以鋼渣為骨料的混凝土基本性能研究及應(yīng)用

官少龍 毛志剛 吳安耀 張紅日

摘要：文章以防城港某鋼鐵廠電爐法生產(chǎn)的鋼渣為試驗研究對象，探討鋼渣作為粗細骨料時制備鋼渣混凝土的基本性能。研究發(fā)現(xiàn)：鋼渣骨料的工程物理及化學(xué)性質(zhì)能較好地滿足相關(guān)規(guī)范中混凝土骨料技術(shù)指標要求;鋼渣混凝土的抗壓強度隨鋼渣骨料摻和比例趨于增加，高于同等條件下普通碎石混凝土的抗壓強度，特別是摻和比例為25%的鋼渣細骨料和100%的鋼渣粗骨料的混凝土抗壓強度較普通碎石混凝土可提高約20%～30%，其壓縮強度與靜態(tài)彈性模量的關(guān)系比高于相關(guān)規(guī)范中靜載法得到的試驗曲線關(guān)系比;鋼渣骨料制備的混凝土在排水結(jié)構(gòu)物、鋼渣樁地基處理等簡單構(gòu)造工程中的應(yīng)用前景可觀，甚至可以100%替代普通碎石骨料。

關(guān)鍵詞：鋼渣;骨料;混凝土;力學(xué)性能;工程應(yīng)用

中圖分類號：U414 文獻標識碼：ADOI：10.13282/ji/cnki.wccst.2019.07.001

文章編號：1673-4874（2019）07-0001-03

0引言

鋼渣作為冶煉各類鋼鐵產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其比例高達粗鋼量的12%～20%，綜合利用率較低，導(dǎo)致占用土地資源、環(huán)境污染等系列問題。2018年廣西擬重點推進的項目中，沿海地區(qū)涉及鋼鐵>臺金總投資額近千億元，鋼渣產(chǎn)量必然迅速遞增。探討建立高效、大規(guī)模開發(fā)利用鋼渣的技術(shù)不僅是回收資源的重要問題，也是穩(wěn)定鋼鐵供應(yīng)需求的重要問題。

鋼渣的應(yīng)用較廣泛，鋼渣資源化技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用也取得了一定的成績。如我國 大部分鋼廠都修建了廢鋼回收生產(chǎn)線，鞍鋼采用無介質(zhì)自磨及磁選的方法回收鋼渣中的廢鋼量達8.0%，武鋼回收廢鋼中的金屬Fe達8.5%;鋼渣中的鈣、硅、磷等在冶煉過程中經(jīng)過高溫鍛燒，其溶解度增大可用作化肥等;部分區(qū)域的鋼渣有較好的力學(xué)性能，部分已經(jīng)在公路工程中開始運用推廣，如軟基換填材料、鋼渣混凝土樁復(fù)合地基等。但在鋼渣替代砂石作為混凝土粗細骨料方面的研究欠缺，具有區(qū)域局限性。本文對防城港某鋼鐵廠的鋼渣進行試驗研究，探討此鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼渣作為粗細骨料時混凝土的基礎(chǔ)性能，并對鋼渣混凝土工程的應(yīng)用性進行展望。

1鋼渣粗骨料的生產(chǎn)和質(zhì)量

1.1鋼渣粗骨料的簡介

試驗研究采用防城港某鋼鐵制造工廠生產(chǎn)的鋼渣粗骨料。該廠生產(chǎn)的鋼渣是粉碎的電爐退火爐渣，但我們在熔化過程中加入CaCO3作為原料，脆化后將爐渣中的CaO含量加到約2.5%，通過實施兩次粉碎過程，以去除在冷卻過程中玻璃化的更易碎表層部分。

1.2鋼渣骨料的工程物理化學(xué)性質(zhì)

1.2.1鋼渣骨料的工程物理性質(zhì)

本試驗研究中使用的鋼渣滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)指標范圍的要求，參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTGE42-2005）普通粗集料試驗方法，得到其工程物理性質(zhì)指標如表1所示。

從粗集料角度比較，常用于普通混凝土的石灰?guī)r碎石的絕對干密度略大于武鋼的，為2.53g/cm，而小于柳鋼和試驗研究鋼渣;鋼渣骨料的吸水率均較大于石灰?guī)r碎石;武鋼和試驗研究鋼渣的洛杉磯磨耗損失值和壓碎值均小于石灰?guī)r碎石，具有很好的強度。本試驗用鋼渣是通過兩次破碎過程去除緩冷爐渣表面的脆弱部分而得到的，吸水率、磨耗損失等物理性質(zhì)顯著，與武鋼、柳鋼傳統(tǒng)冶煉工藝生產(chǎn)的鋼渣相比，防城港該鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼渣是一種物理性能顯著改善的粗集料。

1.2.2鋼渣骨料的化學(xué)成分

試驗研究鋼渣骨料的主要化學(xué)組分如表2所示。試驗顯示：該類型鋼渣的化學(xué)成分二氧化硅、氧化鎂、氧化鈣等均能滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)指標規(guī)定值。

2試驗材料和配合比組合

本試驗使用的水泥是普通硅酸鹽水泥（密度：3.16g/cm），摻和水為普通自來水，化學(xué)外加劑是以陰離子表面活性劑為主要成分的AE劑和主要由羥基絡(luò)合物/天然樹脂酸鹽組成的AE減水劑。粗骨料采用鋼渣粗骨料（以下簡稱SCA），細骨料采用電爐法生產(chǎn)的鋼渣細骨料（以下簡稱SFA）。

在本試驗中，通過改變混凝土水灰比（w/C）、粗細骨料摻和比來確定混凝土摻和條件，如表3所示。混凝土的w/C設(shè)定為45%、55%和60%三個等級。

本試驗基本組合中的目標坍落度和目標空氣量分別為10.0±1.O cm和5.0±0.5%，通過初步試驗確定總校正系數(shù)來校正新拌混凝土的空氣量。

3混凝土的力學(xué)性能

3.1力學(xué)性能試驗

為了研究使用鋼渣骨料的混凝土的力學(xué)性能，參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》制備試件進行了養(yǎng)護齡期為7d、14d、28d和91d時的抗壓強度試驗，養(yǎng)護齡期為28d時分別進行了劈裂抗拉強度試驗和靜態(tài)彈性模量測定試驗。

3.2試驗結(jié)果與討論

圖1顯示了標準條件下養(yǎng)護28d齡期混凝土（目標空氣體積：5%）的抗壓強度試驗結(jié)果。摻和鋼渣的混凝土的抗壓強度趨于增加，同等條件下高于普通碎石混凝土的抗壓強度。摻和比例為25%的鋼渣細骨料和100%的鋼渣粗骨料的混凝土抗壓強度較普通碎石混凝土可提高約20%～30%，這歸因于鋼渣材料自身的材料強度;相同鋼渣摻和比情況下，鋼渣混凝土的抗壓強度隨水灰比增大而降低，與使用普通碎砂的混凝土相比，使用鋼渣細骨料的混凝土的抗壓強度可增加約10%。

圖2顯示了單獨使用100%粗骨料鋼渣的混凝土的抗壓強度（養(yǎng)護28d）與不同鋼渣細骨料SFA摻和比例的壓碎值之間的關(guān)系。隨著粗骨料壓碎值的增加，抗壓強度趨于降低。由此可以證實，包括鋼渣骨料表面的脆弱部分在內(nèi)的骨料本身的強度極大地影響了使用它的混凝土的抗壓強度。

圖3顯示了28d齡期時混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度之間的關(guān)系?？梢姡词乖阡撛娲胀ㄉ笆苽浠炷恋那闆r下，它們之間的關(guān)系在1/16～1/10的范圍內(nèi)，與普通砂石混凝土相當(dāng)。

混凝土壓縮強度與靜態(tài)彈性模量之間的關(guān)系如圖4所示。試驗結(jié)果顯示：無論鋼渣粗細骨料摻和比例如何，制備的鋼渣混凝土壓縮強度與靜態(tài)彈性模量的關(guān)系比高于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》靜載法得到的試驗曲線，且較普通碎石混凝土增加大約為20%～30%;當(dāng)鋼渣摻和比增加時，摻和鋼渣的混凝土在相同抗壓強度下的靜態(tài)彈性模量較石灰石碎石低，且摻和比例為100%時，混凝土的靜態(tài)彈性模量降低達7%～12%。

圖5顯示了全鋼渣粗骨料混凝土的靜態(tài)彈性模量與壓碎值之間的關(guān)系。隨著壓碎值增大，靜態(tài)彈性模量趨于降低。本文所列舉的3種類型粗骨料的磨耗損失值和壓碎值都不同，在壓縮性質(zhì)方面存在差異，這將影響在粗骨料和基質(zhì)之間的界面處產(chǎn)生的微裂紋;甚至在相同的抗壓強度水平下，混凝土的靜態(tài)彈性系數(shù)會因骨料的類型而不同。由此可見，粗骨料的壓碎值被認為是評價混凝土力學(xué)性能的重要指標之一。

從上述分析結(jié)果可以看出，使用鋼渣骨料SCA的混凝土的力學(xué)性能具有等同于或高于普通混凝土的特性，即使鋼渣摻和比為100%，也可單獨使用。

4鋼渣作為混凝土骨料的應(yīng)用前景

綜合前文及前人研究結(jié)果，采用鋼渣骨料替代傳統(tǒng)砂石制備混凝土，從鋼渣骨料工程物化特性到鋼渣混凝土的力學(xué)性能，均表現(xiàn)出很大的優(yōu)異性。將其應(yīng)用于簡單構(gòu)造物，如邊溝、截水溝等公路防排水結(jié)構(gòu)物和邊坡底部護腳墻、非重要大體積混凝土結(jié)構(gòu)物等以及CFG樁復(fù)合地基處理軟基等方面，需進一步研究解決大體積混凝土溫度裂縫問題。

在目前國家實行戰(zhàn)略資源環(huán)保等背景下，傳統(tǒng)石材開發(fā)利用受到限制，而我國基礎(chǔ)建設(shè)正處于快速增長階段，砂石材料價格日益增長。鋼渣作為粗骨料應(yīng)用在混凝土中，既可以取代不可再生的天然石料，又可以提高混凝土的性能，達到變廢為寶和降低工程造價的目的。綜合考慮到政策引領(lǐng)、環(huán)保要求、市場潛在規(guī)模以及技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，將鋼渣粗骨料應(yīng)用于混凝土領(lǐng)域更具有競爭力，在政策引導(dǎo)與技術(shù)進步雙重作用下，鋼渣粗骨料將在混凝土領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

5結(jié)語

本文以防城港某鋼鐵廠鋼渣為例，探討鋼渣作為粗細骨料時混凝土的基礎(chǔ)性能。研究發(fā)現(xiàn)，其力學(xué)性能與普通混凝土相近或更高，在某些領(lǐng)域甚至可以100%替代普通碎石骨料。

（1）相關(guān)試驗結(jié)果顯示所研究的鋼渣骨料的工程物理及化學(xué)性質(zhì)能較好地滿足相關(guān)規(guī)范中混凝土骨料的技術(shù)指標。該鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼渣與武鋼、柳鋼傳統(tǒng)>臺煉工藝生產(chǎn)的鋼渣相比，吸水率、磨耗損失等物理性質(zhì)顯著。

（2）鋼渣混凝土的抗壓強度隨鋼渣骨料摻和比例的增加而增加，高于同等條件下普通碎石混凝土抗壓強度。特別是摻和比例為25%的鋼渣細骨料和100%的鋼渣粗骨料的混凝土抗壓強度較普通碎石混凝土可提高約20%～30%。

（3）摻合鋼渣粗細骨料制備的鋼渣混凝土，壓縮強度與靜態(tài)彈性模量的關(guān)系比高于相關(guān)規(guī)范中靜載法得到的試驗曲線關(guān)系比。

（4）鋼渣骨料制備的混凝土在排水結(jié)構(gòu)物、鋼渣樁地基處理等簡單構(gòu)造工程中的應(yīng)用前景可觀。探索其在非重要大體積混凝土結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)用具有重要的工程實際意義。