不同比例鋼渣替代粗集料對水泥混凝土性能影響

朱治國， 李文凱

（1.河南能源化工集團(tuán)義煤公司，河南義馬 472300； 2.河南交院工程技術(shù)有限公司，鄭州 450000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了重大的成果，鋼材的需求量逐年增加，但煉鋼產(chǎn)生的廢渣如何處置已成為目前研究的重要課題. 同時為滿足基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對礦料的需求，大量石材被開采，以及近年來環(huán)境治理力度的逐年加大，導(dǎo)致礦料出現(xiàn)緊缺的現(xiàn)象. 煉鋼廢渣的排放不僅影響鋼鐵產(chǎn)業(yè)部門的經(jīng)濟(jì)效益，而且廢棄鋼渣還需占用大量的場地進(jìn)行堆放. 廢棄鋼渣堆放會造成資源極大的浪費(fèi)，容易污染環(huán)境和影響居民生活. 為了響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針，必須盡快改善目前工業(yè)廢渣低利用率的現(xiàn)狀，有效提高工業(yè)廢渣的回收率和再利用率. 隨著砂、石等天然集料資源數(shù)量日益減少，鋼渣的利用開始逐漸得到各國的重視，很多國家投入了大量的財力和精力進(jìn)行研究以實(shí)現(xiàn)鋼渣再利用的目的［1-5］. 本文以鋼渣的合理利用為目的，將鋼渣以一定的比例等質(zhì)量替代水泥混凝土中的粗集料進(jìn)行鋼渣水泥混凝土配合比設(shè)計，同時對鋼渣水泥混凝土的工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能展開研究［6-10］. 通過混凝土坍落度及1 h經(jīng)時坍落度試驗，評價不同鋼渣摻量時混凝土的工作性能；通過混凝土抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗，評價不同鋼渣摻量時混凝土的力學(xué)性能；通過混凝土抗凍性及抗氯離子滲透性試驗，評價不同鋼渣摻量時混凝土的耐久性能，為鋼渣在水泥混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 原材料

1.1 水泥

水泥種類對混凝土結(jié)構(gòu)性能起著決定性作用，本文選用的水泥型號為P·I 52.5，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果見表1.

表1 P·I 52.5水泥主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果Tab.1 Test results of main technical indexes of P·I 52.5 cement

1.2 粉煤灰

粉煤灰作為一種膠凝材料，能夠有效改善混凝土拌合物的和易性，減少混凝土結(jié)構(gòu)早期因水化熱產(chǎn)生的裂縫，本文選用的粉煤灰等級為Ⅰ級，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果見表2.

表2 粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果Tab.2 Test results of main technical indexes of fly ash

1.3 鋼渣

本文的鋼渣為轉(zhuǎn)爐鋼渣，粒徑為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm 兩檔，兩檔鋼渣主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果見表3.

表3 鋼渣主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果Tab.3 Test results of main technical indexes of steel slag

1.4 配合比設(shè)計

本文選用的粗集料為5～10 mm、10～20 mm石灰?guī)r碎石，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果見表4. 細(xì)集料為天然河砂，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果見表5. 依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2019）進(jìn)行鋼渣水泥混凝土配合比設(shè)計，設(shè)計強(qiáng)度等級為C50，減水劑類型為聚羧酸系高性能減水劑，摻量為膠凝材料質(zhì)量的2.0%，鋼渣分別以0%、20%、40%、60%等質(zhì)量替代粗集料，四種混凝土配合比設(shè)計結(jié)果見表6.

表4 粗集料主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果Tab.4 Test results of main technical indexes of coarse aggregate

表5 細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果Tab.5 Test results of main technical indexes of fine aggregate

表6 混凝土配合比設(shè)計結(jié)果Tab.6 Design results of concrete mix proportion 單位：kg/m3

2 工作性能

鋼渣水泥混凝土要滿足施工和易性要求，如果鋼渣水泥混凝土工作性能不好，就會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)泌水、離析等現(xiàn)象，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的后期性能［11-12］. 四種鋼渣水泥混凝土坍落度及1 h經(jīng)時坍落度試驗結(jié)果分別見圖1、圖2.

圖1 坍落度試驗結(jié)果Fig.1 Slump test results

圖2 1 h經(jīng)時坍落度Fig.2 Slump over 1 h

由圖1、圖2可以得出，隨著鋼渣摻量的增大，四種混凝土坍落度及1 h經(jīng)時坍落度試驗結(jié)果均逐漸變小，鋼渣替代量為20%、40%、60%混凝土的坍落度較未摻鋼渣混凝土分別降低6.82%、18.18%、25.00%，1 h經(jīng)時坍落度分別降低12.50%、22.50%、32.50%；這主要因為粗集料表面較為光滑，與水泥砂漿間的摩阻力較小，而鋼渣的表面粗糙、多棱角，與水泥砂漿間的摩阻力較大，鋼渣的摻入會降低混凝土的坍落度，影響混凝土的工作性能，且摻量越多影響程度越大.

3 力學(xué)性能

3.1 抗壓強(qiáng)度

本文選用SYE-2000壓力試驗機(jī)對混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，加載速率為0.5～0.8 MPa/s，試件的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，將不同鋼渣摻量的混凝土試件在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)生7、14、28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗［13-15］.四種鋼渣水泥混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見圖3.

圖3 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果Fig.3 Test results of compressive strength of concrete at different ages

由圖3可以得出，四種混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增加而增大，且相同齡期試件的抗壓強(qiáng)度隨鋼渣摻量的增加逐漸增大；鋼渣替代量為20%、40%、60%混凝土的7 d 抗壓強(qiáng)度較未摻鋼渣混凝土分別提高了4.19%、6.28%、8.16%，28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了4.99%、10.66%、12.93%. 這主要因為鋼渣中具有水硬性膠凝作用的活性礦物質(zhì)（C2S、C3S等），能提高集料與水泥石之間界面區(qū)的黏結(jié)性能，從而使混凝土的抗壓性能得以增強(qiáng). 同時由于鋼渣集料的吸水率要高于碎石，以及鋼渣集料界面的粗糙、多孔特征，使鋼渣更容易吸收水分，混凝土中自由水分變少，有效的水膠比減小，從而鋼渣混凝土的強(qiáng)度有所增加.

3.2 抗折強(qiáng)度

選用SHT-4106微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)對混凝土進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗，加載速率為0.05～0.08 MPa/s，試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，將不同鋼渣摻量的混凝土試件在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)生14、28 d后進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗［16-18］. 四種鋼渣水泥混凝土不同齡期抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果見圖4.

圖4 不同齡期混凝土抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of flexural strength of concrete at different ages

由圖4可以得出，四種混凝土抗折強(qiáng)度均隨齡期的增加而升高，且相同齡期試件的抗折強(qiáng)度隨鋼渣摻量的增加逐漸增大；鋼渣替代量為20%、40%、60%混凝土28 d抗折強(qiáng)度較未摻鋼渣混凝土分別提高了10.53%、21.05%、24.56%. 這主要因為鋼渣的活性礦物質(zhì)、粗糙的表面特征以及較大的吸水率促進(jìn)鋼渣混凝土抗折強(qiáng)度的增加.

4 耐久性能

4.1 抗凍性

本選用快速凍融試驗法進(jìn)行抗凍性試驗，使用的儀器為GDR3-9 混凝土凍融試驗機(jī)以及LC-647 型共鳴法數(shù)顯動彈系數(shù)測定儀，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試件在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)到28 d后開始試驗，凍2.5 h，融化1.2 h為一次凍融循環(huán)［19-21］. 四種鋼渣水泥混凝土經(jīng)過50次、100次、150次凍融循環(huán)后相對動彈性模量及質(zhì)量損失試驗結(jié)果見圖5、圖6.

圖5 相對動彈性模量試驗結(jié)果Fig.5 Test results of relative dynamic modulus of elasticity

圖6 質(zhì)量損失試驗結(jié)果Fig.6 Mass loss test results

由圖5、圖6可以得出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，四種混凝土相對動彈性模量均逐漸變小，質(zhì)量損失均逐漸升高；相同凍融循環(huán)次數(shù)后隨著鋼渣替代量的增加混凝土相對動彈性模量逐漸增大，質(zhì)量損失逐漸減小. 這主要因為鋼渣中的活性礦物質(zhì)C2S、C3S 以及鐵鋁酸鹽具有水硬膠凝性，當(dāng)鋼渣表面發(fā)生水化反應(yīng)時，鋼渣顆粒就會和水泥漿體更緊密的包裹起來，形成致密的結(jié)構(gòu)，減少了孔隙的產(chǎn)生.

4.2 抗氯離子滲透性

本文選用ZB-07S全自動真空飽水機(jī)和RCM-DAL 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀對混凝土抗氯離子滲透性進(jìn)行試驗，試件尺寸為高度50 mm，直徑100 mm的圓柱體［22-23］. 試驗結(jié)束后，將試件切割成兩個半圓柱體，并在斷面處涂抹AgNO3指示劑，15 min后進(jìn)行檢測，四種鋼渣水泥混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗結(jié)果見圖7.

圖7 抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗結(jié)果Fig.7 Test results of anti chloride diffusion coefficient

由圖7 可以得出，隨著鋼渣摻量的逐漸增大，混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸下降，鋼渣替代量為20%、40%、60%混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)較未摻鋼渣混凝土分別降低了6.50%、12.07%、14.55%，表明鋼渣的摻入能有效改善混凝土抗氯離子滲透能力. 這主要因為鋼渣表面粗糙、多孔，在配制混凝土的過程中，水泥漿體逐漸滲入這些孔隙中，形成更為致密的混凝土結(jié)構(gòu).

5 結(jié)論

本文通過對鋼渣水泥混凝土配合比設(shè)計，并進(jìn)行工作性能、力學(xué)性能、耐久性能試驗，得出以下結(jié)論：

1）隨著鋼渣等質(zhì)量替代粗集料比例的增大，四種混凝土坍落度及1 h經(jīng)時坍落度試驗結(jié)果均逐漸變小，鋼渣的摻入會降低水泥混凝土的工作性能，需考慮摻入合理的高性能減水劑來改善鋼渣混凝土的工作性能.

2）隨著鋼渣等質(zhì)量替代粗集料比例的增大，四種混凝土抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度逐漸增大，表明鋼渣的摻入能夠改善水泥混凝土的力學(xué)性能，但替代量超過40%時，增大幅度會降低.

3）隨著鋼渣等質(zhì)量替代粗集料比例的增大，相同凍融循環(huán)次數(shù)后水泥混凝土相對動彈性模量逐漸增大，質(zhì)量損失逐漸減小，抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低，表明鋼渣的摻入能夠改善水泥混凝土的耐久性能，但替代量超過40%時，改善幅度會降低.