鋼渣粉對(duì)混凝土性能的影響

王戎

鋼渣粉對(duì)混凝土性能的影響

王戎

成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 四川 成都 610061

將鋼渣粉加入混凝土取代部分膠凝材料可以提高工業(yè)固體廢棄物利用，有效保護(hù)環(huán)境。基于此，利用室內(nèi)試樣方法制備了不同鋼渣微粉摻量的混凝土試件，測(cè)試了干縮率、滲水高度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨鋼渣微粉摻量的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：1）混凝土的干縮率隨著鋼渣粉替換率的增大而減小；2）鋼渣粉的加入可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能，尤其是其替換量在小于30%時(shí)；3）鋼渣微粉摻量大于30%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度出現(xiàn)顯著降低，建議鋼渣微粉摻量不超過(guò)30%。

鋼渣粉; 混凝土; 力學(xué)特性

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，以鋼渣、礦渣和粉煤灰為代表的工業(yè)固體廢棄物不可避免的快速增長(zhǎng)[1]。截至目前，我國(guó)鋼鐵年產(chǎn)量已10億t，超過(guò)全球總產(chǎn)量的50%[2]。而工業(yè)固體廢棄物綜合利用率超過(guò)60%，但仍有超過(guò)30%的工業(yè)固體廢棄物被處置、貯存和傾倒[3]。我國(guó)的工業(yè)固體廢棄物綜合利用率呈現(xiàn)出逐年遞增的良好趨勢(shì)，但仍有很大的提高空間[4]。混凝土具有高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、高承載能力等特點(diǎn)已經(jīng)成為土木工程中普遍使用的材料[5]，在建筑[6]、道路[7]等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)目前每年混凝土生產(chǎn)量超過(guò)20億m3，將工業(yè)固體廢棄物加入混凝土中取代部分膠凝材料，可以提高固體廢棄物的綜合利用率，有效保護(hù)環(huán)境，已成為熱點(diǎn)的研究課題[8]。

在鋼渣混凝土的使用性能方面，大量學(xué)者開展了大量的研究工作。張忠哲等[9]研究了不同養(yǎng)護(hù)方式和養(yǎng)護(hù)類型條件下，鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律；申春梅等[10]研究了不同鋼渣摻量條件下，鋼渣混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度；吳福飛等[11]研究了鋰渣和鋼渣的總摻量為35~75%條件下混凝土28 d和84 d抗氯離子滲透能力，并分析了不同加載條件下氯離子滲透系數(shù)的變化規(guī)律；韓艷麗等[12]利用鋼渣替代部分水泥，并分析了鋼渣混凝土的前期和后期抗折、抗壓強(qiáng)度的發(fā)展變化規(guī)律。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文利用室內(nèi)試樣方法制備不同鋼渣微粉摻量的混凝土試件，測(cè)試干縮率、滲水高度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨鋼渣微粉摻量的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要包括水泥、鋼渣粉、碎石、河砂和水。其中，水泥采用安陽(yáng)海工水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5，經(jīng)檢驗(yàn)滿足《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)要求；鋼渣粉采用安陽(yáng)錦冶鋼渣微粉，其基本參數(shù)如表1所示；粗骨料、細(xì)骨料和攪拌水均滿足《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

為了研究鋼渣微粉摻量對(duì)混凝土使用性能的影響規(guī)律，制備了不同鋼渣微粉摻量的混凝土試件，其配比如表2所示，其中鋼制微粉摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%和50%；水灰比為0.4。試件制備完成后分別依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試了不同鋼渣微粉摻量下的干縮率、滲水高度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

表 1 鋼渣微粉的基本參數(shù)

表 2 混凝土試件配比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干縮率

不同鋼渣粉替換率下混凝土的干縮率變化曲線如圖1所示。當(dāng)鋼渣粉替換率分別為0%、10%、20%、30%、40%和50%時(shí)，鋼渣混凝土的干縮率則分別為0.96、0.8、0.65、0.5、0.45和0.42。這說(shuō)明，隨著鋼渣粉替換率的增大，混凝土的干縮率逐漸減小；當(dāng)鋼渣替換率超過(guò)30%后，混凝土的干縮率減小開始變得不是十分明顯。這主要是因?yàn)殇撛鄣募?xì)度較小，能夠在混凝土中起到很好的填充作用，使得混凝土的結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，其干縮率變小；但過(guò)量摻入則會(huì)使水泥量過(guò)少，水泥水化速率變慢，混凝土結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性增加，此時(shí)，它的干縮率變化就不明顯。

圖 1 不同鋼渣粉替換率下混凝土的干縮率變化曲線

2.2 滲水高度

不同鋼渣粉替換率下混凝土的滲水高度變化曲線如圖2所示。由于鋼渣粉的加入有助于提高混凝土的密實(shí)度，減小了混凝土的滲水孔隙通道面積，因此，當(dāng)鋼渣粉替換率分別為10%、20%、30%、40%和50%時(shí)，鋼渣混凝土的滲水高度分別比基準(zhǔn)混凝土降低了25 mm、44 mm、54 mm、65 mm和72 mm。可見，鋼渣粉的加入可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能，尤其是其替換量在小于30%時(shí)。

圖 2 不同鋼渣粉替換率下混凝土的滲水高度變化曲線

2.3 單軸抗壓強(qiáng)度

圖 3 不同鋼渣粉替換率下混凝土的抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖3為不同鋼渣粉替換率下混凝土的抗壓強(qiáng)度變化曲線。當(dāng)鋼渣粉替換率為0%時(shí)，混凝土立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度為37.9 MPa；當(dāng)鋼渣粉替換率為10%時(shí)，混凝土立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度為32.5 MPa；當(dāng)鋼渣粉替換率為20%時(shí)，混凝土立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度為34.4 MPa；當(dāng)鋼渣粉替換率為30%時(shí)，混凝土立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度為33.5 MPa；當(dāng)鋼渣粉替換率為40%時(shí)，混凝土立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度為28.6 MPa；當(dāng)鋼渣粉替換率為50%時(shí)，混凝土立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度為21.4 MPa。由此可見，鋼渣粉替換越多的水泥對(duì)混凝土的抗壓性能越為不利，原因在于，雖然鋼渣粉加入有助于改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以提高混凝土的抗壓性能，但由于其本身不會(huì)參與水化反應(yīng)，在替換相同量水泥的情況下就會(huì)使得混凝土本身的膠凝材料數(shù)量減小，最終導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低。由圖可知，30%以下的鋼渣粉替換水泥量并不會(huì)使得鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度降低太多，而一旦超過(guò)30%，則鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度降低就十分明顯。

2.4 抗折強(qiáng)度

圖 4 不同鋼渣粉替換率下混凝土的抗折強(qiáng)度變化曲線

圖4所示為不同鋼渣粉替換率下混凝土的抗折強(qiáng)度變化曲線。可以看出，當(dāng)鋼渣粉替換量為0%時(shí)，基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度為4.68 MPa；而當(dāng)鋼渣粉替換率為10%、20%、30%、40%和50%時(shí)，鋼渣混凝土的抗折強(qiáng)度分別比基準(zhǔn)混凝土降低了7.7%、5.1%、10.2%、20.5%和38.5%。這說(shuō)明鋼渣替換相同量的水泥也對(duì)混凝土的抗折性能不利，但如鋼渣粉替換率較小時(shí)，這種不利影響相對(duì)較小，而一但鋼渣粉替換率超過(guò)30%，鋼渣混凝土抗折強(qiáng)度降低就十分明顯。因此建議實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鋼渣的摻量不宜超過(guò)30%。

2.5 抗拉強(qiáng)度

不同鋼渣粉替換率下混凝土的抗拉強(qiáng)度變化曲線如圖5所示。由圖可知，當(dāng)鋼渣粉替換率為10%時(shí)，鋼渣混凝土的抗拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土降低了5.2%；當(dāng)鋼渣粉替換率為20%時(shí)，鋼渣混凝土的抗拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土僅降低了3.4%；而當(dāng)鋼渣粉替換率超過(guò)30%時(shí)，鋼渣混凝土的抗拉強(qiáng)度就開始迅速降低，其中，30%鋼渣替換率降低了12%、40%鋼渣替換率就降低15.9%、50%鋼渣替換率則降低超過(guò)32%。因此，從混凝土抗拉性能方面考慮，建議鋼渣混凝土的鋼渣摻量為20%。

圖 5 不同鋼渣粉替換率下混凝土的抗拉強(qiáng)度變化曲線

3 結(jié)論

（1）隨著鋼渣粉替換率的增大，混凝土的干縮率逐漸減小；當(dāng)鋼渣替換率超過(guò)30%后，混凝土的干縮率減小開始變得不是十分明顯；

（2）鋼渣粉的加入可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能，尤其是其替換量在小于30%時(shí)；

（3）30%以下的鋼渣粉替換水泥量并不會(huì)使得鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度降低太多，而一旦超過(guò)30%，則鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度降低就十分明顯；

（4）鋼渣替換相同量的水泥也對(duì)混凝土的抗折和抗拉性能不利，但如鋼渣粉替換率較小時(shí)，這種不利影響相對(duì)較小。

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Influence of Steel Slag Powder on Concrete Performance

WANG Rong

610061,

It can improve the utilization of industrial solid waste and effectively protect the environment adding steel slag powder to concrete instead of some cementitious materials. Based on this, concrete specimens with different contents of steel slag micro-powder were prepared by using laboratory sample method. The variation rules of dry shrinkage rate, seepage height, uniaxial compressive strength, flexural strength and tensile strength with the content of steel slag micro-powder were tested. The results showed that: 1) The dry shrinkage of concrete decreased with the increase of steel slag powder replacement rate. 2) The addition of steel slag powder could effectively improve the impermeability of concrete, especially when the replacement amount was less than 30%. 3) When the content of steel slag powder was more than 30%, the compressive strength, tensile strength and flexural strength of concrete were significantly reduced, and it was recommended that the content of steel slag powder should not exceed 30%.

Steel slag powder; concrete; mechanical properties

TU528.01

A

1000-2324(2019)02-0221-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.009

2018-03-26

2018-05-07

王戎(1970-),女,本科,副教授,主要研究方向?yàn)榫G色建筑技術(shù). E-mail:wangr0202@163.com