用鋼渣代替河砂作為細集料配制自密實混凝土的性能試驗研究

肖明華

吉安市質量技術監督檢測中心 江西吉安 343000

自密實混凝土的發展極大地改變了混凝土的成型方法，并且使得混凝土具有更好的質量。同時，隨著天然砂尤其是優質河砂資源的日趨匱乏及環境保護的加強，亟待需要找一種可以替代河砂做細集料的原材料。鋼渣是煉鋼后排除的廢渣，對環境具有不好的影響，但是其質地堅硬，可以部分用來替代河砂作為細集料拌制混凝土。本文研究了鋼渣部分取代河砂對自密實混凝土力學性能和耐久性的性能，為鋼渣在自密實混凝土的應用提供技術支撐。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：分宜海螺水泥有限責任公司P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，3d抗壓強度為25.7MPa ，28d抗壓強度為50.6MPa。（2）粉煤灰：井岡山華能電廠F類Ⅱ級粉煤灰，細度（45μm篩篩余）25.1%，密度2.32g/cm3，需水量比94.1%。（3）鋼渣：新余鋼鐵廠鋼渣，細度模數2.73，密度2.50g/cm3，粒徑范圍0.16－5mm，化學組成如表1所示。（4）粗集料：吉安縣油田5.00－25.00mm連續級配花崗巖碎石，表觀密度2710kg/m3，壓碎指標值8.0%。（5）細集料：贛江天然河砂，表觀密度為2620kg/m3，細度模數為2.7，粒徑范圍0.16－5mm。（6）減水劑：某公司聚羧酸高性能減水劑，固含量18.3wt%，減水率28.4%。（7）配合比：28d齡期C30強度等級設計，分別用0wt%、10wt%、20wt%和30wt%的鋼渣替代部分河砂，配合比組成見表2。

1.2 試驗方法

流變性：混凝土坍落擴展度、V型漏斗試驗和L型箱試驗根據JGJ/T 283-2012技術規范進行。

力學性能：混凝土抗壓強度測試根據GB/T 50081-2002標準進行，試件尺寸為150mm×150mm×150mm ，分別測定標準養護7d、28d、90d和180d齡期混凝土的抗壓強度。

抗硫酸鹽侵蝕試驗：用試件尺寸為150mm×150mm×150mm，標準養護56d后，將試塊移入到（80± 5）°C的烘箱中放置48h，然后開始浸泡SO42—溶液（用5% Na2SO4溶液配制而成），進行干濕循環，平均每次干濕循環時間為48h，干濕循環次數n=0，30，60，90，120次。試驗結果以抗壓耐蝕系數來評定，計算公式如下：

式中：Kf —抗壓強度耐蝕系數； fcn—經過n次SO42—干濕循環侵蝕后試件的抗壓強度值；fc0為標準養護試件的抗壓強度值。

表1 鋼渣的化學組成(wt%)

表2 試驗混凝土配合比

表3 鋼渣對SCC流變性能的影響

2 結果與討論

2.1 流變性能

表3給出了S0－S30組SCC的流變性能參數對比。可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，SCC的擴展時間、V型漏斗流過時間和間隙通過性等參數呈逐漸增大的趨勢，說明鋼渣對SCC的流變性能產生了負面作用，這主要是因為：與天然河砂相比，鋼渣具有較大的吸水性且與集料之間具有較大的摩擦力，因此鋼渣作為細集料會造成新拌混凝土流變性能變差。

圖1 鋼渣摻量對自密實混凝土不同養護齡期抗壓強度的影響

2.2 力學性能

圖1是自密實混凝土不同養護齡期的抗壓強度隨鋼渣摻量變化曲線。從縱向看，各組混凝土的抗壓強度隨著養護齡期的增加都呈現不斷增加的趨勢。從橫向看，摻入鐵渣的S10、S20和S30各試驗齡期抗壓強度值相比純河砂S0組混凝土均有所增長，其中28d齡期抗壓強度增長率分別為11.4%、13.5%和8.1%，表明鋼渣的加入增大了自密實混凝土的抗壓強度，提高了混凝土體系的密實性。且隨著鋼渣摻量的增多，自密實混凝土的抗壓強度先增大后降低，S20的各齡期抗壓強度值最大，當鋼渣摻量增大或降低時，抗壓強度值均減小，表明鋼渣摻量為20wt%-30wt%的自密實混凝土力學性能最好。原因在于：相比天然河砂而言，鋼渣顆粒表面粗糙多孔，增大了鋼渣顆粒與水泥漿體之間的膠結力和摩擦力，有利于兩者更好的粘結。另外，鋼渣粒徑、細度模數略小于河砂，說明鋼渣具有更大的比表面積，增大了與水泥漿體的膠結面積，有助于增大強度。根據相關研究可知，混凝土體系中，親水性大的骨料界面密實性更好，而鋼渣的親水性好于河砂，它的摻入有助于增大混凝土的密實性，使之具有更好的力學性能。

2.3 抗硫酸鹽侵蝕性能

由圖2可知，鋼渣摻量對各組混凝土抗壓強度耐蝕系數的影響。S0－S30在侵蝕過程中的抗壓強度耐蝕系數變化均呈現先增大后減小的相同趨勢，可以分為侵蝕前期強化后期劣化。侵蝕前期（≤60次），S0－S30的抗壓強度有所增加，抗壓強度耐蝕系數大于1，這主要由于SO42-擴散進入混凝土內部與水泥水化產物進行反應，生成的鈣礬石侵蝕產物填充了混凝土毛細孔隙，使其更加致密，同時膠凝材料繼續水化，有利于混凝土強度的增加；侵蝕后期，當水泥石致密結構形成后，混凝土內部孔隙減少，SO42-進入混凝土內部生成的鈣礬石或者石膏產物，在干濕循環作用下發生結晶甚至出現硫酸鈉自結晶，鹽結晶產生的結晶壓力壓迫混凝土內部的毛細孔壁，從而促進微裂紋的形成、擴展，使得混凝土的性能劣化。因此侵蝕后期，混凝土的抗壓強度值明顯降低。

對比后期N=120次干濕循環侵蝕的各組混凝土的抗壓強度耐蝕系數可以發現：各組混凝土的抗硫酸鹽耐蝕系數大小排序為S30＞S20＞ S10≈S0，說明鋼渣含量越高，混凝土的抗SO42-侵蝕性能越優，主要原因為鋼渣比表面積大，且鋼渣界面區域粗糙度增大可以與水泥水化產物起到“錨固”的作用，另外，鋼渣中的活性成分能夠參與火山灰反應，提供混凝土內部結構歐的致密性，有效地阻礙了SO42-侵入混凝土內部。

圖2 鋼渣摻量對混凝土抗壓強度耐蝕系數的影響

3 結語

（1）鋼渣取代部分河砂使SCC的流變性能稍微變差。但可極大提高混凝土的力學性能。

（2）隨著鋼渣取代量的增加，SCC的抗氯離子滲透性、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性得到提高，鋼渣摻量在20%時，上述性能最優。

（3）隨著優質天然砂資源的日趨匱乏及環境保護的加強，鋼渣可以部分用來替代河砂作為細集料拌制混凝土。并具有一定的市場性價比優勢。為鋼渣的推廣及應用提供有力技術支撐。