鋼渣集料對(duì)泡沫混凝土性能的影響分析

葉曉茜

（安徽華瓴建工集團(tuán)有限公司合肥包河區(qū)分公司， 安徽 合肥 230000）

在節(jié)約環(huán)保理念的影響下， 對(duì)鋼渣進(jìn)行優(yōu)化利用， 不僅能夠避免鋼渣廢棄帶來的環(huán)境污染， 同時(shí)能夠有效地緩解目前混凝土集料缺乏的情況。 相關(guān)研究人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋼渣集料的深度研究， 結(jié)合其對(duì)混凝土性能的影響， 調(diào)整鋼渣集料的加工方式， 從而提高混凝土的質(zhì)量， 優(yōu)化工程建筑施工質(zhì)量。

1 鋼渣的危害和利用現(xiàn)狀

鋼渣是鋼鐵制造過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品， 鋼渣受到煉鐵過程的影響， 其中的硅、 錳硫等雜質(zhì)在高溫條件下與氧氣反應(yīng)， 產(chǎn)生氧化硅、 氧化鎂、 氧化錳等材料， 在與水或溶劑進(jìn)行反應(yīng)過程中能夠生成鹽類物質(zhì)。 目前常見的鋼渣主要有兩種產(chǎn)生方式， 其一為堿性氧氣爐鋼渣， 該類型的鋼渣中成分與礦石類型以及煉鋼方式相關(guān)， 其中主要的成分為氧化鈣、 二氧化錳以及氧化鐵， 其含量分別為： 40% ～60%、 10% ～20%、 20%～30%， 同時(shí)含有少量的鎂、 鈉、 硫等氧化物。 由于礦渣中的氧化鈣含量較高， 使得其在與溶劑反應(yīng)時(shí)呈較高的堿性。 其二為電弧爐鋼渣， 該類型的鋼渣中主要含有硫鐵礦、 氧化鐵硫化碳等， 成分含量受到原料影響較大。

鋼渣對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較大， 鋼渣的產(chǎn)量相對(duì)較大， 因此需要大量的區(qū)域進(jìn)行堆放， 造成土地浪費(fèi)的同時(shí)， 容易對(duì)土地產(chǎn)生破壞。 鋼渣中含有重金屬和強(qiáng)堿性， 大量堆積的情況下不僅會(huì)破壞土地生態(tài)平衡，還會(huì)滲透到地下， 對(duì)地下水造成嚴(yán)重的污染。 受到污染的環(huán)境中重金屬含量超標(biāo)， 并且存在礦物沉淀情況， 無法在短時(shí)間內(nèi)有效處理， 在不斷擴(kuò)大的同時(shí)影響周圍環(huán)境安全。

我國粗鋼產(chǎn)量在世界排名靠前， 因此每年的鋼渣產(chǎn)量較多， 目前對(duì)鋼渣的主要利用方式是處理后用于道路建設(shè)、 煉鋼循環(huán)、 建筑材料以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面。 在環(huán)保政策的壓力下， 我國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)中鋼渣的利用率得到了有效地提升， 不僅促進(jìn)鋼鐵企業(yè)的發(fā)展， 同時(shí)對(duì)環(huán)境起到了較大的維護(hù)和保障。

2 泡沫混凝土的性能特點(diǎn)

泡沫混凝土又被稱為發(fā)泡混凝土， 其主要的形成原理是利用發(fā)泡劑產(chǎn)生大量泡沫， 并將泡沫與水泥土漿液混合， 使混凝土中存在大量的封閉氣孔， 從而使混凝土質(zhì)量減輕， 同時(shí)能夠提高保溫效果。 在泡沫混凝土中， 需要使用大量的發(fā)泡劑、 混凝土、 粉煤灰等材料， 由于其質(zhì)輕且保溫性能良好， 屬于良好的節(jié)能材料， 在現(xiàn)代化建筑行業(yè)中的使用較為廣泛。

泡沫混凝土具有以下特點(diǎn)： 1） 質(zhì)量輕， 發(fā)泡混凝土制備過程中混入大量氣泡， 在凝固后產(chǎn)生密封氣孔， 使得整體材料的密度較小， 目前在建筑中使用的泡沫混凝土密度為160kg/m。 使用該材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土能夠使建筑自重降低30%左右， 同時(shí)其節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為65%， 具有良好的使用前景； 2） 保溫性能良好， 在發(fā)泡混凝土中， 大量細(xì)小空隙能夠提高熱工性能， 提高阻熱效果， 從而提高保溫效果； 3） 耐火性，該材料屬于無機(jī)材料， 不具有可燃性， 因此耐火性良好。 此外多孔結(jié)構(gòu)能夠提高隔音減振效果， 在建筑施工過程中具有較強(qiáng)實(shí)用效果。

由于鋼渣的成分與水泥成分存在相似性， 在泡沫混凝土生產(chǎn)過程中， 使用鋼渣代替水泥生產(chǎn)泡沫混凝土， 能夠節(jié)約水泥的使用量， 同時(shí)提高鋼渣的利用率。 但由于二者的組成并不完全相同， 因此應(yīng)通過恰當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)影響泡沫混凝土性能的影響因素進(jìn)行分析， 結(jié)合分析結(jié)果對(duì)鋼渣進(jìn)行調(diào)整， 進(jìn)一步提高鋼渣泡沫混凝土質(zhì)量。

3 鋼渣集料對(duì)泡沫混凝土性能的影響研究

3.1 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)過程中主要材料包括： 鋼渣、 水泥、 水、 發(fā)泡劑、 粉煤灰。

本研究使用的鋼渣為某重點(diǎn)鋼鐵廠生產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐鋼渣， 鋼渣的主要成分為硅酸鈣， 成分組成與水泥相似， 具有一定的膠凝性， 因此能夠起到良好的凝結(jié)效果。 在實(shí)驗(yàn)前， 對(duì)鋼渣進(jìn)行處理， 使用球磨機(jī)研磨后進(jìn)行過篩， 得到處理完畢的鋼渣粉。 對(duì)鋼渣的基礎(chǔ)性質(zhì)進(jìn)行檢測。 對(duì)鋼渣的密度進(jìn)行測量， 取準(zhǔn)備完畢的鋼渣粉加水制備漿液， 使其與水的質(zhì)量比為1∶2.5，制備完畢后檢測pH值和含鐵量， 具體結(jié)果見表1。

表1 鋼渣基本性能

在選擇水泥時(shí)， 使用某水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R水泥， 該水泥符合相關(guān)的水泥生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)， 在使用前同樣需要對(duì)其基本性能進(jìn)行檢查如表2 所示。

表2 水泥基本性能

粉煤灰選擇的過程中， 使用Ⅰ級(jí)粉煤灰， 降低混凝土水熱化帶來的影響， 提高后續(xù)的檢測效果。 該級(jí)別粉煤灰的含水率在1.0%以內(nèi)， 需水量比小于95%，細(xì)度小于12%， 密度為1.9 ～2.9g/cm。

外加劑主要為發(fā)泡劑， 選擇烷基苯磺酸鈉作為發(fā)泡劑基礎(chǔ)材料， 并在其中添加氫氧化鈉作為穩(wěn)定劑。

實(shí)驗(yàn)過程中， 為確保實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行， 需要使用相應(yīng)的儀器設(shè)備， 主要包括： 測壓機(jī)、 球磨機(jī)、 干燥箱、 攪拌器、 分析儀、 振蕩器等。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 方案設(shè)計(jì)

本文主要研究鋼渣集料對(duì)泡沫混凝土性能的影響， 因此應(yīng)對(duì)鋼渣摻量進(jìn)行控制， 研究不同摻量下制造的泡沫混凝土性能變化情況。 首先， 分別使用不同比例的鋼渣和水泥制作相應(yīng)的泡沫混凝土， 通過調(diào)整配合比的方式， 生產(chǎn)不同類型的泡沫混凝土。 其次， 對(duì)泡沫混凝土性能進(jìn)行對(duì)比和分析。 最后， 綜合結(jié)果得出結(jié)論。

3.2.2 測試方法

為更好的對(duì)比和分析鋼渣集料的影響， 應(yīng)對(duì)成品泡沫混凝土試塊以下性能進(jìn)行檢測。

1） 應(yīng)對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。 使用測壓機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行加壓測量， 分別對(duì)試塊的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試， 每份材料測試3 次， 最終結(jié)果取平均值。 計(jì)算抗壓強(qiáng)度時(shí)， 使用公式。

其中P為抗壓強(qiáng)度， 單位（MPa）； F為導(dǎo)致試塊破碎的壓力， 單位（KN）； A為混凝土受壓力面積，單位（cm）。

2） 檢測泡沫混凝土的凝結(jié)時(shí)間。 使用凝結(jié)檢測設(shè)備， 對(duì)混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間進(jìn)行檢測， 并記錄結(jié)果。

3） 檢測混凝土的吸水率。 使用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式不同配比的泡沫混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)， 在混凝土試樣終凝后， 對(duì)其進(jìn)行取芯和測量， 保持混凝土芯直徑高度相同， 將混凝土芯樣進(jìn)行烘干， 取出冷卻后測量稱重。將其放置到室溫水面以下， 浸泡半小時(shí)后， 將表面水分擦除測量重量。 使用公式。

其中f為吸水率， 單位（%）； w為干燥混凝土芯樣重量， 單位（g）； w為浸泡半小時(shí)后混凝土重量， 單位（g）。

4） 對(duì)混凝土的收縮膨脹率進(jìn)行測試。 規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸為L， 在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下， 在第1、 7、 14、28d 分別對(duì)試樣的長度尺寸進(jìn)行測量， 使用公式測量其不同期齡下的收縮率。

其中ε為收縮膨脹率， 單位（%）； L為第t天的試樣長度， 單位（mm）； L為第一天的試樣長度， 單位（mm）。

5） 對(duì)鋼渣細(xì)度進(jìn)行測量， 使用不同粒徑的孔篩對(duì)鋼渣進(jìn)行過濾， 得到不同細(xì)度的鋼渣， 使用不同細(xì)度的鋼渣進(jìn)行試驗(yàn)， 對(duì)其性能進(jìn)行的測試。

3.2.3 材料制備

制備泡沫混凝土?xí)r， 應(yīng)按照不同的配比進(jìn)行分別制備。 對(duì)鋼渣粉和水泥的加入量進(jìn)行控制， 保持水料比、 發(fā)泡劑和水的用量不變。 在水料比不變的情況下， 對(duì)鋼渣粉和水泥加入量進(jìn)行計(jì)算， 其摻量在10%～60%范圍內(nèi)進(jìn)行劃分， 為避免水料比發(fā)生變化， 應(yīng)通過細(xì)沙等干物料進(jìn)行綜合使用， 以保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)和測量， 并對(duì)結(jié)果進(jìn)行整合與分析。 在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)混凝土的坍落度等參數(shù)進(jìn)行測量。

3.3.1 鋼渣摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

首先， 對(duì)不同鋼渣摻量下泡沫混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測量。 使用壓力測試機(jī)器對(duì)試樣的強(qiáng)度進(jìn)行檢測， 調(diào)整設(shè)備的壓力加載速度， 保持每秒0.6MPa的速度進(jìn)行觀察。 對(duì)不同摻量試樣在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試， 選擇時(shí)間的7、 14、 28d， 根據(jù)不同時(shí)期強(qiáng)度的增長情況， 進(jìn)行對(duì)比。

以養(yǎng)護(hù)7d 后抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行分析， 10% -60%摻量變化時(shí)， 其抗壓強(qiáng)度增長量從2.98%增長到8.16%。 對(duì)摻量為60%的混凝土測試結(jié)果進(jìn)行觀察，其抗壓強(qiáng)度增長量從8.16%增長為12.93%。 通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 能夠得到， 在泡沫混凝土中， 鋼渣摻量不斷增加的過程中， 其抗壓強(qiáng)度增長量在逐漸提高；在鋼渣摻量不變的情況下， 抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而增大。 由于鋼渣中含有硫化碳等礦物質(zhì)， 在反應(yīng)過程中， 能夠產(chǎn)生膠結(jié)效果， 因此在礦渣摻量增加的同時(shí)， 其強(qiáng)度有所提高。 同時(shí)， 礦渣摻量增加時(shí)， 其中集料的含量減少， 由于鋼渣表面粗糙且具有一定吸水性， 使得其在凝結(jié)過程中， 不斷吸收混凝土中的水分， 導(dǎo)致成形泡沫混凝土中含水量減少， 從而使整體強(qiáng)度不斷增加。

其次， 對(duì)不同鋼渣摻量下泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試。 與抗壓性能檢測類似， 統(tǒng)一試樣的大小和規(guī)格， 并在不同養(yǎng)護(hù)周期下進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試， 并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。

通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析， 混凝土中， 隨著鋼渣摻量不斷增加， 其抗折強(qiáng)度在不斷提升； 在相同摻量下， 養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長， 其抗折強(qiáng)度越大。 造成該情況的主要原因與抗壓強(qiáng)度變化相同， 隨著抗壓強(qiáng)度的提升， 試樣的抗折強(qiáng)度得到提高。

最后， 對(duì)鋼渣泡沫混凝土的耐久性能進(jìn)行測試。耐久性能主要分為抗凍性和抗氯離子滲透性。 抗凍性測試方式為： 觀察測量不同鋼渣摻量下的泡沫混凝土快速凍融條件下的變形情況， 計(jì)算其彈性模量， 對(duì)比彈性模量的變化情況， 從而得到材料的抗凍性。 抗凍性越強(qiáng)， 其在自然環(huán)境中的耐久性越強(qiáng)， 受環(huán)境溫度的影響越小。 抗氯離子滲透性測試方法為： 將不同摻量下的試樣剖開， 并在斷面涂抹硝酸銀指示劑， 觀察15min 后對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行進(jìn)行檢測。

通過實(shí)驗(yàn)觀察， 得到在凍融次數(shù)增加的過程中，所有試樣的彈性模量均有一定程度的降低。 其中鋼渣摻量越大， 試樣彈性模量越大； 在摻量相同時(shí)， 其彈性模量隨著凍融次數(shù)增加而降低。 這是由于在凍融過程中， 鋼渣含量越大， 其產(chǎn)生的水化反應(yīng)越強(qiáng)， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊密， 孔隙越少， 因此受到凍融影響越小。

觀察混凝土抗氯離子滲透性時(shí)， 其中鋼渣含量越大，抗氯離子系數(shù)越高， 具有更強(qiáng)的抗氯離子滲透能力。

3.3.2 鋼渣細(xì)度對(duì)泡沫混凝土性能影響

將鋼材摻量固定為20%、 發(fā)泡劑摻量為3%， 并將鋼渣的細(xì)度（單位m/kg） 分為： 350、 450、 550、650 四個(gè)級(jí)別。 按照計(jì)量稱量的方式制備泡沫混凝土，并對(duì)不同齡期的混凝土性能進(jìn)行檢測和分析。

對(duì)不同細(xì)度鋼渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試， 分別在養(yǎng)護(hù)3d、 7d、 14d 和28d 內(nèi)對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試， 具體結(jié)果見表3。

表3 不同鋼渣細(xì)度泡沫混凝土性能

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 在鋼渣細(xì)度變化的過程中， 其抗壓強(qiáng)度存在一定的變化， 但整體變化不明顯， 并且呈波動(dòng)趨勢(shì)。 在鋼渣摻量相同的情況下， 隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加， 其抗壓強(qiáng)度不斷增長。 在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下， 細(xì)度增加， 其抗壓強(qiáng)度呈先增后減的變化趨勢(shì)。 由于鋼渣的粒徑在一定程度上降低時(shí)， 水化反應(yīng)速度增加， 整體強(qiáng)度提高， 但在粒徑過小時(shí)， 其水化反應(yīng)速度下降， 導(dǎo)致整體強(qiáng)度下降。

對(duì)不同鋼渣細(xì)度的吸水率進(jìn)行分析。 使用不同細(xì)度的鋼渣制備混凝土試樣， 對(duì)試樣進(jìn)行取芯， 并進(jìn)行干燥測量， 將其置于水下半小時(shí)后取出測量， 將不同試樣養(yǎng)護(hù)7d、 14d、 28d 后進(jìn)行測量， 并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到， 隨著鋼渣粒徑不斷降低，其中的不斷降低， 這是由于粒徑減小時(shí)， 無法與水進(jìn)行充分的結(jié)合反應(yīng)， 導(dǎo)致整體的吸水率下降。 但在粒徑過大時(shí)， 其吸水率同樣呈降低趨勢(shì)， 由于粒徑增大， 無法提高水化反應(yīng)充分度， 進(jìn)而對(duì)試樣強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

綜上所述， 通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫揭韵陆Y(jié)論， 首先，使用鋼渣代替水泥配制發(fā)泡混凝土具有可信性， 鋼渣集料發(fā)泡混凝土同樣具有膠結(jié)性， 符合建筑標(biāo)準(zhǔn)要求。 其次， 在發(fā)泡劑、 鋼渣細(xì)度以及水料比相同時(shí)，隨著鋼渣摻量的不斷增加， 混凝土強(qiáng)度不斷提升。 最后， 在發(fā)泡劑和鋼渣摻量及水料比相同時(shí)， 鋼渣強(qiáng)度隨細(xì)度增加呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)。