣的收縮率整體比摻入粉煤灰的要大。與空白組的6.25×10-4收縮率相比，在25%的摻量以內(nèi)，收縮率隨粉煤灰、鋼渣的摻量增加而減??；鋼渣摻量在15%以內(nèi)礦渣混凝土收縮率基本不變，當摻量加到25%時收縮率有明顯降低，說明鋼渣能夠改善混凝土的收縮情況。綜合考慮摻入鋼渣礦渣混凝土力學、抗裂、抗碳化和抗?jié)B透性能，認為礦渣混凝土最佳鋼渣摻量為15%。

圖5 粉煤灰、鋼渣摻量對收縮率性能的影響

3 結(jié)論與討論

（1）與粉煤灰相比，鋼渣隨著摻量的增加未能明顯改善礦渣混凝土的坍落度；鋼渣摻量在低于25%時不影響混凝土的粘聚性、保水性和坍落度值，但摻量達到25%時該兩種性能表現(xiàn)卻一般。（2）摻入鋼渣的礦渣混凝土28d和56d抗壓強度整體比摻入粉煤灰的要低；與空白組對比，在強度性能表現(xiàn)方面，鋼渣摻量能達到25%；同為25%摻量情況下，鋼渣對礦渣混凝土后期強度的增幅影響程度弱于粉煤灰。（3）耐久性性能方面，摻鋼渣的礦渣混凝土單位面積總開裂面積值顯著降低，大大小于摻粉煤灰混凝土，說明鋼渣能夠改善礦渣混凝土的抗裂性能；礦渣混凝土28d碳化深度隨鋼渣摻量增加而增大，鋼渣不能改善其抗碳化性能；摻入鋼渣會降低礦渣混凝土的電通量值，摻量為25%的粉鋼渣礦渣混凝土氯離子滲透性等級很低，說明鋼渣能改善礦渣混凝土的抗氯離子滲透性能，但改善效果弱于粉煤灰；摻鋼渣的礦渣混凝土收縮率比摻粉煤灰的要大，摻量在15%以內(nèi)的鋼渣礦渣混凝土收縮率基本不變，當摻量加到25%時收縮率有明顯降低，說明在不影響混凝土收縮的情況下能適當?shù)負饺脘撛?。?）綜合考慮摻入鋼渣礦渣混凝土力學、抗裂、抗碳化、抗?jié)B透及收縮性能，在本試驗的設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，認為礦渣混凝土中的鋼渣最佳摻量為15%。