鋼渣微粉路面混凝土流動(dòng)性及力學(xué)性能分析

田爾布，康海鑫 ，莊贊鵬

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，三明市 365004；2.福建省工程材料與結(jié)構(gòu)加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，三明學(xué)院，三明市 365004；3.三明市公路養(yǎng)護(hù)中心，三明市 365001）

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量10.53億t，居世界第一。鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致鋼渣的排放量逐年增長(zhǎng)，鋼渣產(chǎn)量是粗鋼產(chǎn)量的8%～15%，我國(guó)目前的鋼渣儲(chǔ)量已經(jīng)超過(guò)2億t[1]。

鋼渣是煉鋼過(guò)程中的一種副產(chǎn)品。鋼渣具有與水泥熟料相似的礦物組成成分及化學(xué)成分，致使其具有一定的膠凝活性[2-3]，但是鋼渣中存在的游離氧化鈣（f-CaO）和游離氧化鎂（f-MgO）會(huì)嚴(yán)重影響鋼渣的體積安定性[4-5]，且鋼渣中含有不易被研磨的鐵和鐵礦物，影響其活性作用，在混凝土工程上較少被使用。隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，可以通過(guò)不同方法：熱潑法、滾筒法、風(fēng)淬法、熱悶法等[6-8]等消除鋼渣安定性問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合磁選技術(shù)使得鋼渣中的鐵質(zhì)含量大大下降，這樣就能讓鋼渣的活性得以提高。

鋼渣顆粒作為骨料在路面基層進(jìn)行過(guò)應(yīng)用[4,9]，但是工程中易出現(xiàn)安定性問(wèn)題，效果不佳。任新濤、宋凱強(qiáng)利用萊鋼、日鋼鋼渣微粉進(jìn)行復(fù)摻粉煤灰、礦渣兩種摻合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，且對(duì)鋼渣微粉的活性、流動(dòng)性等進(jìn)行相關(guān)研究，無(wú)法直接說(shuō)明鋼渣微粉對(duì)水泥凈漿及路面混凝土的性能影響[10-11]；而孫家英利用寶鋼的鋼渣微粉進(jìn)行市政道路路用性能研究，其鋼渣微粉未進(jìn)行熱燜磁選，鋼渣的活性、比表面積等特性與經(jīng)過(guò)熱燜磁選鋼渣有很大的差異[12]。

因此本文利用熱燜磁選后的鋼渣微粉作為活性摻合料等量取代部分水泥，研究其在路面混凝土的工作性能及力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 水泥

水泥為福建省三明市的金牛牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥。其主要技術(shù)指標(biāo)及其化學(xué)成分見表1～2，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

表2 金牛牌P.O42.5水泥化學(xué)成分

1.2 鋼渣

鋼渣為經(jīng)過(guò)熱悶磁選的福建三鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的鋼渣。鋼渣的主要技術(shù)指標(biāo)及其化學(xué)成分見表3～4，鋼渣微粉活性指數(shù)達(dá)到二級(jí)。

表3 鋼渣的主要技術(shù)指標(biāo)

表4 鋼渣的化學(xué)組成成分

1.3 細(xì)集料

天然河砂，屬Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)集料的主要技術(shù)指標(biāo)見表5。

表5 細(xì)集料的主要技術(shù)指標(biāo)

1.4 粗集料

粗集料為：粒徑5～10 mm、10～31.5 mm的碎石混合成粒徑5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，粗集料的主要技術(shù)指標(biāo)見表6。

表6 粗集料的主要技術(shù)指標(biāo)

1.5 水

自來(lái)水。

1.6 減水劑

減水劑為聚羧酸系型高效減水劑，減水率為35%。根據(jù)GB/T 8077—2012《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗(yàn)方法》、GB 8076-2008《混凝土外加劑》的試驗(yàn)方法得到聚羧酸系型高效減水劑的主要的技術(shù)指標(biāo)，見表7。

表7 聚羧酸系型高效減水劑的主要技術(shù)指標(biāo)

1.7 配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)滿足JGJ 55—2019《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行鋼渣水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)，本文鋼渣微粉依次采用0%、10%、15%、20%等質(zhì)量百分比摻量替代水泥，混凝土配合比的設(shè)計(jì)結(jié)果見表8。

表8 混凝土配合比的設(shè)計(jì)結(jié)果

2 工作性能

2.1 鋼渣微粉對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響

鋼渣微粉摻量與減水劑摻量直接影響了混凝土的和易性。減水劑的摻量可以通過(guò)水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)進(jìn)行確定。根據(jù)GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)，鋼渣微粉摻量為0%、10%、15%、20%，減水劑的摻量分別為：0%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%、1.3%、1.5%、1.7%、1.8%、1.9%。 不同摻量下的水泥凈漿流動(dòng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同鋼渣微粉摻量的水泥凈漿流動(dòng)度

由圖1可知，不論鋼渣微粉的摻量為多少，水泥凈漿流動(dòng)度隨著聚羧酸系型高效減水劑的增加整體呈上升的趨勢(shì)，最終趨于平緩。鋼渣微粉摻量的不同，水泥凈漿流動(dòng)度達(dá)到最大值的減水劑摻量也明顯不同，分別為：1.1%、1.3%、1.5%、1.5%。說(shuō)明隨著鋼渣微粉摻量增加，凈漿的流動(dòng)性減小，主要是因?yàn)殇撛⒎鄣谋缺砻娣e大于水泥的比表面積，鋼渣微粉顆粒比水泥更細(xì)，需水量更大，需要有更多憎水性功能團(tuán)分散鋼渣微粉顆粒，因此要摻加更多的減水劑。為了保證減水劑摻量足夠量，鋼渣微粉摻量控制在20%以內(nèi)，高效減水劑摻量均取1.5%，所有試驗(yàn)均能達(dá)到最大的流動(dòng)度。

2.2 鋼渣微粉對(duì)混凝土拌合物坍落度的影響

根據(jù)試驗(yàn)，記錄混凝土拌合物在不同的鋼渣微粉摻量下的坍落度數(shù)據(jù)，具體試驗(yàn)結(jié)果見表9、圖2。

表9 各組混凝土拌合物的坍落度數(shù)值

圖2 混凝土拌合物坍落度隨時(shí)間變化的曲線

由圖2可知，混凝土拌合物坍落度均隨著時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)。但是隨著鋼渣微粉摻量增加，混凝土拌合物坍落度卻呈現(xiàn)先減小后增大、再減小趨勢(shì)，且鋼渣微粉摻量為15%和20%的坍落度均大于摻量為10%的相應(yīng)坍落度，鋼渣微粉摻量為10%的混凝土拌合物坍落度最小。由于鋼渣微粉的比表面積比水泥的大，在等量取代水泥情況下，拌合物需水量會(huì)隨著鋼渣微粉摻量增加而增大；在拌合物用水量一定的情況下，拌合物的坍落度就逐漸下降；當(dāng)鋼渣微粉摻量超過(guò)10%時(shí)，由于鋼渣中玻璃體微珠（鋼渣在急劇降溫、熱燜、磁選研磨生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)形成一定量玻璃體微珠）數(shù)量足夠多時(shí)，起到促進(jìn)拌合物流動(dòng)作用，導(dǎo)致拌合物坍落度增大；隨著鋼渣微粉摻量超過(guò)15%時(shí)，因鋼渣微粉比表面積大，拌合物需水量增大，玻璃體微珠起到流動(dòng)性下降作用，促使了拌合物流動(dòng)性又開始下降。

3 力學(xué)性能

3.1 試驗(yàn)

根據(jù)（JTG 3420—2020）《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，制作標(biāo)準(zhǔn)尺寸150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊和標(biāo)準(zhǔn)尺寸150 mm×150 mm×550 mm菱柱體試塊，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與測(cè)試；并按照 （JTG3450—2019）《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》在水泥混凝土路面現(xiàn)場(chǎng)取標(biāo)準(zhǔn)尺寸φ150×150mm圓柱劈裂抗拉強(qiáng)度芯樣，按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與測(cè)試。

3.1 抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及混凝土菱柱體抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果見表10。

由表10可知，混凝土抗壓強(qiáng)度在不同的鋼渣微粉摻量條件下整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。抗壓強(qiáng)度均大于50 MPa，抗彎拉強(qiáng)度均大于5.0 MPa，滿足“極重、特重、重”級(jí)交通荷載等級(jí)要求。雖然隨著鋼渣微粉摻量增加，抗彎拉強(qiáng)度最大下降了11%，但是混凝土抗壓和抗彎拉強(qiáng)度均能滿足要求，主要是因?yàn)殇撛⒎蹍⑴c水泥的二次水化反應(yīng)，致使混凝土后期強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)發(fā)揮了作用。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果與分析

取芯樣并進(jìn)行路面混凝土抗劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表11、圖3。

從表11可以看出，相同摻量鋼渣微粉混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，在28d齡期時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度均大于等于5.0 MPa，與表10的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果相比，差異很小，說(shuō)明室內(nèi)外的試驗(yàn)結(jié)果相符。從圖3可知，鋼渣微粉摻量為0%、20%的曲線斜率明顯大于摻量為10%、15%的曲線斜率，且摻量20%的曲線明顯低于其他摻量的曲線，說(shuō)明鋼渣鋼渣微粉摻量超過(guò)15%后，鋼渣微粉的活性指數(shù)較低，僅達(dá)到二級(jí)，不僅影響混凝土早期劈裂彎拉強(qiáng)度產(chǎn)生，還影響后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)；從水化反應(yīng)上，說(shuō)明只有部分鋼渣微粉參與二次水化反應(yīng)，直接影響混凝土后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)。

表10 不同鋼渣微粉摻量的混凝土抗壓抗彎拉強(qiáng)度

表11 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值

圖3 不同鋼渣微粉摻量的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

4 結(jié)論

通過(guò)鋼渣微粉取代水泥進(jìn)行水泥凈漿流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)、混凝土流動(dòng)性、力學(xué)性能及試驗(yàn)路取芯劈裂彎拉等實(shí)驗(yàn)的測(cè)試與分析，可得如下結(jié)論：

1、鋼渣微粉活性指數(shù)為二級(jí)；鋼渣微粉摻量為20%以內(nèi)時(shí)，高效減水劑摻量取1.5%，水泥凈漿流動(dòng)性均能達(dá)到最大。

2、隨著鋼渣微粉摻量增加，混凝土拌合物坍落度卻呈現(xiàn)先減小后增大、再減小趨勢(shì)，鋼渣微粉摻量為10%的混凝土拌合物坍落度最小。

3、在鋼渣微粉摻量20%內(nèi)，路面混凝土力學(xué)性能達(dá)到“極重、特重、重”級(jí)交通荷載等級(jí)要求；鋼渣微粉摻量超過(guò)15%后，只有部分鋼渣微粉參與二次水化反應(yīng)，不僅影響混凝土早期劈裂彎拉強(qiáng)度產(chǎn)生，還影響后期強(qiáng)度增長(zhǎng)，建議鋼渣微粉的最佳摻量為10%～15%。