鋼渣粉對混凝土性能的影響

喬梓滕，陳向哲，張思雨

（河北建設(shè)集團(tuán)混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 前言

隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，我國混凝土的需求和產(chǎn)量不斷增大，需要的產(chǎn)物摻合料也越來越多。傳統(tǒng)的粉煤灰、礦渣粉資源不斷減少，價格持續(xù)上升，需要尋找一種新的礦物摻合料來替代傳統(tǒng)的礦物摻合料，這種材料需要具有質(zhì)量好、產(chǎn)量高、價格低的優(yōu)點。鋼渣作為煉鋼生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的“三廢”之一，是一種工業(yè)固體廢棄物，我國每年都會產(chǎn)出約 1 億噸鋼渣，因無法對其進(jìn)行處理，所以長期進(jìn)行堆放，對環(huán)境造成了很大的影響。通過大量的研究表明，鋼渣可以作為礦物摻合料加入到混凝土中。將鋼渣變廢為寶，不僅解決了天然的礦物摻合料緊缺的現(xiàn)狀，減少了因天然骨料的開采而造成的環(huán)境破壞，也解決了鋼渣大量堆棄、填埋而造成的土地資源浪費問題和對環(huán)境造成的污染問題。

目前，發(fā)達(dá)國家的鋼渣利用率可以達(dá)到 90% 以上，而我國的鋼渣利用率僅為 30% 左右。雖然起步較晚，但我國在鋼渣的利用上有著自己的思路和途徑。國外通常將鋼渣經(jīng)過處理后用來作為水泥添加劑來提高混凝土性能或肥料的添加劑來改善土壤、回爐冶金等。由于鋼渣碎料具有較高的強(qiáng)度、粗糙的表面、較好的耐磨性，我國嘗試用鋼渣替代混凝土中的石料、砂子，但是由于生產(chǎn)工藝存在一定的問題，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的混凝土抗壓強(qiáng)度低、抗拉性能差，并而且鋼渣具有膨脹性，制成的混凝土容易膨脹開裂，嚴(yán)重影響了混凝土的安全性。本文主要研究的是鋼渣粉對混凝土性能的影響。

1 試驗原材料

（1）水泥：河北京蘭 P·O42.5 水泥，3d 抗折強(qiáng)度為 6.4MPa，28d 抗折強(qiáng)度為 7.6MPa，3d 抗壓強(qiáng)度為37.2MPa，28d 抗壓強(qiáng)度為 50.0MPa。

（2）砂：保定滿城河砂，細(xì)度模數(shù) 2.6，級配良好，含泥量為 2.3%。

（3）水：飲用水。

（4）粉煤灰：保定大唐Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為17.6%，需水量為 103%。

（5）鋼渣粉：采用唐山地區(qū)的鋼渣粉，燒失量為3.7%，細(xì)度為 20.9%。

（6）聚羧酸外加劑：選用保定慕湖恒源新型建材有限公司生產(chǎn)的外加劑。

（7）礦渣粉：選用保定乾華建材 S95 級礦渣粉，流動度比為 101%。

（8）石子：保定滿城 5～25mm 連續(xù)級配碎石。

2 試驗方法

（1）以灰砂比 1:3、水灰比 1:2 的水泥膠砂為基準(zhǔn)，將鋼渣粉分別以 5%、10%、15%、20%、25%、30% 的摻量等質(zhì)量取代水泥，進(jìn)行鋼渣膠砂試塊的制作。

（2）按照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO 法）》中的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行鋼渣膠砂試件7d和28d抗壓強(qiáng)度、7d 和 28d 抗折強(qiáng)度的測定。

（3）將鋼渣粉按 5%、10%、15%、20%、25%、30% 的摻量分別摻入到 C30 混凝土中制成混凝土試塊。

（4）根據(jù)現(xiàn)行 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，測定混凝土 3d、7d 和 28d 的抗壓強(qiáng)度。

3 力學(xué)性能

3.1 鋼渣膠砂性能

3.1.1 鋼渣膠砂安定性

由于鋼渣性能不穩(wěn)定，因此試驗開始之前先對其安定性進(jìn)行檢測。本次試驗采用沸煮法對其安定性進(jìn)行檢測。將摻有 30% 鋼渣粉的水泥凈漿制成試餅，養(yǎng)護(hù) 24小時后將其放入沸煮箱中煮 4 小時后取出，進(jìn)行檢測。

由圖 1 和圖 2 可知，沸煮后與沸煮前相比，試件表面并沒有出現(xiàn)任何裂紋。圖 3、圖 4 分別為試餅沸煮后側(cè)面形狀，可以看出沸煮后的試塊并沒有出現(xiàn)任何彎曲變形。

圖1 沸煮前試餅

圖 2 沸煮后試餅

圖3 試餅 1 沸煮后側(cè)面

圖 4 試餅 2 沸煮后側(cè)面

綜上所述，該鋼渣粉在摻量為 30% 的情況下安定性良好，可以用于混凝土試驗和生產(chǎn)。

3.1.2 鋼渣粉膠砂流動度

試驗結(jié)果見表 1 和圖 5。由數(shù)據(jù)可以看出，在摻量為 15%～25% 時，膠砂流動度略有上升，總體來說，膠砂流動度隨鋼渣粉摻量的增加變化基本不大，說明鋼渣粉對膠砂流動度的影響程度與水泥相似，摻量合適時對膠砂的流動度略有提高作用。

表1 鋼渣粉膠砂流動度

圖5 鋼渣粉摻量對膠砂流動度的影響

3.1.3 鋼渣粉膠砂強(qiáng)度

接下來測定鋼渣粉對水泥膠砂性能的影響，主要為流動度與抗壓抗折強(qiáng)度。結(jié)果見表 2 和圖 6、7。

圖6 鋼渣摻量對膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

表2 鋼渣粉摻量對膠砂強(qiáng)度的影響

由試驗結(jié)果得出：鋼渣粉的加入會降低水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度，7d 抗壓強(qiáng)度在摻量為 0%～10% 之間時，下降幅度比較小，在摻量 10%～20% 之間時，下降幅度較大，摻量 10% 為突變點；在摻量 20%～25% 之間，強(qiáng)度變化不大。28d 抗壓強(qiáng)度的下降幅度隨著鋼渣粉摻量的增加逐漸減小?？拐蹚?qiáng)度均是在摻量為 5%時略有上升；7d 抗折強(qiáng)度隨摻量的增加逐漸下降，但是下降幅度逐漸減小；28d 抗折強(qiáng)度先下降后上升，20% 摻量為轉(zhuǎn)折點，其中在 10%～15% 摻量之間的抗折強(qiáng)度下降速度極為緩慢。與 28d 的粉煤灰強(qiáng)度相比，摻鋼渣粉的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有小幅度的增長。這是由于鋼渣粉中含有 C3S 和 C2S 等類熟料礦物，水化活性較高[1]，所以鋼渣粉摻量越高，類熟料礦物越多，會阻礙膠砂試塊強(qiáng)度的下降；但其中也含有一部分游離氧化鈣和游離氧化鎂，如果不能完全消解，就會與水反應(yīng)生成氫氧化鈣和氫氧化鎂，導(dǎo)致強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)其消解完全或含量非常小時，體積變得穩(wěn)定，強(qiáng)度會隨之上升[2]。而粉煤灰中不含有類熟料礦物或含量很少，因而鋼渣粉膠砂的強(qiáng)度會高于粉煤灰的膠砂強(qiáng)度。

圖7 鋼渣粉摻量對膠砂抗折強(qiáng)度的影響

3.2 鋼渣粉混凝土性能

3.2.1 鋼渣粉混凝土拌合物性能

先對鋼渣粉摻入混凝土后對混凝土拌合物性能的影響進(jìn)行檢測，混凝土的基準(zhǔn)配合比為：水泥∶礦渣粉∶砂∶石∶水∶外加劑＝3.67:1.00:13.67:10.73:1.96:0.07，鋼渣粉從 5%～30%，以 5% 增加，替代水泥，試驗結(jié)果見表 3 和圖 8、9。

表3 鋼渣粉混凝土的拌合物性能

圖8 鋼渣興混凝土的坍落度

圖9 鋼渣粉混凝土的擴(kuò)展度

由表 3 數(shù)據(jù)可以知，鋼渣粉的摻入對混凝土和易性的影響不大，在摻量達(dá)到 20% 以后會使混凝土和易性略有提升。

3.2.2 鋼渣粉混凝土體積安定性

將鋼渣粉以 30% 摻量摻入到混凝土當(dāng)中，制成150mm×150mm×150mm 試塊，然后對其長寬高定期進(jìn)行檢測，觀察其體積是否會發(fā)生變化，結(jié)果見表 4。

表4 鋼渣粉混凝土的體積安定性

從試驗結(jié)果可以看出，摻入鋼渣粉后，混凝土的體積穩(wěn)定性到 38 天位置未發(fā)生任何變化，基本保持穩(wěn)定。

3.2.3 鋼渣粉混凝土抗壓強(qiáng)度

將制成的混凝土試塊分別養(yǎng)護(hù)至 7d、28d，然后對其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表 5。

表5 鋼渣粉摻量對混凝土強(qiáng)度的影響

圖10 鋼渣粉摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

通過觀察試驗結(jié)果可以看出，鋼渣粉的摻入會導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降，且摻量越高，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降越快；混凝土的 3d、7d 強(qiáng)度相較于 28d 強(qiáng)度來說，隨著鋼渣粉的摻量增高其抗壓強(qiáng)度下降幅度越大，也就是說，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土的早期強(qiáng)度受影響最大，后期強(qiáng)度反而影響不大，但摻量過高時，其后期強(qiáng)度也會迅速下降。這主要是由于鋼渣粉與水泥相比，其水化速率相對而言較慢[3]，因此混凝土?xí)r間早期強(qiáng)度的下降幅度隨著鋼渣粉的摻量增加而增大，隨著時間的增加，鋼渣粉逐漸水化完全，其強(qiáng)度也隨之增加，因而后期強(qiáng)度較高，下降幅度較??；但是由于鋼渣中含有部分游離氧化鈣和游離氧化鎂，當(dāng)鋼渣粉摻量低時，這些物質(zhì)逐漸消解完全，因而對強(qiáng)度的影響較小，但當(dāng)鋼渣粉摻量高時，其無法被完全消解，因此會導(dǎo)致混凝土的 28d 強(qiáng)度迅速下降。

4 結(jié)論

（1）由于鋼渣粉中含有硅酸三鈣和硅酸二鈣等類熟料礦物，雖然其早強(qiáng)水化反應(yīng)速率較慢，導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度較低，但隨著時間的增加，鋼渣粉水化逐漸完全，混凝土強(qiáng)度會隨之升高。鋼渣粉的水化活性高于粉煤灰，所以鋼渣膠砂的 28d 強(qiáng)度相對粉煤灰而言均有小幅度的增長，說明鋼渣粉可以作為一種新的礦物摻合料加入到混凝土中。

（2）摻入鋼渣粉后，混凝土的拌合物性能基本不會發(fā)生變化，當(dāng)摻量達(dá)到 20% 以后，混凝土的和易性會略有上升；鋼渣粉摻量為 30% 時基本不會對混凝土的體積穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語

目前自然資源的消耗和生態(tài)環(huán)境的污染問題受到了社會各界的廣泛關(guān)注。一方面，作為工業(yè)固體廢棄物的鋼渣大量堆積、填埋造成了大量的土地被占用，環(huán)境被污染；另一方面，隨著混凝土需求量的日益增加，各種礦物摻合料的需求量也越來越大，而傳統(tǒng)的礦物摻合料產(chǎn)量逐漸跟不上需求量。將鋼渣粉摻入到混凝土中，不僅解決了鋼渣大量堆積造成的環(huán)境污染問題，還解決了混凝土摻合料產(chǎn)量跟不上的問題，具有環(huán)境和社會效益的優(yōu)勢。