鋼渣混凝土力學(xué)性能及耐久性試驗研究

韓 均

(中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司， 河北 唐山 063000)

伴隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，帶來了諸多環(huán)境問題，廢渣、廢氣、廢水排放對環(huán)境產(chǎn)生了諸多負(fù)面影響[1]。鋼渣是鋼鐵轉(zhuǎn)化過程的副產(chǎn)品，年產(chǎn)量可達(dá)1億t以上，若直接廢棄將造成環(huán)境的污染[2]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示[3]，目前我國鋼渣的利用率僅為30%左右，這對鋼渣資源將造成很大的浪費。因此，多家企業(yè)和高校聯(lián)合開展了鋼渣在混凝土中的應(yīng)用研究，將鋼渣替代粗水泥改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

鋼渣中膠凝礦物的活性遠(yuǎn)低于硅酸鹽水泥，鋼渣的冷卻速率遠(yuǎn)低于硅酸鹽水泥的冷卻速率[4]。同時，鋼渣中非活性組分的含量也很高，因此，鋼渣是一種反應(yīng)性弱的材料[5]。李銳[6]等學(xué)者對鋼渣在硅酸鹽水泥熟料生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，鋼渣摻量為10.5%時，對生產(chǎn)水泥的質(zhì)量沒有負(fù)面影響。吳福飛[7]等學(xué)者用8%鋼渣、鐵渣和石灰石生產(chǎn)了一種水泥，滿足了硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度要求。將鋼渣用于水泥生產(chǎn)時，通常摻量很小，為保證水泥的基本強(qiáng)度要求，韓艷麗[8]等學(xué)者在堿性氧爐鋼渣中加入一定量的調(diào)節(jié)劑，當(dāng)煉鋼渣處于熔融狀態(tài)時，可以獲得具有高膠凝活性的新型煉鋼渣。這項研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣在碳化后增加了其活性.因此，深入了解鋼渣與混凝土之間的相互作用對于擴(kuò)大鋼渣在混凝土中的應(yīng)用至關(guān)重要。本文在莆炎高速公路施工中制備了不同鋼渣替代率的混凝土裝配式小型構(gòu)件，并對其力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行了比較，以闡明鋼渣量與混凝土性能變化之間的關(guān)系，從而選擇最佳水膠比下的鋼渣用量。

1 原材料與配合比設(shè)計

1.1 原材料

a. 原材料所用水泥為硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級42.5，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 175-2007。

b. 所用鋼渣為磨細(xì)的堿性氧爐鋼渣，密度為453kg/m3。鋼渣的主要化學(xué)成分及含量見表1。

表1 鋼渣的主要化學(xué)成分含量Table 1 Contents of main chemical components of steel slag %成分含量/%成分含量/%CaO38.62MnO1.96SiO216.45SO30.18Al2O35.37MgO7.68Fe2O326.49P2O51.82

c.使用的粗骨料為5～25mm的石灰石碎骨料[9]。所用細(xì)集料為天然河砂，細(xì)度為2.8。

d.采用聚羧酸系超塑化劑(PS)調(diào)節(jié)混凝土的流動性[10]。

1.2 配合比設(shè)計

表2和表3分別顯示了水膠比(W/B)為0.50和0.35的混凝土的配合比。混凝土的初始坍落度在17～20 cm之間。

1.3 試驗方案

a.抗壓強(qiáng)度試樣的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養(yǎng)護(hù)條件為(20±1)℃溫度和(95±5)%的相對濕度。在3、7、28、90 d齡期測量混凝土的抗壓強(qiáng)度[11]。

表2 W/B為0.50的混凝土配合比Table 2 Concrete mix ratio with water-cement ratio of 0.50鋼渣摻量/%混凝土成分/(kg·m-3)水泥鋼渣粗骨料砂水PS040007771 0732002.315340607771 0732002.3302801207771 0732002.2452201807771 0732002.1

表3 W/B為0.35的混凝土配合比Table 3 Concrete mix ratio with water-cement ratio of 0.35鋼渣摻量/%混凝土成分/(kg·m-3)水泥鋼渣粗骨料砂水PS040008021 1081407.415340608021 1081407.4302801208021 1081407.4452201808021 1081407.3

b.干燥收縮試驗的試樣尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，養(yǎng)護(hù)條件為(20±1)℃溫度和(95±5)%的相對濕度，養(yǎng)護(hù)持續(xù)3 d后將養(yǎng)護(hù)濕度調(diào)整為(65±5)%，并在試樣兩端安裝收縮測量裝置，測定3、7、28、90 d齡期混凝土的收縮值。

c.試件在(20±1)℃溫度和(65±5)%的室內(nèi)相對濕度下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間分別為3 d和28 d，養(yǎng)護(hù)完成后將試件進(jìn)行3、28 d碳化，最后測量試樣的碳化深度[12]。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 鋼渣對恒定水膠比混凝土抗壓強(qiáng)度性能的影響

鋼渣對W/B為0.50和0.35混凝土性能的影響分別如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可知，鋼渣的摻量越高，則混凝土抗壓強(qiáng)度越低，混凝土早期強(qiáng)度比后期強(qiáng)度更敏感。無論是高水膠比還是低水膠比，混凝土3 d抗壓強(qiáng)度的損失率均高于相應(yīng)的鋼渣置換量，而且45%鋼渣混凝土3 d抗壓強(qiáng)度極低(僅略高于0)。可能是因為兩個原因：鋼渣的早期活性遠(yuǎn)低于水泥；鋼渣降低了水泥的早期水化速率。在W/B為0.50時(圖1)，當(dāng)鋼渣摻量為30%和45%，鋼渣混凝土的90 d抗壓強(qiáng)度要低于普通混凝土。而W/B為0.35時(圖2)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度和普通混凝土抗壓強(qiáng)度較為接近，達(dá)到普通混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 W/B為0.50的混凝土抗壓強(qiáng)度Figure 1 Compressive strength of concrete with W/B of 0.50

圖2 W/B為0.35的混凝土抗壓強(qiáng)度Figure 2 Compressive strength of concrete with W/B of 0.50

圖3顯示了鋼渣混凝土的相對抗壓強(qiáng)度。鋼渣混凝土的相對抗壓強(qiáng)度由其抗壓強(qiáng)度占純水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的百分比來確定?？梢?，混凝土的相對抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加而增大。結(jié)果表明，含鋼渣的混凝土在3 d后的強(qiáng)度增長率高于純水泥混凝土。另外，在低水膠比的情況下，鋼渣含量為30%和45%的混凝土表現(xiàn)出較高的抗壓強(qiáng)度。這表明在低水膠比下，鋼渣對混凝土的抗壓強(qiáng)度具有較小的負(fù)面影響，鋼渣反應(yīng)性的提高直接有助于混凝土的抗壓強(qiáng)度。鋼渣除對混凝土后期強(qiáng)度有直接貢獻(xiàn)外，還對混凝土后期強(qiáng)度有間接貢獻(xiàn)：通過提高實際水膠比來促進(jìn)水泥后期水化，因為鋼渣的反應(yīng)所需水量較少。研究認(rèn)為鋼渣在低W/B時的間接貢獻(xiàn)較大，這可能是鋼渣混凝土在低W/B時相對抗壓強(qiáng)度較高的一個重要原因，因此需要少量的水化產(chǎn)物來致密孔隙結(jié)構(gòu)。

圖3 鋼渣混凝土的相對抗壓強(qiáng)度Figure 3 Relative compressive strength of steel slag concrete

2.2 鋼渣對恒定水膠比混凝土干燥收縮率性能的影響

W/B為0.50和0.35時混凝土的干縮如圖4和圖5所示。

圖4 W/B為0.50時混凝土的干縮Figure 4 Shrinkage of concrete when W/B is 0.50

圖5 W/B為0.35時混凝土的干縮Figure 5 Shrinkage of concrete when W/B is 0.35

從圖4可以看出，4種混凝土在90 d內(nèi)的總干縮量非常接近，其中純水泥混凝土的干縮量稍小。由圖4還可以看出，與純水泥混凝土相比，大摻量鋼渣混凝土的干縮在40 d內(nèi)發(fā)展得更快。高水膠比大摻量鋼渣混凝土在干燥環(huán)境中暴露時，由于其粘結(jié)料水化速度慢，早期甚至中期失水量較大，這可能是其干縮發(fā)展較快的原因。與圖4中的混凝土相比，圖5中的混凝土在90 d時具有較小的最終干燥收縮，這被認(rèn)為是由于混凝土的W/B較低。從圖5還可以看出，所有混凝土的干縮發(fā)展趨勢非常相似，在同一齡期干縮值非常接近。表明鋼渣對低水膠比混凝土的干縮影響很小。

2.3 鋼渣對恒定水膠比混凝土碳化深度性能的影響

在初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后，在加速碳化室中暴露28 d的混凝土碳化深度如圖6所示。

圖6 初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后混凝土碳化深度Figure 6 Concrete carbonation depth after 3 days of initial standard curing

從圖6可知，低W/B混凝土的碳化深度比高W/B混凝土的碳化深度小，這是因為低W/B混凝土具有更高的強(qiáng)度和更密集的孔結(jié)構(gòu)，這有助于抗碳化?？偟膩碚f，在相同水膠比的情況下，混凝土碳化深度隨著鋼渣含量的增加而逐漸增加。在W/B為0.50時，15%的鋼渣置換只使碳化深度略有增加。但30%和45%的鋼渣置換顯著增加了碳化深度。當(dāng)W/B為0.35時，鋼渣對混凝土碳化深度的影響不如W/B為0.50時顯著。

表4顯示了28 d初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，在加速碳化室中暴露28 d的混凝土碳化深度。通過比較表4和圖6可以清楚地看出，試驗前較長的初始養(yǎng)護(hù)期可獲得更好的抗碳化性能。這是因為增加初始養(yǎng)護(hù)期會降低混凝土的滲透性，提高混凝土的密實性，從而減少了二氧化碳向混凝土中的擴(kuò)散。在28 d初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，W/B為0.50時，鋼渣含量為15%和30%對混凝土碳化深度的影響很小，但鋼渣含量為45%會增加混凝土的碳化深度。另外從圖1可知，含45%鋼渣的混凝土在0.50水膠比下28 d抗壓強(qiáng)度為14.9 MPa，僅為0%鋼渣混凝土的31.5%，表明45%鋼渣的混凝土抗壓強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)密實性差，從而導(dǎo)致二氧化碳向混凝土中的擴(kuò)散明顯，碳化深度較大。在W/B為0.35時，所有混凝土的碳化深度都很小，表明混凝土具有相當(dāng)致密的結(jié)構(gòu)來抵抗碳化。

表4 初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土碳化深度Table 4 Concrete carbonation depth after initial standard curing for 28 daysmm水膠比不同鋼渣含量的混凝土碳化深度/mm0%鋼渣15%鋼渣30%鋼渣45%鋼渣W/B=0.501.41.52.47.3W/B=0.350.00.00.01.9

3 結(jié)語

本文研究了鋼渣在兩種不同W/B條件下對混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響，得出以下結(jié)論：在W/B不變的情況下，鋼渣摻量的增加會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度；鋼渣對混凝土強(qiáng)度的負(fù)面影響在低W/B時不明顯；在W/B不變的條件下，少量鋼渣置換對混凝土的抗碳化性能影響不大，大量鋼渣置換往往會顯著削弱混凝土的抗碳化性能；鋼渣對混凝土抗碳化性能的負(fù)面影響在W/B較低、初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期較長時較弱。