高強度鋼渣混凝土性能研究

謝維鵬

（廈門地鐵物資有限公司）

0 前言

環(huán)境和資源問題正成為影響我國經(jīng)濟快速發(fā)展的重要因素，而工業(yè)廢渣的再生利用是減少廢棄物排放量的有效途徑之一。作為工業(yè)廢渣之一的鋼鐵工業(yè)中的高爐礦渣，目前在我國已基本完成零排放，變?yōu)榛炷廉a(chǎn)業(yè)的重要材料，而與礦渣組成和結(jié)構(gòu)以及水硬性相似的同為鋼鐵工業(yè)廢棄物的鋼渣利用率卻長期處于低位。

在我國，全國煉鋼廠堆積的鋼渣總量數(shù)量龐大，每年堆積的數(shù)量以3000多萬噸的速度增長。這些鋼渣若得不到綜合治理或合理利用，就會大量占用土地，導致環(huán)境污染、資源浪費。將鋼渣取代部分水泥用于制備高強度混凝土，不僅可以改善混凝土的和易性，而且能提高其結(jié)構(gòu)致密性及力學強度，同時又使鋼渣得到了有效利用，保護環(huán)境，其經(jīng)濟和社會意義顯而易見[1-2]。

本試驗主要以不同的鋼渣摻量配制高強混凝土，分析鋼渣摻量對其流動性、強度和耐久性的影響，尋求高摻量鋼渣的高強度混凝土配合比，以減少水泥用量，降低工程成本。

1 試驗

1.1 原材料

采用52.5普通硅酸鹽水泥，5～25mm連續(xù)級配碎石作為粗骨料，細集料則采用細度模數(shù)為2.85的中河砂，以三鋼鋼渣作為混凝土摻合料。

1.2 試驗方法

混凝土流動性能按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080-2016）進行試驗；

力學性能按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019）進行試驗，其中抗壓強度試件標準尺寸為150mm×150mm×150mm。

干縮按《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150-2017）進行試驗。采用后埋測釘，待試件成型后，帶模養(yǎng)護1～2d后拆模，拆模后，對軸心測釘立即采用環(huán)氧樹脂或其他化學粘結(jié)劑進行加固。3d齡期后從標準養(yǎng)護室取出并立即移入干縮室測量初始長度，從移入干縮室測完初始長度后開始計算干縮齡期，在1、3、7、14、28、60、90、120、150、180d測量試件長度。

試樣編號按照鋼渣摻量比例來確定，具體見表1。

表1

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鋼渣摻合料對高強混凝土流動性能的影響

分別對不同摻量的鋼渣高強混凝土的性能進行測試。測定凝結(jié)時間時，用試驗篩將砂漿從混凝土拌合物中篩出，攪拌均勻，將砂漿一次性分別裝入三個試樣筒中，試樣筒為帶有蓋子的剛性不透水的金屬圓筒，圓筒尺寸為：上口內(nèi)徑160mm、下口內(nèi)徑150mm、凈高150mm。試驗從混凝土攪拌加水開始算起，每隔0.5h測量一次，在接近初凝和終凝時，縮短測量間隔時間。采用平面尺寸不小于1500mm×1500mm、厚度不小于3mm的鋼板測量混凝土塌落度[4]。試驗對比了不同摻量的鋼渣高強混凝土的初終凝時間以及塌落度，見表2。

從表2可以看出，當鋼渣部分取代高強混凝土中的水泥時，混凝土的初終凝結(jié)時間均有增加，特別是當取代量達到30%時，增加幅度非常大。這是由于鋼渣粉主要為球形微粒，這些顆?？梢詼p小骨料間的摩擦力，在骨料間起到潤滑作用，從而增加了水泥漿流動性，導致混凝土流動性增大。

表2 鋼渣的摻入對混凝土凝結(jié)時間和塌落度的影響

2.2 鋼渣摻合料對高強混凝土力學性能的影響

試驗對高強混凝土在不同摻量鋼渣下的力學性能進行測試，從抗壓強度和抗壓彈性模量這兩個參數(shù)的試驗對比來觀察不同摻量鋼渣對高強混凝土力學性能的影響，見表3、圖1、圖2。測定抗壓彈性模量時，采用150mm×150mm×300mm的棱柱體試件，按公式⑴計算[5]：

圖1 不同鋼渣摻量對混凝土抗壓強度的影響

Δn=εα-ε0

式中，

Ec——混凝土受壓彈性模量（MPa）；

Fα——應力為1/3軸心抗壓強度時的荷載（N）；

F0——應力為0.5 MPa時的荷載（N）；

εα——Fα時試件兩側(cè)變形的平均值(mm)；

ε0——F0時試件兩側(cè)變形的平均值(mm)。

從表3、圖1和圖2可以看出，隨著鋼渣摻量的不斷增加，混凝土的早期強度均有不同程度降低；當鋼渣摻量達到30%時，降低幅度非常大；但是當鋼渣摻量在10%時，混凝土強度降低很少，甚至當齡期90d時，強度還略高于無鋼渣混凝土的強度。這是由于鋼渣微粒早期基本不參與水泥水化反應，不影響混凝土需水量，當鋼渣摻量控制在一定程度時，鋼渣微?？商畛渌嘣缙谒粝碌目障?，從而減小空隙，提高混凝土強度，對混凝土后期強度發(fā)展有利。不同的鋼渣摻量對混凝土抗壓彈性模量的影響與抗壓強度是一致的。

圖2 不同鋼渣摻量對混凝土抗壓彈性模量的影響

表3 鋼渣摻入對混凝土抗壓強度和抗壓彈性模量的影響

2.3 鋼渣摻合料對高強混凝土耐久性能（干縮）的影響

表4為不同摻量的鋼渣對混凝土干燥收縮的影響分析，通過干燥收縮率來表示。試驗采用100mm×100mm×515mm的棱柱體試件，對不同齡期下的不同摻量的鋼渣高強混凝土進行測長，每個齡期測長時，重復測2次，取平均值。按照公式⑵計算干縮率[6]：

表4 鋼渣對混凝土耐久性能（干縮）的影響

式中，

εt——t天齡期時混凝土的干縮率；

Lt——t天齡期時試件的長度（mm）；

L0——試件的初始長度（mm）；

Δ——金屬測頭的長度。

從表4可以看出，隨著鋼渣摻量的不斷增加，相同齡期混凝土干縮率降低趨勢變緩；當鋼渣摻量在20%以內(nèi)時，混凝土干縮率降低最為明顯；當鋼渣摻量在20%～30%時，混凝土干縮率降低較少。另外，隨著齡期的增長，所有試驗混凝土試件干縮率均呈逐漸變大的趨勢，早期混凝土干縮率增長較快，后期增長趨于平緩，這主要由于鋼渣中含有一定量的CaO、MgO[3]，在水泥水化過程中發(fā)生化學反應，使體積產(chǎn)生小膨脹，在一定程度上補償了混凝土的收縮作用。

3 結(jié)論

在高強混凝土中加入部分鋼渣，可以顯著改善混凝土的流動性，隨著摻量的增大，流動性的改善越明顯，不過這會延長混凝土的凝結(jié)時間；鋼渣的摻入使得混凝土的早期強度較低，干縮率降低明顯，但隨著齡期的增長，混凝土后期強度增長較快，干縮率增長趨于平緩。