低強度鋼渣混凝土抗壓及抗?jié)B性能試驗研究

朱訓國，王兆毅，何傳琪，王利芬，趙 雙，劉星池

(1.大連大學 建筑工程學院，遼寧大連116622；2. 大連大學復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)災(zāi)害預(yù)測防治重點實驗室，遼寧大連116622)

混凝土主要由膠凝材料、粗細骨料與水拌合而成，其中骨料占據(jù)了混凝土絕大部分體積，骨料性能的優(yōu)劣對混凝土的各項性能有著直接和顯著的影響[1]。鋼渣是鋼鐵廠在冶煉鋼鐵時產(chǎn)生的廢渣，它主要是由鈣、硅、鐵、鎂和少量的錳、鋁等元素的氧化物組成，其內(nèi)部還含有少量的游離態(tài)氧化鈣及金屬鐵等[2]。我國年產(chǎn)鋼渣約為 1.5 億噸。環(huán)境的污染勢必會制約經(jīng)濟的發(fā)展，解決鋼渣的污染問題將有利于經(jīng)濟的發(fā)展[3]。目前我國鋼渣的綜合利用率僅為10%[4]，大量鋼渣只能堆積地面，并且鋼渣中所含有的重金屬離子、堿金屬離子滲入土壤中，極易造成地下水污染[5]。近年來，中國每年消耗的天然砂石骨料高達數(shù)十億噸，部分地區(qū)供求關(guān)系的不平衡也導致砂石骨料的價格不斷提升[6]。此外，對砂石的過量開采與長途運輸已經(jīng)對環(huán)境造成了嚴重的影響[7]。據(jù)調(diào)查顯示，美國、日本、德國等發(fā)達國家，鋼渣的利用率已經(jīng)高達 90% 以上，有相當一部分鋼渣被用作冶金回爐燒結(jié)料，其余被用在土木工程和道路工程中[8]。當然還有些被用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，作為一種肥料來改善土壤的性質(zhì)[9-11]。希臘運用鋼渣配制了再生混凝土，為綠色混凝土提供新的思路[12]。當前，國內(nèi)外對鋼渣的研究主要集中在將鋼渣作為摻合料、細骨料和粗骨料制備混凝土，研究其工作性能、早期抗裂性能、混凝土耐磨性能、混凝土的耐久性和體積安定性上[13]。鋼渣本身具有很高的抗壓強度和很好的耐久性，這就使得其可以作為混凝土的摻和料[14]。

鋼渣的應(yīng)用起于上世紀初，歐美國家在上世紀70年代已經(jīng)基本實現(xiàn)了鋼渣的全利用，而我國不論是理論研究還是實際應(yīng)用都要遠遠的低于或落后于歐美發(fā)達國家。縱觀鋼渣的利用情況，主要集中于道路工程、建筑砂漿以及水泥混凝土制備三個建筑材料領(lǐng)域。

為了解決鋼渣應(yīng)用中存在的問題，目前各國都在積極改進煉鋼和鋼渣處理工藝，各學者正在積極探索鋼渣混凝土的微觀結(jié)構(gòu)形成的機理。隨著鋼渣作為混凝土集料和摻合料的研究不斷深入，鋼渣在混凝土中應(yīng)用所具有的巨大潛在經(jīng)濟效益不斷體現(xiàn)，這會促使鋼鐵企業(yè)對鋼渣的排放及處理工藝進行改進，提高鋼渣的品質(zhì)，從而可以解決鋼渣資源化利用的問題，同時也解決了由鋼渣帶來的巨大環(huán)境問題[15]。

本文則是在上述研究的基礎(chǔ)上，通過試驗，選擇粒徑小于5mm部分的砂狀鋼渣，按照一定比例代替細骨料配制混凝土，研究其摻量對低強度混凝土抗壓性能及抗?jié)B性能的影響。

1 試驗原材料及試驗方案

1.1 原材料

1) 水泥：選用大連錦達水泥P.O 42.5、大連天瑞水泥P.O 32.5。

2) 粉煤灰：大連升華粉煤灰制品有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。

3) 砂、石：大連建材質(zhì)檢站用的砂、石(粗骨料為機制碎石，Dmax=20mm；細骨料為河砂，細度模數(shù)Mf=2.5，均產(chǎn)于大連本地)。

4) 鋼渣：從大連鋼渣廠抽取，5mm過篩，細度模數(shù)Mf=2.7。

5) 外加劑：大連市銘源科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的MZ-10C聚羧酸高性能減水劑、MZ-7引氣劑。

1.2 試驗標準

GB/T 17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法，GB/T 2419-94水泥膠砂流動度測定方法，GB / T 50081-2002普通混凝土力學性能試驗方法標準，GB 175-2007 通用硅酸鹽水泥，GB/T 1346-2011水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法，YB/T 140-2009(2015)鋼渣化學分析方法。

1.3 鋼渣成分測定及其安定性試驗

鋼渣成分對混凝土性能影響較大，為了測定鋼渣的主要成分，對其進行化學測定，通過測定，其主要成分見表1。

表1 鋼渣成分的化學分析結(jié)果

從化學分析的結(jié)果看，F(xiàn)e2O3的含量過高，達到了20.37%。由于Fe2O3在有水的堿性環(huán)境下易生成Fe(OH)2或Fe(OH)3，同時伴隨體積膨脹；同時，F(xiàn)e2O3和MgO以及燒失量的值都偏，MgO生成Mg(OH)2也伴有體積的膨脹。作為細骨料其SiO2的含量過低。從這個角度看，該鋼渣不論是作為摻和料還是用于代替水泥，從混凝土的耐久性考慮，該鋼渣不宜用在承重的混凝土結(jié)構(gòu)中。因此，本次試驗測定的混凝土強度定為C30及其以下混凝土進行試驗。

為了驗證鋼渣對水泥的安定性是否有所影響，首先對鋼渣進行了安定性試驗，通過雷氏夾試驗得到了不同鋼渣摻量下的試餅的變形增加量最大為2 mm，見表2，符合國家規(guī)定的最大不超過5 mm的標準，說明鋼渣對水泥安定性幾乎沒有影響。

表2 鋼渣安定性分析結(jié)果

1.4 鋼渣級配、細度模數(shù)等技術(shù)指標的測定

通過篩分析試驗和鋼渣主要組成成分的物理量測定，得到了本次試驗鋼渣的上述主要物理指標，具體見表3和表4。

表3 鋼渣的物理性能試驗結(jié)果

表4 鋼渣級配

從試驗的結(jié)果看，其密度、細度模數(shù)、壓碎指標以及級配均可代替建筑用砂使用，但其渣粉含量過高達到了6.4%，將極大影響混凝土的用水量，降低混凝土的強度。在此情況下，作為細骨料使用，最好用于C30以下的混凝土中。

1.5 強度試驗方案

a) 水泥膠砂(鋼渣)試件強度試驗

試驗前對所使用鋼渣進行預(yù)吸水，使其達到飽和面干狀態(tài)。試驗采用0.5和0.7兩種水膠比，在不同水膠比中，將飽和面干狀態(tài)鋼渣按照質(zhì)量百分比分別等量代替膠砂中的標準砂。該試驗以0%，20%、30%、40%四個砂狀鋼渣摻量進行試驗，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，按照標準養(yǎng)護進行養(yǎng)護后對其進行強度測定，3個試件為1組，按照標準養(yǎng)護進行水養(yǎng)護后對其進行強度測定。

b) 鋼渣混凝土強度試驗

試驗中，測定拌和物的坍落度后，將拌和物置于150 mm×150 mm×150 mm 試模內(nèi)振動成型，3個試件為 1 組，在恒溫恒濕的環(huán)境下( 溫度為 25 ℃ 、濕度為 96% ) 養(yǎng)護 24 h 后脫模，然后置入恒溫恒濕條件下養(yǎng)護7d、28d 齡期，達到齡期后進行抗壓強度試驗。

測量單軸抗壓強度采用YES-300單軸壓力機進行測試，試驗時連續(xù)均勻加荷，加荷速率為0.4 MPa·s-1，當試件接近破壞開始急劇變形時，停止調(diào)整試驗機油門，直到破壞，記錄破壞荷載。立方體抗壓強度試驗結(jié)果取三個試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的強度值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鋼渣膠砂強度及流動度測定試驗

為了統(tǒng)一試驗標準，采用水泥膠砂試驗測定不同鋼渣替代標準砂下的水泥膠砂試件的技術(shù)參數(shù)，研究其對試件的性能影響。水泥分別使用P.O 42.5和P.O 32.5。膠砂試件在標準水養(yǎng)護箱中分別對其進行7d和28d的養(yǎng)護后，對完成抗折強度試驗后的試件進行抗壓強度試驗。兩組養(yǎng)護時間對應(yīng)的試件都為3條，則抗壓強度試驗的試驗試塊則為6塊，其抗壓強度取其算術(shù)平均值即可。

試驗的基本流程按照膠砂試驗的試驗流程進行，制作標準試件，第二天脫模并編號，放入標準水養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，分別在7d和28d取出進行相應(yīng)的抗折強度和抗壓強度試驗。

鋼渣膠砂流動度的測定，嚴格按照GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行，采用的儀器為NLD-3型膠砂流動度測定儀，精度為0.1 mm。通過試驗，得到鋼渣膠砂相應(yīng)的強度和流動度測試結(jié)果見表5～6。

表5 鋼渣膠砂強度及流動度測定結(jié)果(P.O42.5，水膠比=0.5)

表6 鋼渣膠砂強度及流動度測定結(jié)果(P.O 42.5，水膠比=0.7)

從表5和表6可以看出，不論水膠比是0.5還是0.7，水泥膠砂的流動度都隨著鋼渣摻量的增加而降低；同時，隨著水膠比的增大，相同摻量下的水泥膠砂其流動度也隨之降低。

圖1和圖2分別為不同水膠比下，水泥膠砂試件抗壓強度和流動度變化趨勢，由圖1～2可以看出如下結(jié)果。

圖1 不同水膠比鋼渣膠砂的強度Fig.1 Strength of slag concrete at different water cement ratios

圖2 不同水膠比鋼渣膠砂的流動度Fig.2 Fluidity of slag concrete at different water cement ratios

1) 當鋼渣膠砂水膠比為0.5時，隨著鋼渣替代量的增加，鋼渣膠砂的強度先增大后逐漸減小，具體為當取代比例為20%時鋼渣膠砂強度達到了最大值54.4 MPa，從20%起，鋼渣取代比例增加會引起鋼渣膠砂強度的降低，到取代比例為40%時鋼渣膠砂抗壓強度達到了最低值44.2 MPa。

2) 當鋼渣膠砂水膠比為0.7時，鋼渣膠砂的強度會逐漸降低，但鋼渣取代比例在20%～30%內(nèi)，鋼渣膠砂強度會有小幅度增大，在取代比例為30%時，強度達到36.6 MPa。雖然鋼渣膠砂的強度較低，但從試驗結(jié)果看鋼渣摻量的變化對強度影響不大，可能此時水膠比的增大部分掩蓋了鋼渣對強度的影響。

3) 從兩條曲線對比來看，鋼渣代替標準砂的量在20%左右最為合適，不宜超過30%。同時，根據(jù)圖2所示，其流動度隨著鋼渣替代量的增加而基本呈線性遞減，且水膠比的增大導致其粘聚性、保水性也隨之劣化。

表7為采用P.O 32.5，水膠比為0.7鋼渣膠砂試驗結(jié)果。圖3為其圖形結(jié)果，從表7和圖3可以看出如下結(jié)果。

表7 鋼渣膠砂強度試驗 (P.O 32.5，水膠比=0.7)

圖3 w/c=0.7時不同齡期鋼渣膠砂試件抗壓強度變化Fig.3 Change of compressive strength for slag colloid sandtest strip at different ageson w/c=0.7

1) 從表7可以看出，隨著鋼渣替代量的增加，膠砂流動度隨之降低，基本呈線性遞減關(guān)系。與前述的試驗結(jié)果基本一致，其主要原因為鋼渣摻量的增加，增加了顆粒之間的摩擦力，并改變了膠砂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大了顆粒之間的運動阻力，體現(xiàn)為流動度的降低。

2) 從圖3可以看出，不同齡期的鋼渣膠砂抗壓強度變化有所不同，抗壓強度是隨著鋼渣摻量的增加而先減后增，但不同齡期強度最低值對應(yīng)的鋼渣摻量有所差異，7d最低強度值對應(yīng)的鋼渣摻量為20%，28d最低強度對應(yīng)的鋼渣摻量為30%左右。

為進一步研究相同水膠比，相同齡期，不同水泥強度等級下的膠砂試件強度的變化趨勢，抽取表6和表7中的相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的強度結(jié)果圖，見圖4。

圖4為水膠比(w/c=0.7)與齡期相同，水泥強度等級不同下的膠砂試件強度的變化趨勢，由圖4可以看出如下結(jié)果。

1) 當采用P.O 42.5的水泥，用比例為0、20%、30%、40%鋼渣取代標準砂，隨著鋼渣取代比例的增大，鋼渣膠砂抗壓強度逐漸減小，但總體膠砂強度變化不大。

2) 當采用P.O 32.5的水泥，逐漸提高鋼渣取代標準砂的比例，鋼渣膠砂強度從28MPa逐漸降低為27.1MPa，但在鋼渣取代比例為30%到40%時，水泥強度逐漸增大到27.9MPa，但其總體強度變化不大。

圖4 相同水膠比時兩種不同鋼渣膠砂試件28d抗壓強度變化Fig.4 Strength of two different steel slag concretes at the same water cement ratio

2.2 鋼渣混凝土抗壓強度及抗?jié)B壓力試驗

通過對鋼渣物理技術(shù)性質(zhì)的分析，本次試驗所用鋼渣宜用于C30及C30以下混凝土中，進而制備不同水膠比下的C20和C30混凝土，研究不同鋼渣摻量對其技術(shù)性能的影響。

表8為相同用水量下，不同鋼渣摻量對新拌混凝土及不同齡期硬化混凝土物理技術(shù)參數(shù)的影響。從表中可以看出，不同鋼渣摻量下，新拌混凝土的坍落度逐漸減小，但減小量不大。因此，表8可以將單方用水量作為統(tǒng)一標準，分析不同鋼渣摻量下混凝土強度、抗?jié)B壓力、收縮率以及含氣量的變化趨勢。

圖5為相同用水量下，不同鋼渣摻量混凝土不同齡期的強度變化趨勢。從圖5中可以得出，隨著鋼渣摻量的增加，混凝土不同齡期的強度也隨之降低，且基本呈線性遞減。

表8 相同用水量下?lián)戒撛鼘炷梁瑲饬亢透咝p水劑適應(yīng)性的影響

(注：單方用量，P.O 42.5：300 kg、粉煤灰：100 kg、石：1 209 kg、砂：651 kg、水：178 kg)

圖5 不同鋼渣摻量混凝土抗壓強度變化趨勢Fig.5 Change trend of the compressive strength under the different steel slag admixtures

圖6為不同鋼渣摻量下混凝土抗?jié)B壓力和收縮率變化趨勢。

圖6 不同鋼渣摻量下混凝土抗?jié)B壓力和收縮率變化趨勢Fig.6 Change trend of impermeable pressure and shrinkage rate under the different steel slag admixture

從圖6看出，隨著鋼渣摻量的增加，混凝土的抗?jié)B壓力也隨之增大，其收縮率也隨著增加。綜合而言，在水膠比和塌落度基本一致的條件下，為了保證新拌混凝土和硬化混凝土的技術(shù)性質(zhì)，高效減水劑的用量必須增加，摻量隨鋼渣量的增大而增加明顯，主要是因為鋼渣膠砂的需水量大所致。但隨著鋼渣摻量的增加，混凝土含氣量有所增加，含氣量的增加使得混凝土的抗?jié)B有了明顯提高，但同時混凝土的強度在不同齡期隨鋼渣的增加也都有較明顯的下降、收縮率也在變大，因此鋼渣替代細骨料過大時不宜配制高強度等級的混凝土。

為進一步驗證鋼渣摻量對C30強度以下混凝土強度性能的影響，分別制備不同鋼渣摻量的C20混凝土和C30混凝土，并通過測試其抗壓強度，分析不同鋼渣摻量下其強度變化的趨勢。表9～10分別為C20、C30鋼渣混凝土的強度測試結(jié)果。

圖7和圖8分別為根據(jù)表9和表10繪制的鋼渣替代細骨料不同時，C20和C30混凝土不同養(yǎng)護齡期時的強度變化趨勢圖。

圖7 不同鋼渣摻量下C20混凝土不同齡期強度變化趨勢Fig.7 Strength change trend of the C20 concrete in different ages to different admixture contents of steel slag

圖8 不同鋼渣摻量下C30混凝土不同齡期強度變化趨勢Fig.8 Strength change trend of the C30 concrete in different ages to different admixture content of steel slag

從圖7～8可以看出，鋼渣摻量的變化對混凝土強度的影響并不明顯，不論是C20還是C30，不同齡期的混凝土強度并沒有隨著鋼渣摻量的增加而有明顯的增加或降低，說明鋼渣摻量對混凝土強度的敏感度不高。也進一步說明，鋼渣完全可以替代細骨料的使用，能夠有效的降低鋼渣對環(huán)境的污染。

盡管鋼渣摻量的變化對混凝土的強度影響并不大，但可以有效的增加混凝土的抗?jié)B性能，圖9為根據(jù)表9和表10繪制的混凝土的抗?jié)B壓力的變化趨勢圖。

從表9～10，以及圖9可以看出，當水膠比相同情況下，隨著鋼渣摻量的增加，不論是C20混凝土還是C30混凝土其抗?jié)B壓力也隨之增加，基本呈線性增加趨勢，其原因主要有以下幾點。

圖9 不同強度等級混凝土抗?jié)B壓力變化趨勢Fig.9 Change trend of impermeability pressure of concrete with different strength grades

表9 C20鋼渣混凝土強度及抗?jié)B試驗

表10 C30鋼渣混凝土強度及抗?jié)B試驗

1) 使用了小粒徑的鋼渣，此粒徑的細粉料可以有效的封堵混凝土中的空隙，減少混凝土水的通過。

2) 使用了一定比例的高效減水劑，減水劑的使用可以有效降低混凝土的實際水膠比，減少混凝土中毛細孔的體積、細化混凝土中毛細孔的結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實性。

3 結(jié) 論

本文通過試驗，研究了不同鋼渣摻量替代細骨料，對鋼渣膠砂試件、鋼渣混凝土強度、抗?jié)B性等技術(shù)性能的影響，從試驗結(jié)果得出以下結(jié)論。

1) 通過對本次試驗中所用鋼渣的成分分析，得到了各組分的比例，由于其渣粉含量較高，所以本鋼渣僅可用于C30及以下混凝土制品中提到細骨料使用；通過膠砂試件強度和混凝體試塊強度以及抗?jié)B壓力測定結(jié)果的分析，得到了本鋼渣在使用中其替代量不易超過30%，合理的使用范圍為20%～30%，且水膠比不易過大。

2) 當采用高強度等級水泥制備混凝土時，隨著鋼渣摻量的增加，混凝土的強度也隨之降低；同時，混凝土的流動性也隨之劣化，不能有效的滿足其技術(shù)性能，因此，鋼渣混凝土不易采用高強度等級水泥制備高強度等級的混凝土。

3) 從試驗結(jié)果看，高效減水劑的使用可以有效的改善混凝土的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，提高其密實度，進而提高混凝土的抗?jié)B性能。

4) 水膠比是影響鋼渣混凝土抗壓強度的主要因素，一般而言，鋼渣混凝土的強度隨著水膠比的增大而減小。相同水膠比鋼渣等量代替細骨料配制C30混凝土，各齡期抗壓強度整體上隨著摻量的增大先增大而后減小，呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性。

5) C30以下的低強度混凝土的制備，完全可以考慮采用大摻量的鋼渣替代砂細骨料，這不但可以有效的降低混凝土的成本，還可以降低鋼渣對環(huán)境的污染和破壞，這是今后生產(chǎn)綠色混凝土的一條有效的途徑。