雙摻鋼渣混凝土的工作性能研究

馬兵輝，張星宇，劉自民，王成剛，4

（1.安徽同濟(jì)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心綜合利用研究所，安徽 馬鞍山 243000；4.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

1 引言

在我國(guó)，近些年來(lái)大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增加，所需混凝土用量加大，由于對(duì)天然砂石骨料的大量開(kāi)采，已對(duì)當(dāng)前的生態(tài)環(huán)境造成了許多不可逆轉(zhuǎn)的影響，并且隨著相關(guān)方面的法律越來(lái)越嚴(yán)格，近年來(lái)采用工業(yè)廢料替代傳統(tǒng)混凝土砂石骨料受到了更加廣泛的關(guān)注。鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，每生產(chǎn)一噸鋼渣就有10%～15%[1]的鋼渣，2021 年我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量約為10.33 萬(wàn)噸，鋼渣的產(chǎn)量更是超出1 億噸，且利用率只有30%左右[3]。用鋼渣代替天然砂石骨料，不但會(huì)讓鋼渣得到二次利用，還能降低由于鋼渣堆放而造成的環(huán)境污染。研究表明[4-7]，用鋼渣砂單獨(dú)取代細(xì)骨料，或者鋼渣石單獨(dú)取代粗骨料，能夠在一定程度上提高鋼渣混凝土的力學(xué)性能，但是卻會(huì)使其工作性能降低。文獻(xiàn)[8]用鋼渣石替代粗骨料，鋼渣粉替代水泥制作的雙摻鋼渣混凝土，對(duì)混凝土的強(qiáng)度有所提升，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。然而用鋼渣砂取代細(xì)骨料，鋼渣石取代粗骨料，制作雙摻鋼渣混凝土，在國(guó)內(nèi)外研究較少，因此，研究雙摻鋼渣混凝土的工作性能，對(duì)鋼渣混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用有著重要意義。

本文采用馬鞍山鋼鐵總廠300t轉(zhuǎn)爐渣熱悶工藝產(chǎn)生的鋼渣石取代天然石子，鋼渣砂取代天然砂，制備C30雙摻鋼渣混凝土，研究雙摻鋼渣對(duì)混凝土工作性能的影響。

2 原材料及其特性

2.1 水和水泥

試驗(yàn)用水均為合肥市自來(lái)水，水泥均為P.O.42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，由安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)，水泥和混凝土的強(qiáng)度關(guān)系如表1所示。

表1 水泥強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 河砂細(xì)骨料

本次研究所用河砂屬于中砂，并對(duì)河砂的指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 砂的主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.3 碎石粗骨料

本次試驗(yàn)所用粗骨料是天然石灰?guī)r碎石，并對(duì)其進(jìn)行了篩分，將粒徑控制在5～20mm 內(nèi)，并檢測(cè)了級(jí)配碎石的各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。

表3 天然粗集料的主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.4 鋼渣骨料

2.4.1 鋼渣骨料的來(lái)源

試驗(yàn)所用鋼渣石、砂是馬鞍山鋼鐵總廠300t 轉(zhuǎn)爐渣采用熱悶工藝產(chǎn)生的鋼渣。

2.4.2 鋼渣的化學(xué)成分

通過(guò)XRF 檢測(cè)方法，對(duì)試驗(yàn)所用鋼渣樣品進(jìn)行了送樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 鋼渣化學(xué)成分（%）

2.4.3 鋼渣砂和鋼渣石的級(jí)配設(shè)計(jì)與物理性能

鋼渣砂的粒徑為0.3～1.18mm 和1.18～4.75mm，鋼渣砂混合的比例為6:4，物理性能如表5 所示，試驗(yàn)所使用的鋼渣砂細(xì)集料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。鋼渣石粒徑為5～10mm 和10～20mm，鋼渣石混合的比例為4：6，依據(jù)混凝土碎石的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)了鋼渣石的相關(guān)物理特性，結(jié)果如表6所示。

表5 鋼渣砂的物理性能

表6 鋼渣石的物理性能

3 試驗(yàn)配合比

雙摻鋼渣混凝土配合比采用等質(zhì)量取代的方法，以鋼渣砂取代天然砂，鋼渣石取代普通石子。以普通混凝土配合比設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，獲得雙摻鋼渣混凝土的配合比。本次試驗(yàn)配置雙摻鋼渣混凝土分為三組，第一組是鋼渣砂、鋼渣石等比例取代，鋼渣砂、鋼渣石等質(zhì)量取代率分別為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、80%和100%。第二組是鋼渣石取代率固定為25%，鋼渣砂等質(zhì)量取代天然砂的比例分別為10%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、80%和100%。第三組是鋼渣砂取代率固定為25%，鋼渣石等質(zhì)量取代普通石子的比例分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、80% 和100%，雙摻鋼渣混凝土配合比如表7 所示。

表7 各組試塊配合比

4 測(cè)量方法

所采用的混凝土攪拌設(shè)備容量為60L的半自動(dòng)攪拌機(jī)，配合比采用表7中所設(shè)計(jì)的方案。首先倒入骨料及水泥，加水?dāng)嚢瑁浞謹(jǐn)嚢?～5min 后測(cè)其坍落度。

分批次將拌合物鏟入上、下、高分別為100mm、200mm、300mm 的坍落度測(cè)試筒中，將需要測(cè)試的混凝土分三次裝入，每次裝入后用力敲擊側(cè)壁，保證內(nèi)部密實(shí)無(wú)縫隙。裝密實(shí)混凝土后將塌落度桶拔出，內(nèi)部的混凝土?xí)驗(yàn)樽灾卦虍a(chǎn)生自然的塌落現(xiàn)象。用桶高數(shù)值減去塌落后混凝土最高點(diǎn)的高度，即為塌落度，比如差值為80，則該混凝土塌落度是80。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)試驗(yàn)，記錄普通混凝土拌合物和不同取代率雙摻鋼渣混凝土拌合物的坍落度數(shù)據(jù)。第一組雙摻鋼渣混凝土的坍落度數(shù)據(jù)如表8所示，并根據(jù)表8中數(shù)據(jù)繪制出了雙摻鋼渣混凝土隨著鋼渣砂、鋼渣石取代率增加其坍落度的變化曲線，如圖1所示。第二組雙摻鋼

表8 鋼渣砂鋼渣石等比例取代時(shí)試件的坍落度

圖1 坍落度隨鋼渣砂（石）取代率變化曲線

渣混凝土的坍落度數(shù)據(jù)如表9 所示，并根據(jù)表9 中數(shù)據(jù)繪制出了雙摻鋼渣混凝土隨著鋼渣砂取代率增加其坍落度的變化曲線，如圖2 所示。第三組雙摻鋼渣混凝土的坍落度如表10 所示。并根據(jù)表10 中數(shù)據(jù)繪制出了雙摻鋼渣混凝土隨著鋼渣石取代率增加其坍落度的變化曲線，如圖3所示。

圖2 坍落度隨鋼渣砂取代率變化曲線

圖3 坍落度隨鋼渣石取代率變化曲線

表9 鋼渣石取代率為25%時(shí)不同鋼渣砂取代率的坍落度

表10 鋼渣砂取代率為25%時(shí)不同鋼渣石取代率的坍落度

從表8-表10 和圖1-圖3 中可以看出。

①當(dāng)鋼渣砂、鋼渣石等比例取代時(shí)，雙摻鋼渣混凝土的坍落度隨著鋼渣砂、石取代率的增加而降低。

②當(dāng)鋼渣石取代率為25%，雙摻鋼渣混凝土的坍落度隨鋼渣砂取代率的增加而降低。

③當(dāng)鋼渣砂取代率為25%，雙摻鋼渣混凝土的坍落度隨鋼渣石取代率的增加而降低。

綜上所述，坍落度的損失與鋼渣砂、石的取代率成正相關(guān)，即雙摻混凝土坍落度的損失隨鋼渣砂、石取代率的提高而增大。

④C30 基準(zhǔn)混凝土的坍落度在110±20mm 之間，從表中可以看出，當(dāng)鋼渣砂或鋼渣石的取代率過(guò)大時(shí)，混凝土的坍落度就達(dá)不到該標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)影響混凝土的工作性能。由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)鋼渣砂、鋼渣石的取代率在40%以下時(shí)，混凝土的坍落度與普通混凝土相差不大，能夠滿足施工要求。

⑤試驗(yàn)結(jié)果與單摻鋼渣砂、鋼渣石所得結(jié)果基本一致，隨著取代率的增加，混凝土的坍落度隨之降低，因此添加鋼渣砂、鋼渣石對(duì)混凝土的工作性能有一定的不利影響。而對(duì)于單摻鋼渣砂、鋼渣石混凝土取代率一般在25%時(shí)，鋼渣混凝土的工作性能最接近普通混凝土，滿足施工要求，相比而言雙摻鋼渣混凝土的取代率可以做到更高，也就能最大程度的取代砂石骨料，對(duì)降低環(huán)境污染與廢物利用有著重要意義。

6 結(jié)論

①用鋼渣石、砂取代混凝土粗細(xì)骨料制作雙摻鋼渣混凝土對(duì)混凝土的工作性能有一定的不利影響；

②隨著鋼渣砂、鋼渣石取代率的增加，坍落度損失就越大；

③當(dāng)鋼渣砂、鋼渣石的取代率在40%以下時(shí)，能保障鋼渣混凝土的工作性能滿足施工要求。