鋼渣細骨料泡沫混凝土的制備及性能

王 浩 ，項國圣 ，李華健

(安徽工業(yè)大學 建筑工程學院, 安徽 馬鞍山 243032)

泡沫混凝土(foam concrete，F(xiàn)C)是一種通過發(fā)泡劑將空氣截留在漿體中的輕質混凝土[1]，具有流動性高、水泥含量低、集料消耗少、質量輕和隔熱性能好等優(yōu)點，被廣泛用于外墻保溫隔熱[2]、屋面保溫[3]、室內(nèi)地面保溫和橋空洞填充[4]等方面。鋼渣作為鋼鐵生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，產(chǎn)量大(為粗鋼的15%～20%)，但綜合利用率低，大量鋼渣被填埋或堆放，不僅嚴重污染環(huán)境且造成資源浪費[5]。鋼渣與硅酸鹽水泥的成分相似，也具有一定的膠凝性，可部分取代水泥。因此，將鋼渣用于制備混凝土，變固廢為資源，是實現(xiàn)鋼渣再生循環(huán)利用的一種新途徑，對促進綠色發(fā)展、推動碳達峰、碳中和具有重要意義[6-8]。

越來越多的學者采用鋼渣部分取代水泥制備混凝土，研究其對混凝土力學性能的影響。袁振等[9]、回麗麗等[10]研究表明，水泥中摻入適量的鋼渣可降低混凝土的放熱量，減少FC 因熱應力而產(chǎn)生的裂縫，一定程度上可改善FC 的力學性能；黃偉等[11]研究表明，在混凝土中摻入鋼渣有利于膠凝材料的生成，混凝土結構更密實、穩(wěn)定；張耄耋等[12]、Qasrawi 等[13]研究表明，鋼渣與水泥具有協(xié)同作用，一定程度上可提高鋼渣泡沫混凝土(steel slag foamed concrete, SSFC)的后期強度；周學軍等[14]研究表明，鋼渣摻量和水膠比對SSFC 的導熱系數(shù)、抗壓強度影響較大。但目前學者多采用鋼渣微粉替代水泥，鋼渣細骨料替代部分水泥制備SSFC，可減少化學激發(fā)和超細粉磨步驟，降低工程成本，利于實現(xiàn)鋼渣的大宗量使用[15-16]。鑒于此，選用鋼渣細骨料替代部分水泥制備SSFC，研究鋼渣取代量(鋼渣與鋼渣、水泥總質量比，下同)、鋼渣粒徑及水膠比(水與鋼渣、水泥總質量比，下同)對SSFC 力學性能和導熱性能的影響，以期進一步促進鋼渣的循環(huán)利用。

1 試 驗

1.1 原料

安徽海螺牌P.O 42.5 級普通硅酸鹽水泥、安徽馬鞍山馬鋼鋼渣、自來水、武漢市某公司生產(chǎn)的發(fā)泡劑。水泥與鋼渣的的表觀密度分別為3 100，3 400 kg/m3，化學成分如表1。

表1 水泥和鋼渣的化學成分 w/%Tab.1 Chemical composition of cement and steel slag w/%

1.2 試驗過程

SSFC 制備流程及性能測試如圖1，依據(jù)固定原材料質量法設計試驗原料配合比，制備的SSFC 干密度為700 kg/m3。使用電子天平按設計比例稱取鋼渣、水泥與水，放入適當體積的容器中混合攪拌得水泥混合漿體，攪拌時間約3 min；將50 g 發(fā)泡劑與水按質量比1∶30 混合，使用泡沫制備機(HT-60 型，河南華泰新材科技股份有限公司)制備出穩(wěn)定細小泡沫。將制備的泡沫加入漿體中進行二次攪拌，制備出均勻的泡沫水泥混合漿體，將其澆筑到100 mm×100 mm×100 mm 的模具中1 d 后脫模，在自然養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至適當齡期后；將試件放入(60±5)℃的電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)內(nèi)烘干至4 h 內(nèi)質量無變化，取出冷卻至室溫，進行相應的性能測試。

圖1 SSFC 的制備流程及性能測試Fig.1 Preparation process and performance test of SSFC

1.2.1 優(yōu)選配比試驗

按圖1 所示流程制備SSFC，其中鋼渣取代量取10%，20%，30%，40%，50%；鋼渣粒徑取0.60，1.18，2.36 mm連續(xù)級配；鋼渣水膠比取0.35，0.40，0.45，0.50，0.55。參照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進行SSFC 試件抗壓強度試驗，測試不同鋼渣取代量、鋼渣粒徑及鋼渣水膠比下SSFC 試件的抗壓強度，通過分析不同因素下SSFC 抗壓強度變化趨勢，得出制備SSFC 的原料最優(yōu)配合比。

1.2.2 正交試驗

基于配比優(yōu)選試驗，設計L9(33)正交試驗。三因素的三水平分別為鋼渣粒徑0.60，1.18，2.36 mm 連續(xù)級配；鋼渣取代量20%，30%，40%；水膠比0.40，0.45，0.50。按圖1 所示流程制備不同因素、水平下的SSFC 試件。試件養(yǎng)護至齡期后，采用壓力試驗機(TYE-2000 型，無錫建儀儀器機械有限公司)，電動抗折試驗機(DKZ-6000 型，無錫建儀儀器機械有限公司)，掃描電子顯微鏡(JEM-6510 型)，導熱系數(shù)測試儀(TC3000E 型，西安夏溪電子科技有限公司)等，參照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》、GB/T 11968—2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》、GB/T 32064—2015《建筑用材料導熱系數(shù)和擴散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測試法》對試件進行相關性能測試。

2 結果與分析

2.1 SSFC 的優(yōu)選配合比

在水膠比(水與鋼渣、水泥總質量比，下同)0.45，鋼渣粒徑0.60，1.18，2.36 mm 條件下，鋼渣取代量與SSFC 試件抗壓強度的關系如圖2。由圖2 可看出：3 種粒徑下隨鋼渣取代量的增大，SSFC 的抗壓強度均呈先增后減的變化趨勢；鋼渣取代量為20%，30%，40%時的抗壓強度高于取代量為10%，50%，鋼渣摻量過小或過大時試件抗壓強度較低，鋼渣摻量適量時試件抗壓強度較高。這是因為水泥與鋼渣具有協(xié)同作用，可促進相互的水化反應，隨鋼渣摻量的增加，生成更多的膠凝物質，利于試件抗壓強度的提高，但隨鋼渣摻量的不斷增加，漿體易發(fā)生分層離析現(xiàn)象，氣泡分布不均勻，試件上下部分干體積密度不一致，結構疏松，導致試件易破壞，抗壓強度降低。

圖2 鋼渣取代量與SSFC 試件抗壓強度的關系Fig.2 Relationship between substitution amount of steel slag and compressive strength of SSFC specimens

鋼渣取代量為20%，30%，40%時，鋼渣粒徑、水膠比對鋼渣抗壓強度的影響如圖3。由圖3 可看出，不同鋼渣粒徑、鋼渣取代量下，SSFC 抗壓強度均隨水膠比增大呈先增后減的趨勢。水膠比較小時，水泥和鋼渣的水化反應不完全，生成的膠凝物質較少，且漿體的流動性較低，泡沫與漿體難以攪拌均勻，混合過程中泡沫易發(fā)生破裂，導致SSFC 抗壓強度較低；水膠比較大時，漿體流動性較大，氣泡易上移，漿體下沉，泡沫與漿體難以混合均勻，水膠比越大，沉降現(xiàn)象越明顯，甚至會發(fā)生分層現(xiàn)象，使試塊結構不穩(wěn)定、易破壞，導致SSFC 抗壓強度較低。鋼渣取代量為20%，30%，40%時，SSFC 的最優(yōu)抗壓強度對應的水膠比和鋼渣粒徑均分別為0.45，1.18 mm。鋼渣粒徑過小時，鋼渣不能充當骨料給試塊提供足夠的強度；鋼渣粒徑過大時，大顆粒鋼渣之間的孔隙變大，大孔占比增多，試塊受壓時壓力易集中在大孔上，致使大孔先破裂，破裂的大孔過多時，試件易發(fā)生破壞，且漿體不能較好地包裹大顆粒鋼渣，鋼渣周邊生成的膠凝物質較少，結構疏松、不穩(wěn)定。

圖3 鋼渣取代量、鋼渣粒徑、水膠比對SSFC 試件抗壓強度的影響Fig.3 Influence of substitution amount of steel slag,particle size of steel slag, and water binder ratio on compressive strength of SSFC specimens

綜上，SSFC 試件的最優(yōu)配合比為鋼渣取代量20%、鋼渣粒徑1.18 mm、水膠比0.45，此時試件抗壓強度最大，為1.80 MPa。

2.2 不同因素對SSFC 抗壓強度影響的程度

基于配合比優(yōu)選試驗結果，設計的正交試驗結果及極差分析如表2，3。從表2，3 可看出：試件抗壓強度最大為1.80 MPa，最優(yōu)配合比為鋼渣取代量20%、鋼渣粒徑1.18 mm、水膠比0.45，與2.1 所示實驗結果一致；三因素對抗壓強度影響程度為鋼渣取代量＞鋼渣粒徑＞水膠比。

表2 正交試驗結果Tab.2 Orthogonal test results

表3 正交試驗極差分析結果Tab.3 Orthogonal test range analysis results

鋼渣粒徑1.18 mm、水膠比0.45 時，不同鋼渣取代量自然養(yǎng)護28 d SSFC 試件的掃描電子顯微鏡(scanning electronic microscopy, SEM)圖像如圖4。由圖4 可看出：鋼渣取代量為10%時，SSFC 的孔隙分布不均勻，大孔隙較多，孔隙結構變形較??；鋼渣取代量為20%時，孔隙分布較均勻、孔徑較小、大孔隙較少；鋼渣取代量為30%時，孔隙分布較均勻，大孔隙及連通孔隙較多，平均孔徑較大；鋼渣取代量為40%，50%時，孔隙分布不均勻，大孔隙與連通孔隙較多。由此可看出鋼渣的最優(yōu)取代量為20%。

2.3 鋼渣取代量對SSFC 力學性能的影響

由正交試驗結果可知，鋼渣取代量對SSFC 抗壓強度的影響最大。為研究SSFC 的適用性，探討鋼渣取代量對SSFC 的導熱性能、抗折強度、吸水率等力學性能的影響及最優(yōu)配合比SSFC 的水穩(wěn)定性。

2.3.1 導熱性能

鋼渣粒徑為1.18 mm、水膠比為0.45 時，鋼渣取代量與SSFC 試件導熱系數(shù)的關系曲線如圖5。由圖5可看出，試件的導熱系數(shù)隨鋼渣取代量的增大而減小。這是由于鋼渣的表觀密度大于水泥，試件干體積密度相同時，鋼渣取代量越大，其孔隙率越大；鋼渣細骨料起到骨架作用，可改變試件內(nèi)部孔隙結構，鋼渣取代量越大，試件連通孔隙率越大，致使SSFC 試件孔徑變大，結構疏松，導熱性能降低。最優(yōu)配合比下試件的導熱系數(shù)為0.167 3 W/(m·K)，滿足JG/T 266—2011《泡沫混凝土》要求的0.18 W/(m·K)，此條件下的制備的SSFC 可用作保溫材料。

圖5 鋼渣取代量與SSFC 試件導熱系數(shù)的關系Fig.5 Relationship between the substitution amount of steel slag and the thermal conductivity of SSFC specimens

2.3.2 抗折強度

鋼渣粒徑1.18 mm、水膠比0.45 時，鋼渣取代量與自然養(yǎng)護28 d SSFC 抗折強度的關系如圖6。由圖6 可看出：SSFC 的抗折強度隨鋼渣取代量的增加先增后減；鋼渣取代量為20%時，抗折強度最大，為1.02 MPa，大于文獻[17]中制備的FC 抗折強度。

圖6 鋼渣取代量與SSFC 試件抗折強度的關系Fig.6 Relationship between the substitution amount of steel slag and the flexural strength of SSFC specimens

2.3.3 吸水性

鋼渣粒徑1.18 mm、水膠比0.45 時，鋼渣取代量與SSFC 試件吸水率的關系如圖7。由圖7 可看出，此條件下制備的SSFC 吸水率隨鋼渣取代量的增加而增加，不同鋼渣取代量下SSFC 的吸水率在25%～35%之間變化。這是由于鋼渣發(fā)生水化反應時，會消耗更多的水分，導致鋼渣取代量越大吸水率越大。

圖7 鋼渣取代量與SSFC 試件吸水率的關系Fig.7 Relationship between the substitution amount of steel slag and the water absorption of SSFC specimens

2.3.4 水穩(wěn)定性

SSFC 在自然與浸水養(yǎng)護下SSFC 試件的抗壓強度如圖8。由圖8 可看出：在浸水和自然養(yǎng)護條件下試件的抗壓強度均隨養(yǎng)護時間的增長而逐漸增加，且養(yǎng)護28 d 后試件抗壓強度增幅較?。慌c自然養(yǎng)護相比，浸水養(yǎng)護試件抗壓強度均有所下降，養(yǎng)護齡期為7，14，28，60 d 時，浸水養(yǎng)護試件的強度分別為自然養(yǎng)護下試件強度的78.9%，81.2%，86.1%，86.8%。這是因為水具有軟化作用，浸水養(yǎng)護時，水分在SSFC毛細孔徑中的遷移削弱了晶體粒子間的黏結力，破壞了試件原有的內(nèi)部結構，致使浸水養(yǎng)護強度較低；養(yǎng)護時間越長，浸水養(yǎng)護試件中水泥與鋼渣水化越完全，生成的膠凝物質越多，兩者之間差距越來越小。由此表明SSFC 在長時間浸水條件下仍能保持一定的強度，水穩(wěn)定性較好。

圖8 養(yǎng)護時長與SSFC 試件抗壓強度的關系Fig.8 Relationship between the curing time amount of steel slag and compressive strength of SSFC specimens

綜上，最優(yōu)配合比時SSFC 導熱系數(shù)為0.167 3 W/(m·K)、抗折強度為1.02 MPa，吸水性與水穩(wěn)定性良好，具有較好的物理性能。

3 結 論

以鋼渣作為細骨料制備SSFC，探討鋼渣粒徑、鋼渣取代量和水膠比對SSFC 抗壓強度、抗折強度、導熱性、吸水率等力學性能的影響，主要結論如下：

1) SSFC 抗壓強度隨鋼渣取代量、鋼渣粒徑和水膠比的增加均呈先增后減的變化趨勢；制備SSFC 的最優(yōu)配合比為鋼渣粒徑1.18 mm、鋼渣取代量20%和水膠比0.45；三因素對SSFC 7 d 抗壓強度的影響程度為鋼渣取代量＞鋼渣粒徑＞水膠比。

2) 摻入適量的鋼渣可改善SSFC 孔隙結構，鋼渣粒徑1.18 mm、水膠比0.45 時，20%鋼渣取代量下的SSFC 平均孔徑最小、孔隙分布最均勻。

3) 隨鋼渣取代量的增大，SSFC 的導熱系數(shù)減小、抗折強度先增大后減小、吸水率增加，抗壓強度增大；最優(yōu)配合比時SSFC 導熱系數(shù)為0.167 3 W/(m·K)、抗折強度為1.02 MPa、吸水性良好，浸水養(yǎng)護60 d 的抗壓強度可達自然養(yǎng)護的86.8%，水穩(wěn)定性較好。