以鋼渣為骨料的混凝土基本性能研究及應(yīng)用

官少龍 毛志剛 吳安耀 張紅日

摘要：文章以防城港某鋼鐵廠電爐法生產(chǎn)的鋼渣為試驗(yàn)研究對(duì)象，探討鋼渣作為粗細(xì)骨料時(shí)制備鋼渣混凝土的基本性能。研究發(fā)現(xiàn)：鋼渣骨料的工程物理及化學(xué)性質(zhì)能較好地滿足相關(guān)規(guī)范中混凝土骨料技術(shù)指標(biāo)要求;鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鋼渣骨料摻和比例趨于增加，高于同等條件下普通碎石混凝土的抗壓強(qiáng)度，特別是摻和比例為25%的鋼渣細(xì)骨料和100%的鋼渣粗骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度較普通碎石混凝土可提高約20%～30%，其壓縮強(qiáng)度與靜態(tài)彈性模量的關(guān)系比高于相關(guān)規(guī)范中靜載法得到的試驗(yàn)曲線關(guān)系比;鋼渣骨料制備的混凝土在排水結(jié)構(gòu)物、鋼渣樁地基處理等簡(jiǎn)單構(gòu)造工程中的應(yīng)用前景可觀，甚至可以100%替代普通碎石骨料。

關(guān)鍵詞：鋼渣;骨料;混凝土;力學(xué)性能;工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/ji/cnki.wccst.2019.07.001

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0001-03

0引言

鋼渣作為冶煉各類鋼鐵產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其比例高達(dá)粗鋼量的12%～20%，綜合利用率較低，導(dǎo)致占用土地資源、環(huán)境污染等系列問題。2018年廣西擬重點(diǎn)推進(jìn)的項(xiàng)目中，沿海地區(qū)涉及鋼鐵>臺(tái)金總投資額近千億元，鋼渣產(chǎn)量必然迅速遞增。探討建立高效、大規(guī)模開發(fā)利用鋼渣的技術(shù)不僅是回收資源的重要問題，也是穩(wěn)定鋼鐵供應(yīng)需求的重要問題。

鋼渣的應(yīng)用較廣泛，鋼渣資源化技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用也取得了一定的成績(jī)。如我國(guó) 大部分鋼廠都修建了廢鋼回收生產(chǎn)線，鞍鋼采用無介質(zhì)自磨及磁選的方法回收鋼渣中的廢鋼量達(dá)8.0%，武鋼回收廢鋼中的金屬Fe達(dá)8.5%;鋼渣中的鈣、硅、磷等在冶煉過程中經(jīng)過高溫鍛燒，其溶解度增大可用作化肥等;部分區(qū)域的鋼渣有較好的力學(xué)性能，部分已經(jīng)在公路工程中開始運(yùn)用推廣，如軟基換填材料、鋼渣混凝土樁復(fù)合地基等。但在鋼渣替代砂石作為混凝土粗細(xì)骨料方面的研究欠缺，具有區(qū)域局限性。本文對(duì)防城港某鋼鐵廠的鋼渣進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討此鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼渣作為粗細(xì)骨料時(shí)混凝土的基礎(chǔ)性能，并對(duì)鋼渣混凝土工程的應(yīng)用性進(jìn)行展望。

1鋼渣粗骨料的生產(chǎn)和質(zhì)量

1.1鋼渣粗骨料的簡(jiǎn)介

試驗(yàn)研究采用防城港某鋼鐵制造工廠生產(chǎn)的鋼渣粗骨料。該廠生產(chǎn)的鋼渣是粉碎的電爐退火爐渣，但我們?cè)谌刍^程中加入CaCO3作為原料，脆化后將爐渣中的CaO含量加到約2.5%，通過實(shí)施兩次粉碎過程，以去除在冷卻過程中玻璃化的更易碎表層部分。

1.2鋼渣骨料的工程物理化學(xué)性質(zhì)

1.2.1鋼渣骨料的工程物理性質(zhì)

本試驗(yàn)研究中使用的鋼渣滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)指標(biāo)范圍的要求，參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE42-2005）普通粗集料試驗(yàn)方法，得到其工程物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

從粗集料角度比較，常用于普通混凝土的石灰?guī)r碎石的絕對(duì)干密度略大于武鋼的，為2.53g/cm，而小于柳鋼和試驗(yàn)研究鋼渣;鋼渣骨料的吸水率均較大于石灰?guī)r碎石;武鋼和試驗(yàn)研究鋼渣的洛杉磯磨耗損失值和壓碎值均小于石灰?guī)r碎石，具有很好的強(qiáng)度。本試驗(yàn)用鋼渣是通過兩次破碎過程去除緩冷爐渣表面的脆弱部分而得到的，吸水率、磨耗損失等物理性質(zhì)顯著，與武鋼、柳鋼傳統(tǒng)冶煉工藝生產(chǎn)的鋼渣相比，防城港該鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼渣是一種物理性能顯著改善的粗集料。

1.2.2鋼渣骨料的化學(xué)成分

試驗(yàn)研究鋼渣骨料的主要化學(xué)組分如表2所示。試驗(yàn)顯示：該類型鋼渣的化學(xué)成分二氧化硅、氧化鎂、氧化鈣等均能滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)指標(biāo)規(guī)定值。

2試驗(yàn)材料和配合比組合

本試驗(yàn)使用的水泥是普通硅酸鹽水泥（密度：3.16g/cm），摻和水為普通自來水，化學(xué)外加劑是以陰離子表面活性劑為主要成分的AE劑和主要由羥基絡(luò)合物/天然樹脂酸鹽組成的AE減水劑。粗骨料采用鋼渣粗骨料（以下簡(jiǎn)稱SCA），細(xì)骨料采用電爐法生產(chǎn)的鋼渣細(xì)骨料（以下簡(jiǎn)稱SFA）。

在本試驗(yàn)中，通過改變混凝土水灰比（w/C）、粗細(xì)骨料摻和比來確定混凝土摻和條件，如表3所示。混凝土的w/C設(shè)定為45%、55%和60%三個(gè)等級(jí)。

本試驗(yàn)基本組合中的目標(biāo)坍落度和目標(biāo)空氣量分別為10.0±1.O cm和5.0±0.5%，通過初步試驗(yàn)確定總校正系數(shù)來校正新拌混凝土的空氣量。

3混凝土的力學(xué)性能

3.1力學(xué)性能試驗(yàn)

為了研究使用鋼渣骨料的混凝土的力學(xué)性能，參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》制備試件進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)齡期為7d、14d、28d和91d時(shí)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為28d時(shí)分別進(jìn)行了劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和靜態(tài)彈性模量測(cè)定試驗(yàn)。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1顯示了標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d齡期混凝土（目標(biāo)空氣體積：5%）的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。摻和鋼渣的混凝土的抗壓強(qiáng)度趨于增加，同等條件下高于普通碎石混凝土的抗壓強(qiáng)度。摻和比例為25%的鋼渣細(xì)骨料和100%的鋼渣粗骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度較普通碎石混凝土可提高約20%～30%，這歸因于鋼渣材料自身的材料強(qiáng)度;相同鋼渣摻和比情況下，鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度隨水灰比增大而降低，與使用普通碎砂的混凝土相比，使用鋼渣細(xì)骨料的混凝土的抗壓強(qiáng)度可增加約10%。

圖2顯示了單獨(dú)使用100%粗骨料鋼渣的混凝土的抗壓強(qiáng)度（養(yǎng)護(hù)28d）與不同鋼渣細(xì)骨料SFA摻和比例的壓碎值之間的關(guān)系。隨著粗骨料壓碎值的增加，抗壓強(qiáng)度趨于降低。由此可以證實(shí)，包括鋼渣骨料表面的脆弱部分在內(nèi)的骨料本身的強(qiáng)度極大地影響了使用它的混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖3顯示了28d齡期時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。可見，即使在鋼渣替代普通砂石制備混凝土的情況下，它們之間的關(guān)系在1/16～1/10的范圍內(nèi)，與普通砂石混凝土相當(dāng)。

混凝土壓縮強(qiáng)度與靜態(tài)彈性模量之間的關(guān)系如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示：無論鋼渣粗細(xì)骨料摻和比例如何，制備的鋼渣混凝土壓縮強(qiáng)度與靜態(tài)彈性模量的關(guān)系比高于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》靜載法得到的試驗(yàn)曲線，且較普通碎石混凝土增加大約為20%～30%;當(dāng)鋼渣摻和比增加時(shí)，摻和鋼渣的混凝土在相同抗壓強(qiáng)度下的靜態(tài)彈性模量較石灰石碎石低，且摻和比例為100%時(shí)，混凝土的靜態(tài)彈性模量降低達(dá)7%～12%。

圖5顯示了全鋼渣粗骨料混凝土的靜態(tài)彈性模量與壓碎值之間的關(guān)系。隨著壓碎值增大，靜態(tài)彈性模量趨于降低。本文所列舉的3種類型粗骨料的磨耗損失值和壓碎值都不同，在壓縮性質(zhì)方面存在差異，這將影響在粗骨料和基質(zhì)之間的界面處產(chǎn)生的微裂紋;甚至在相同的抗壓強(qiáng)度水平下，混凝土的靜態(tài)彈性系數(shù)會(huì)因骨料的類型而不同。由此可見，粗骨料的壓碎值被認(rèn)為是評(píng)價(jià)混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。

從上述分析結(jié)果可以看出，使用鋼渣骨料SCA的混凝土的力學(xué)性能具有等同于或高于普通混凝土的特性，即使鋼渣摻和比為100%，也可單獨(dú)使用。

4鋼渣作為混凝土骨料的應(yīng)用前景

綜合前文及前人研究結(jié)果，采用鋼渣骨料替代傳統(tǒng)砂石制備混凝土，從鋼渣骨料工程物化特性到鋼渣混凝土的力學(xué)性能，均表現(xiàn)出很大的優(yōu)異性。將其應(yīng)用于簡(jiǎn)單構(gòu)造物，如邊溝、截水溝等公路防排水結(jié)構(gòu)物和邊坡底部護(hù)腳墻、非重要大體積混凝土結(jié)構(gòu)物等以及CFG樁復(fù)合地基處理軟基等方面，需進(jìn)一步研究解決大體積混凝土溫度裂縫問題。

在目前國(guó)家實(shí)行戰(zhàn)略資源環(huán)保等背景下，傳統(tǒng)石材開發(fā)利用受到限制，而我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)正處于快速增長(zhǎng)階段，砂石材料價(jià)格日益增長(zhǎng)。鋼渣作為粗骨料應(yīng)用在混凝土中，既可以取代不可再生的天然石料，又可以提高混凝土的性能，達(dá)到變廢為寶和降低工程造價(jià)的目的。綜合考慮到政策引領(lǐng)、環(huán)保要求、市場(chǎng)潛在規(guī)模以及技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，將鋼渣粗骨料應(yīng)用于混凝土領(lǐng)域更具有競(jìng)爭(zhēng)力，在政策引導(dǎo)與技術(shù)進(jìn)步雙重作用下，鋼渣粗骨料將在混凝土領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

5結(jié)語

本文以防城港某鋼鐵廠鋼渣為例，探討鋼渣作為粗細(xì)骨料時(shí)混凝土的基礎(chǔ)性能。研究發(fā)現(xiàn)，其力學(xué)性能與普通混凝土相近或更高，在某些領(lǐng)域甚至可以100%替代普通碎石骨料。

（1）相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示所研究的鋼渣骨料的工程物理及化學(xué)性質(zhì)能較好地滿足相關(guān)規(guī)范中混凝土骨料的技術(shù)指標(biāo)。該鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼渣與武鋼、柳鋼傳統(tǒng)>臺(tái)煉工藝生產(chǎn)的鋼渣相比，吸水率、磨耗損失等物理性質(zhì)顯著。

（2）鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鋼渣骨料摻和比例的增加而增加，高于同等條件下普通碎石混凝土抗壓強(qiáng)度。特別是摻和比例為25%的鋼渣細(xì)骨料和100%的鋼渣粗骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度較普通碎石混凝土可提高約20%～30%。

（3）摻合鋼渣粗細(xì)骨料制備的鋼渣混凝土，壓縮強(qiáng)度與靜態(tài)彈性模量的關(guān)系比高于相關(guān)規(guī)范中靜載法得到的試驗(yàn)曲線關(guān)系比。

（4）鋼渣骨料制備的混凝土在排水結(jié)構(gòu)物、鋼渣樁地基處理等簡(jiǎn)單構(gòu)造工程中的應(yīng)用前景可觀。探索其在非重要大體積混凝土結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)用具有重要的工程實(shí)際意義。