礦渣碎石壓碎值對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

姚增遠(yuǎn)（攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司，四川 攀枝花 617000）

0 前言

攀鋼本部每年要處理300多萬t高鈦型高爐渣，其中大部分通過熱潑冷卻后加工成礦渣碎石和渣砂作為建材使用。但在實(shí)際操作過程中受攀鋼生產(chǎn)節(jié)奏及雨季的影響造成高鈦型高爐礦渣冷卻速度不能夠完全受控，從而使得生產(chǎn)出的礦渣碎石壓碎值指標(biāo)波動(dòng)范圍較大，質(zhì)量不夠穩(wěn)定，存在部分礦渣碎石的壓碎值達(dá)不到內(nèi)部質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，使得在后續(xù)混凝土的應(yīng)用中存在一定的質(zhì)量不確定性。

為此成立了專門的課題組，研究在同等條件下，不同壓碎值的高鈦型礦渣碎石對(duì)各種強(qiáng)度等級(jí)混凝土力學(xué)性的影響。從而得出高鈦型礦渣碎石壓碎值的變化對(duì)混凝土力學(xué)性（抗壓強(qiáng)度）的影響規(guī)律，以確定出高鈦型礦渣碎石壓碎值的最大允許上限及使用范圍，為今后的生產(chǎn)加工使用提出指導(dǎo)性意見。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

1.1.1 礦渣碎石

本次試驗(yàn)所選用的礦渣碎石是在礦渣加工生產(chǎn)過程中，有針對(duì)性的對(duì)不同等級(jí)壓碎值的礦渣碎石進(jìn)行收集而得，并按照碎石的粒度級(jí)配要求進(jìn)行配料，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和對(duì)比性。主要收集了6種不同壓碎值的礦渣碎石以備試驗(yàn)所用，其具體主要指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用礦渣碎石主要指標(biāo)

礦渣碎石壓碎值大小主要取決于高爐渣翻渣后的自然冷卻時(shí)間及熱潑時(shí)的冷卻速度，若翻渣后自然冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，熱潑時(shí)高爐渣冷卻速度越慢，則生產(chǎn)的礦渣碎石壓碎值越高。另外，礦渣碎石壓碎值還與其破碎加工后的顆粒形狀有關(guān)，若片狀、針狀碎石較多，其壓碎值也會(huì)降低[1-2]。

1.1.2 渣砂

本次試驗(yàn)所選用的渣砂為高鈦重礦渣中砂，其具體技術(shù)指標(biāo)見表2

表2 試驗(yàn)用高鈦重礦渣中砂

1.1.3 水泥

試驗(yàn)用水泥為攀枝花鋼城集團(tuán)瑞豐水泥公司生產(chǎn)的P·O 42.5和P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，其中52.5水泥用于C70混凝土試驗(yàn)中。其相關(guān)理化指標(biāo)檢測(cè)見表3。

表3 試驗(yàn)用水泥相關(guān)檢測(cè)結(jié)果

1.1.4 粉煤灰

試驗(yàn)用粉煤灰采用攀枝花寶利源公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。其主要化學(xué)成分和物理性能指標(biāo)檢測(cè)見表4。

表4 粉煤灰相關(guān)指標(biāo)

粉煤灰作為混凝土摻合料主要是為了降低水泥用量，并滿足混凝土的膠凝材料需要，調(diào)整混凝土的施工性能。

1.2 確定試驗(yàn)配合比[3]

本項(xiàng)目按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的配合比設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)全礦渣混凝土生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選擇相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，最終設(shè)計(jì)出不同強(qiáng)度等級(jí)的試驗(yàn)混凝土配合比。具體試驗(yàn)配合比,見表5。

表5 本試驗(yàn)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比 kg/m3

試驗(yàn)過程中，碎石采用試驗(yàn)選取的不同壓碎值礦渣碎石進(jìn)行對(duì)比，其他原料保持不變。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 礦渣碎石壓碎值檢測(cè)方法[4]

礦渣碎石的壓碎值是其強(qiáng)度衡量的一種間接方法，其試驗(yàn)方法參照《建設(shè)用卵石、碎石》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

首先將需檢測(cè)的礦渣碎石風(fēng)干后，采用方孔篩篩分出9.5 mm～19 mm的顆粒3kg以備檢測(cè)試驗(yàn)；然后將試樣放入圓模內(nèi)置于壓力機(jī)上，按照1kN/s速度均勻加載至200kN，并穩(wěn)壓5s后卸載；再用2.36mm方孔篩篩分掉被壓碎的細(xì)粒，并稱取篩上試樣質(zhì)量，精確至1g；最后按照公式（1）計(jì)算壓碎值。

式中：Qe—壓碎值指標(biāo)，%；G1—試樣質(zhì)量，g；G2—壓碎試驗(yàn)后篩余的試樣質(zhì)量，g。

1.3.2 混凝土試塊制備及養(yǎng)護(hù)方法[5]

本試驗(yàn)混凝土試塊制備及養(yǎng)護(hù)方法參照《普通混凝土力學(xué)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行。

首先按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比配制不小于40 L的混凝土，試驗(yàn)所用碎石、渣砂、水泥等各材料均以質(zhì)量計(jì)量，精確度控制在±0.5%內(nèi)；然后按照碎石、水泥、粉煤灰、渣砂、水和外加劑的順序依次加入攪拌機(jī)中攪拌60s；再將攪拌好的試驗(yàn)混凝土放入已涂好脫模劑的150mm×150mm×150mm模具中并在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型，再修整試樣表面平整；然后將試樣和模具放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24h以上方可脫模；脫模后應(yīng)繼續(xù)將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)要求齡期。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室溫度要求為20±2℃，相對(duì)濕度為95%以上。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)定

本試驗(yàn)混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)方法，嚴(yán)格按照《普通混凝土力學(xué)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行檢測(cè)。

首先將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)到期的試件取出，然后在自然條件下使試件表面水晾干后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)；試驗(yàn)機(jī)為數(shù)顯可控壓力機(jī)，試驗(yàn)過程中要求應(yīng)連續(xù)均勻地加荷，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C30且＜C60時(shí)，按照0.5～0.8MPa/s加載，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C60時(shí)，按照0.8～1.0MPa/s加載；當(dāng)試件破壞壓力顯示下降時(shí)，應(yīng)立即記錄破壞荷載，并按照公式（2）計(jì)算檢測(cè)試件的抗壓強(qiáng)度。

式中：fcc—混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，MPa；F—試件破壞荷載，N；A—試件承壓面積，mm2；

試驗(yàn)混凝土最終強(qiáng)度值的確定按照下列規(guī)格執(zhí)行：

（1）三個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值（精確至0.1 MPa）；

（2）三個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值中如有一個(gè)與中間值的差值超過中間值的l5%時(shí)，則直接取中間值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值；

（3）如最大值和最小值與中間值的差均超過中間值的15%，則該組試件的試驗(yàn)結(jié)果無效。

2 結(jié)果與分析

2.1 C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土試驗(yàn)

由圖1的數(shù)據(jù)分析，C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試塊7d抗壓強(qiáng)度隨著礦渣碎石壓碎值的增加，呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但下降幅度不明顯，這主要是因?yàn)榛炷猎缙趶?qiáng)度主要由界面強(qiáng)度所決定，骨料強(qiáng)度對(duì)其影響較小；28d和60d的抗壓強(qiáng)度在礦渣碎石壓碎值為20%時(shí)達(dá)到最大，隨后逐漸降低，且28d抗壓強(qiáng)度值均大幅超過標(biāo)準(zhǔn)要求的30MPa以上，這主要與試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)參數(shù)的選取有關(guān)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中可根據(jù)攪拌站具體情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖1 C30混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

由該結(jié)果表明，在同等條件下，混凝土中礦渣碎石的強(qiáng)度（壓碎值）對(duì)混凝土的耐壓強(qiáng)度有一定影響，當(dāng)碎石的壓碎值大于20%以上時(shí)，會(huì)對(duì)C30混凝土強(qiáng)度造成一定的影響，但仍滿足C30混凝土強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，故在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)需適當(dāng)考慮礦渣碎石的壓碎值超標(biāo)對(duì)其強(qiáng)度影響的作用。

2.2 C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土試驗(yàn)

由圖2的數(shù)據(jù)分析，對(duì)于C50較高等級(jí)混凝土試塊7 d、28 d和60 d齡期抗壓強(qiáng)度均隨著礦渣碎石壓碎值的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中28 d抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)尤為明顯；28 d抗壓強(qiáng)度在礦渣碎石壓碎值為22%時(shí)降值達(dá)到最大；60 d后期強(qiáng)度比28 d強(qiáng)度平均增加6 MPa，這主要是由于礦渣碎石不同于天然碎石，其內(nèi)部存有一定數(shù)量的半開氣孔可以儲(chǔ)存部分水分及漿液，而28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期后該部分水分仍然能夠繼續(xù)參與水化反應(yīng)，從而可進(jìn)一步增加混凝土試塊的強(qiáng)度。

圖2 C50混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨著礦渣碎石壓碎值的增大而有所降低，當(dāng)?shù)V渣碎石的壓碎值在22%時(shí)降低幅度最大，但仍能滿足強(qiáng)度等級(jí)要求?？紤]到混凝土的安全性及質(zhì)量保證，建議在C50較高等級(jí)混凝土中使用礦渣碎石時(shí)，當(dāng)?shù)V渣碎石壓碎值大于22%時(shí)需慎用，必須使用時(shí)需采取相關(guān)措施以保證混凝土質(zhì)量。

2.3 C70強(qiáng)度等級(jí)混凝土試驗(yàn)

由圖3的數(shù)據(jù)分析，通過橫向?qū)Ρ菴70高強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊的7 d抗壓強(qiáng)度，在隨著礦渣碎石壓碎值增加時(shí)，其強(qiáng)度逐漸降低，但不明顯，這主要是因?yàn)榛炷恋某跗趶?qiáng)度主要由水泥水化產(chǎn)生的強(qiáng)度所決定，而礦渣碎石強(qiáng)度對(duì)其影響相對(duì)較小。28 d和60 d齡期的抗壓強(qiáng)度在礦渣碎石壓碎值超過20%時(shí)開始明顯下降，并達(dá)不到C70強(qiáng)度等級(jí)要求的抗壓強(qiáng)度，在礦渣碎石壓碎值達(dá)到24%時(shí)達(dá)到最低值。這主要是由于對(duì)于高強(qiáng)度混凝土，其28 d以上的齡期抗壓強(qiáng)度不僅僅是由混凝土中的界面強(qiáng)度所決定，同時(shí)也受混凝土中骨料的密實(shí)度及骨料的強(qiáng)度所影響。通過對(duì)28 d齡期試塊斷面的觀察分析，發(fā)現(xiàn)試塊其斷面處有部分礦渣碎石直接被壓斷，分為兩半（見圖4），而對(duì)于壓碎值相對(duì)較大的礦渣碎石，其碎石內(nèi)部空隙較多，故其抗壓強(qiáng)度也就越低[6]。

圖3 C70混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

圖4 28 d齡期試塊抗壓強(qiáng)度檢測(cè)后斷面圖

考慮到C70強(qiáng)度等級(jí)混凝土一般主要用于重要部位的結(jié)構(gòu)部件，28 d的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度受礦渣碎石的強(qiáng)度影響較大，且在礦渣碎石壓碎值超過20%以上時(shí)其28 d標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度已達(dá)不到國(guó)標(biāo)要求值，故建議在C70強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中嚴(yán)禁使用壓碎值大于20%的礦渣碎石。

3 結(jié)論與建議

（1）試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在同等條件下對(duì)于C30、C50和C70不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，隨著礦渣碎石強(qiáng)度的降低（壓碎值增加）其抗壓強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)壓碎值超過20%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度降低幅度增大。

（2）對(duì)于C30和C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，當(dāng)?shù)V渣碎石壓碎值達(dá)到24%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度仍可滿足該強(qiáng)度等級(jí)要求，可以作為混凝土骨料使用，但在配合比設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮礦渣碎石壓碎值對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

（3）對(duì)于C70高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，當(dāng)?shù)V渣碎石壓碎值大于20%時(shí)，其28d抗壓強(qiáng)度已不滿足該強(qiáng)度等級(jí)要求?？紤]到高強(qiáng)度等級(jí)混凝土一般用于重要的結(jié)構(gòu)部件，故建議在高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中嚴(yán)禁使用壓碎值大于20%的礦渣碎石。