鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土制備方法及性能研究

樊俊江 於林鋒 王 林

(1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司,上海 200032;2.上海寶鋼新型建材科技有限公司,上海 200942)

鋼渣是我國大宗工業(yè)固廢之一,在建材行業(yè)中主要作為摻合料用在混凝土中[1-2],也有學(xué)者將鋼渣骨料用于結(jié)構(gòu)混凝土,但由于游離CaO和游離MgO等不安定組分的存在,應(yīng)用效果并不理想,工程事故頻發(fā)[3-5]。因此,專家學(xué)者們一致認(rèn)為鋼渣骨料在結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用應(yīng)慎重[6]。

水工生態(tài)框是一種通過預(yù)制混凝土塊制成的擋墻系統(tǒng),多見于邊坡防護(hù),起到透氣、透水、固土等作用,內(nèi)部可種植物?？紤]到水工生態(tài)框是非結(jié)構(gòu)類混凝土,并且有植物消解和固化作用,鋼渣的安定性問題對(duì)其影響較小,因此可考慮將鋼渣骨料用于制備水工生態(tài)框混凝土[7]。雖然水工生態(tài)框混凝土在安定性方面要求相對(duì)較低,但需要在特制的模具中成型。此外,所拌制的鋼渣混凝土應(yīng)具有良好的和易性,不出現(xiàn)離析等問題。

鋼鐵廠的鋼渣經(jīng)初步破碎處理后,顆粒粒徑分布不均,既有類似于粗骨料的粗顆粒[8-11],也有類似于細(xì)骨料的細(xì)顆粒[12],且不同批次鋼渣顆粒大小的比例變化非常大,單獨(dú)取代砂或者石都會(huì)造成骨料級(jí)配不佳,拌合物和易性下降。如果預(yù)先將鋼渣骨料進(jìn)行篩分整形等深加工,則需要增加大量的能耗,降低利用的附加值。因此,本文以寶鋼鋼渣骨料為對(duì)象,研究一種對(duì)于任意來源的鋼渣骨料均能配制出較好拌合物性能的鋼渣混凝土的制備方法,在此基礎(chǔ)上從強(qiáng)度、耐久性和安定性等角度分析鋼渣骨料在水工生態(tài)框混凝土中的最大摻量,從而制備大摻量的鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)水泥。上海金山南方水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of cement

(2)粉煤灰。協(xié)鑫發(fā)電有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,主要性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance indexes of fly ash

(3)礦渣粉。上海寶田新型建材有限公司生產(chǎn)的S95礦渣粉,主要性能指標(biāo)見表3。

表3 礦渣粉主要性能指標(biāo)Table 3 Main performance indexes of slag powder

(4)天然中砂。細(xì)度模數(shù)為2.7的天然河砂。

(5)碎石。5～25 mm連續(xù)級(jí)配的凝灰?guī)r碎石。

(6)鋼渣骨料。由上海寶鋼鋼渣經(jīng)熱燜工藝處理得到,主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表4,物相分析結(jié)果見圖1。鋼渣骨料的表觀密度為3 450kg/m3,吸水率2.9%,f-CaO含量為0.42%,壓蒸膨脹率為0.03%,壓蒸粉化率為1.2%。

圖1 鋼渣骨料XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of steel slag aggregate

表4 鋼渣骨料主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 4 Analysis results of the main chemical composition of steel slag aggregate %

(7)減水劑。減水劑為上海麥斯特建工高科技建筑化工有限公司生產(chǎn)的8860高性能聚羧酸減水劑,減水率為26%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鋼渣骨料顆粒級(jí)配

鋼渣骨料顆粒既有類似于粗骨料的粗顆粒也有類似于細(xì)骨料的細(xì)顆粒[13],與粗骨料相比,細(xì)顆粒(-9.5 mm)含量遠(yuǎn)大于普通碎石;與細(xì)骨料相比,粗顆粒(+4.75 mm)含量遠(yuǎn)大于普通砂。因此鋼渣骨料的級(jí)配試驗(yàn)方法宜參照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006),結(jié)合碎石篩分和砂篩分試驗(yàn)方法進(jìn)行。

首先稱取20 kg鋼渣骨料,通過篩孔尺寸為9.5 mm的方孔篩,從篩上物料中稱取5 kg按碎石篩分析試驗(yàn)方法進(jìn)行顆粒級(jí)配分析,從篩下物料中稱取500 g按砂篩分析試驗(yàn)方法進(jìn)行顆粒級(jí)配分析。將鋼渣骨料粗顆粒和細(xì)顆粒的篩分析試驗(yàn)結(jié)果按粗顆粒和細(xì)顆粒在鋼渣骨料中的原始相對(duì)比例進(jìn)行換算,得到鋼渣骨料的顆粒級(jí)配。

1.2.2 鋼渣骨料混凝土壓蒸安定性

將普通碎石與鋼渣骨料篩分后僅保留5～10 mm粒級(jí)顆粒,按照相同的鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土配合比成型制作25 mm×25 mm×280 mm的試塊(每個(gè)配比成型3條),參照《水泥壓蒸安定性試驗(yàn)方法》(GB/T 750—1992),經(jīng) 2.0MPa壓力壓蒸6 h后測(cè)試其壓蒸膨脹率,并記錄試件表面狀態(tài)的變化情況。

1.2.3 鋼渣骨料混凝土性能

坍落度、拌合物表觀密度試驗(yàn)參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)進(jìn)行;抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行,成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,立方體混凝土試塊養(yǎng)護(hù)3、7、28 d齡期后測(cè)試抗壓強(qiáng)度;電通量試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行,測(cè)試56 d電通量。

2 鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土配合比確定方法

鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土的配合比確定可以工廠實(shí)際生產(chǎn)采用的水工生態(tài)框混凝土配合比為基準(zhǔn),采用鋼渣同時(shí)替代砂石的方式進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。鋼渣取代砂石骨料時(shí),應(yīng)注意以下2個(gè)方面的問題:

(1)應(yīng)以體積比例取代砂石骨料而不能采用質(zhì)量比例取代。鋼渣骨料的密度達(dá)到3.3～3.7 g/cm3,而天然砂石的密度僅為2.6～2.7 g/cm3,簡(jiǎn)單地以質(zhì)量百分比取代天然砂石骨料會(huì)造成單方混凝土配合比的實(shí)際體積達(dá)不到1 m3,單方膠凝材料用量、單方用水量等配合比參數(shù)出現(xiàn)變化。

(2)應(yīng)注意鋼渣骨料的顆粒級(jí)配與天然砂石的差異。鋼渣骨料中同時(shí)含有粗顆粒和細(xì)顆粒,但由于鋼渣骨料破碎過程中并未充分考慮級(jí)配問題,導(dǎo)致鋼渣中粗、細(xì)顆粒的級(jí)配與天然砂石有較大的差異?；炷僚浜媳却_定過程中應(yīng)考慮鋼渣取代砂石后,鋼渣細(xì)顆粒與原有的砂形成的復(fù)合細(xì)骨料和鋼渣粗骨料與原有的石子形成的復(fù)合粗骨料的級(jí)配合理性,防止混凝土出現(xiàn)和易性問題。

鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土的配比確定具體應(yīng)包括以下步驟:①對(duì)鋼渣骨料按上述顆粒級(jí)配試驗(yàn)方法進(jìn)行篩分,獲取+9.5 mm粒級(jí)顆粒、4.75～9.5 mm粒級(jí)顆粒以及-4.75 mm粒級(jí)顆粒含量。+9.5 mm粒級(jí)顆粒作為粗顆粒,-4.75 mm粒級(jí)顆粒作為細(xì)顆粒;4.75～9.5 mm粒級(jí)顆粒分為10份,1份計(jì)入細(xì)顆粒作為鋼渣細(xì)骨料,其余9份計(jì)入粗顆粒作為鋼渣細(xì)骨料。②將鋼渣細(xì)骨料和鋼渣粗骨料按參照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)中的碎石篩分和砂篩分試驗(yàn)方法各自重新計(jì)算級(jí)配,并與基準(zhǔn)配比中的砂石原材料級(jí)配進(jìn)行對(duì)比。③計(jì)算水工生態(tài)框基準(zhǔn)混凝土配比中天然砂石骨料的總體積。④設(shè)定鋼渣骨料取代砂石骨料的總體積比例,按鋼渣骨料中粗細(xì)骨料的相對(duì)比例,計(jì)算砂和石子各自被取代的體積比例。⑤根據(jù)鋼渣細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)和顆粒級(jí)配對(duì)砂石的取代比例進(jìn)行調(diào)整。⑥計(jì)算鋼渣骨料總質(zhì)量以及被取代后砂、石骨料的質(zhì)量,得到鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土配合比。

3 鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土配合比確定示例

3.1 鋼渣骨料的級(jí)配分析

對(duì)寶鋼鋼渣骨料進(jìn)行篩分試驗(yàn),顆粒級(jí)配如表5所示。鋼渣骨料中+9.5 mm粒級(jí)顆粒含量為14.5%,4.75～9.5 mm粒級(jí)顆粒含量為28.6%,-4.75 mm粒級(jí)顆粒含量為56.9%。將4.75～9.5 mm粒級(jí)顆粒的10%算作細(xì)顆粒,90%算作粗顆粒,則鋼渣骨料中粗、細(xì)顆粒的質(zhì)量比為59.8%∶40.2%,近似為 3 ∶2。

表5 鋼渣骨料顆粒級(jí)配Table 5 Particle gradation of steel slag aggregate

將鋼渣骨料中粗、細(xì)顆粒分開后單獨(dú)進(jìn)行級(jí)配分析,結(jié)果如表6、表7所示。

表6 鋼渣骨料粗顆粒級(jí)配Table 6 Particle gradation of coarse grain part of steel slag aggregate

表7 鋼渣骨料細(xì)顆粒級(jí)配Table 7 Particle gradation of fine grain part of steel slag aggregate

由表6可知,鋼渣骨料粗顆粒的級(jí)配介于5～16 mm連續(xù)級(jí)配和5～20 mm連續(xù)級(jí)配之間。與5～16 mm連續(xù)級(jí)配的石子相比,篩孔尺寸為19 mm時(shí)的累計(jì)篩余偏大;與5～20 mm連續(xù)級(jí)配的石子相比,篩孔尺寸為9.5mm時(shí)的累計(jì)篩余偏小。如果不是全部取代天然碎石,與常用的5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石復(fù)配后,粗骨料的級(jí)配可基本滿足5～25 mm或5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石的要求。

由表7可知,鋼渣骨料細(xì)顆粒的級(jí)配不滿足Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)或Ⅲ區(qū)要求,顆粒偏粗,其中篩孔尺寸為2.36mm時(shí)的累計(jì)篩余為65%,遠(yuǎn)大于Ⅰ區(qū)砂的要求。經(jīng)計(jì)算鋼渣骨料細(xì)顆粒部分的細(xì)度模數(shù)為4.4,遠(yuǎn)超出粗砂細(xì)度模數(shù)3.7～3.1的范圍,因此鋼渣骨料細(xì)顆粒需要與中砂進(jìn)行搭配使用。

以細(xì)度模數(shù)為2.7的Ⅱ區(qū)天然河砂為例,鋼渣細(xì)顆粒取代25%的河砂,取代后細(xì)骨料的顆粒級(jí)配能滿足Ⅱ區(qū)砂要求,細(xì)度模數(shù)不超過3.1;鋼渣細(xì)顆粒取代45%的河砂,取代后細(xì)骨料的顆粒級(jí)配能滿足Ⅰ區(qū)砂要求,細(xì)度模數(shù)為3.5。因此,要保證使用鋼渣替代砂后混凝土拌合物不因細(xì)骨料的級(jí)配不良而產(chǎn)生和易性問題,從顆粒級(jí)配的角度,鋼渣細(xì)顆粒取代砂的比例不宜超過25%,最高取代比例不應(yīng)超過45%。

3.2 不同體積取代比例鋼渣骨料混凝土的配合比計(jì)算

以某預(yù)制構(gòu)件廠現(xiàn)有的水工生態(tài)框配合比為基準(zhǔn),對(duì)鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)。水工生態(tài)框基準(zhǔn)混凝土配合比見表8。

表8 水工生態(tài)框混凝土基準(zhǔn)配合比Table 8 Standard mix proportion of hydraulic ecological frame concrete kg/m3

經(jīng)測(cè)試,砂的密度為2.65 g/cm3,碎石的密度為2.65 g/cm3,則單方水工生態(tài)框混凝土基準(zhǔn)配合比中砂的體積為0.276 m3,碎石的體積為0.414 m3,砂石總體積為0.69 m3。

設(shè)置鋼渣骨料對(duì)砂石總體積的取代比例為10%、20%、30%、40%、50%,則鋼渣骨料取代砂、石的各自比例如表9所示。

表9 不同總?cè)〈w積下鋼渣粗、細(xì)顆粒體積占比Table 9 Coarse and fine particles volume proportion of steel slag under different total substitution volume

由表9可知,當(dāng)鋼渣取代砂石的總體積比例小于40%時(shí),取代后鋼渣細(xì)顆粒占細(xì)骨料的比例不超過40%,不會(huì)出現(xiàn)級(jí)配不良的問題。當(dāng)鋼渣細(xì)顆粒取代砂的總體積比例達(dá)到50%時(shí),取代后鋼渣細(xì)顆粒占細(xì)骨料的比例達(dá)到50%,超過前述分析的取代限值(45%)。因此將取代后鋼渣細(xì)顆粒占細(xì)骨料的比例調(diào)整為45%,將部分細(xì)顆粒的取代體積轉(zhuǎn)移至粗顆粒的取代體積。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,對(duì)不同取代比例的鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)果如表10所示。

表10 鋼渣骨料水工生態(tài)框混凝土配合比Table 10 Mix proportion of hydraulic ecological frame concrete with steel slag aggregate

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 不同鋼渣骨料摻量混凝土拌合物的性能

對(duì)鋼渣骨料體積取代砂石比例為10%、20%、30%、40%和50%的水工生態(tài)框混凝土配合比成型混凝土,進(jìn)行混凝土拌合物初始坍落度、1 h坍落度損失和表觀密度測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 不同鋼渣骨料摻量水工生態(tài)框混凝土拌合物的性能Table 11 Mixture performance of hydraulic ecological frame concrete with different steel slag aggregate contents

由表11可知,從鋼渣骨料混凝土的拌合物性能來看,由于在配合比設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)鋼渣骨料的粒徑進(jìn)行了分析,并將其中的粗顆粒和細(xì)顆粒以合適比例取代砂和碎石,取代后骨料的整體級(jí)配合理,鋼渣骨料混凝土拌合物和易性良好,未出現(xiàn)任何泌水離析現(xiàn)象。當(dāng)鋼渣骨料體積取代砂石比例為30%時(shí),混凝土拌合物的初始坍落度降低至165 mm。這主要是由于鋼渣骨料的吸水率較大,導(dǎo)致水泥漿體中的拌合水減少,漿體流動(dòng)性下降。不同體積取代比例的鋼渣骨料混凝土拌合物1 h坍落度損失值均在100mm左右,高取代比例鋼渣骨料混凝土的初始坍落度較低,1 h后混凝土的坍落度僅為40～50 mm,坍落度偏低。實(shí)際應(yīng)用時(shí),大摻量的鋼渣骨料混凝土應(yīng)針對(duì)坍落度經(jīng)時(shí)損失大的問題對(duì)配比做進(jìn)一步調(diào)整。

4.2 不同鋼渣骨料摻量混凝土試塊的力學(xué)性能和耐久性能

對(duì)鋼渣骨料體積取代砂石比例為10%、20%、30%、40%和50%的水工生態(tài)框混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和電通量試驗(yàn),結(jié)果如表12所示。

由表12可知,摻加鋼渣骨料后,混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度有一定幅度的提升,鋼渣骨料的體積取代比例為10%～40%時(shí),28 d抗壓強(qiáng)度提升幅度約10%～15%;當(dāng)鋼渣骨料的體積取代比例為50%時(shí),28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了61.4 MPa。摻加鋼渣骨料后混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的提升,主要有3個(gè)方面的原因:①鋼渣骨料的吸水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碎石,在攪拌過程中部分拌合水被鋼渣骨料吸收,實(shí)際用于水泥水化的拌合水量減少,有效水膠比降低;②鋼渣中含有一定量的活性礦物質(zhì)(C3S、C2S以及鐵鋁酸鹽等),具有潛在的水化膠凝性[14],鋼渣骨料表面的水化產(chǎn)物可以填充鋼渣骨料與水泥漿體的界面過渡區(qū),使界面過渡區(qū)致密性得到改善[15];③鋼渣骨料表面粗糙,可以增加鋼渣骨料與水泥石之間的摩擦力和機(jī)械咬合力,鋼渣骨料多孔的特性可以使水泥漿體填充在鋼渣骨料表面的孔隙中,水泥漿體凝結(jié)硬化后形成一定的“錨固作用”[16],從而使混凝土試塊的強(qiáng)度有所提高[17-18]。

表12 不同鋼渣骨料摻量水工生態(tài)框混凝土試塊的力學(xué)性能和耐久性能Table 12 Mechanical properties and durability of hydraulic ecological frame concrete test block with different steel slag aggregate contents

耐久性指標(biāo)方面,由于有效水膠比的降低,水泥漿體的致密性提高,漿體孔結(jié)構(gòu)細(xì)化[19],電通量呈下降趨勢(shì)。當(dāng)鋼渣骨料的體積取代比例大于20%時(shí),混凝土試塊電通量降低至700 C以下,混凝土試塊的耐久性得到顯著提升。

4.3 不同鋼渣骨料摻量混凝土試塊的安定性

鋼渣骨料體積取代砂石比例為10%、20%、30%、40%和50%的水工生態(tài)框混凝土試塊的壓蒸安定性測(cè)試結(jié)果如表13所示,試塊壓蒸后外觀狀態(tài)如圖2所示。

圖2 不同鋼渣骨料摻量水工生態(tài)框混凝土試塊壓蒸后外觀狀態(tài)Fig.2 Appearance state of hydraulic ecological frame concrete test block with different steel slag aggregate content after autoclave

由表13可知,寶鋼鋼渣骨料以不同體積比例取代天然砂石后,水工生態(tài)框混凝土試塊壓蒸膨脹率無規(guī)律性的變化,總體在0.05%以下,遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的的限值要求(≤0.8%),這表明壓蒸膨脹率與鋼渣骨料摻量之間并不呈正比關(guān)系。但是,從試件壓蒸后的狀態(tài)來看,隨著鋼渣骨料摻量的提高,試塊表面破損程度呈現(xiàn)不斷加劇趨勢(shì),部分試塊甚至出現(xiàn)斷裂。因此,壓蒸膨脹率并不能作為評(píng)價(jià)安定性的唯一指標(biāo),試件壓蒸后的剝落破損狀態(tài)也是評(píng)價(jià)安定性好壞的依據(jù)[20]。當(dāng)鋼渣骨料體積摻量大于30%時(shí),試塊表面的剝落情況開始加劇,建議鋼渣骨料的摻量控制在30%以內(nèi)。

表13 不同鋼渣骨料摻量水工生態(tài)框混凝土試塊的安定性Table 13 Stability of hydraulic ecological frame concrete test block with different steel slag aggregate contents

綜上所述,對(duì)于未經(jīng)精細(xì)化加工處理的鋼渣骨料,通過粒徑分析將其中的粗顆粒和細(xì)顆粒以合理比例分別取代混凝土中的砂和石,并通過配合比設(shè)計(jì)方法優(yōu)化,在體積取代比例50%范圍內(nèi),可以制備出拌合物和易性良好的鋼渣骨料混凝土,適量鋼渣骨料取代天然砂石后,混凝土試塊的強(qiáng)度和耐久性提高,但體積取代比例大于30%后,混凝土安定性不良問題凸顯。實(shí)際應(yīng)用時(shí),可將此鋼渣骨料以30%的體積比例取代砂石后用于水工生態(tài)框等非結(jié)構(gòu)承載混凝土構(gòu)件。

5 結(jié) 論

(1)未經(jīng)精細(xì)化加工處理的鋼渣骨料既有類似于粗骨料的粗顆粒也有類似于細(xì)骨料的細(xì)顆粒,用于配制混凝土?xí)r,應(yīng)同時(shí)取代砂石,且應(yīng)根據(jù)鋼渣骨料中粗、細(xì)顆粒比例以及細(xì)顆粒的級(jí)配,確定對(duì)于基準(zhǔn)配合比中砂和石的合理取代比例。

(2)鋼渣骨料與普通砂石表觀密度存在較大的差異,在制備鋼渣骨料混凝土?xí)r,應(yīng)采用體積比例取代砂石。以寶鋼鋼渣骨料為例,體積取代比例不高于50%時(shí),取代后鋼渣細(xì)顆粒與天然中砂組成的復(fù)合細(xì)骨料以及鋼渣粗顆粒與碎石組成的復(fù)合粗骨料的級(jí)配均處于相對(duì)合理范圍,以此配制的鋼渣骨料混凝土拌合物和易性良好,強(qiáng)度和耐久性得到明顯提升。

(3)鋼渣骨料體積取代比例超過30%時(shí),鋼渣骨料混凝土安定性問題開始凸顯,建議即使用于水工生態(tài)框等非結(jié)構(gòu)承載且對(duì)表觀質(zhì)量要求不大的混凝土構(gòu)件,鋼渣骨料取代天然砂石的體積比例也不宜超過30%。