礦渣碎石壓碎值對混凝土抗壓強度的影響

姚增遠（攀枝花鋼城集團有限公司，四川 攀枝花 617000）

0 前言

攀鋼本部每年要處理300多萬t高鈦型高爐渣，其中大部分通過熱潑冷卻后加工成礦渣碎石和渣砂作為建材使用。但在實際操作過程中受攀鋼生產節奏及雨季的影響造成高鈦型高爐礦渣冷卻速度不能夠完全受控，從而使得生產出的礦渣碎石壓碎值指標波動范圍較大，質量不夠穩定，存在部分礦渣碎石的壓碎值達不到內部質量標準要求，使得在后續混凝土的應用中存在一定的質量不確定性。

為此成立了專門的課題組，研究在同等條件下，不同壓碎值的高鈦型礦渣碎石對各種強度等級混凝土力學性的影響。從而得出高鈦型礦渣碎石壓碎值的變化對混凝土力學性（抗壓強度）的影響規律，以確定出高鈦型礦渣碎石壓碎值的最大允許上限及使用范圍，為今后的生產加工使用提出指導性意見。

1 試驗

1.1 原料

1.1.1 礦渣碎石

本次試驗所選用的礦渣碎石是在礦渣加工生產過程中，有針對性的對不同等級壓碎值的礦渣碎石進行收集而得，并按照碎石的粒度級配要求進行配料，以保證試驗數據的準確性和對比性。主要收集了6種不同壓碎值的礦渣碎石以備試驗所用，其具體主要指標見表1。

表1 試驗用礦渣碎石主要指標

礦渣碎石壓碎值大小主要取決于高爐渣翻渣后的自然冷卻時間及熱潑時的冷卻速度，若翻渣后自然冷卻時間越長，熱潑時高爐渣冷卻速度越慢，則生產的礦渣碎石壓碎值越高。另外，礦渣碎石壓碎值還與其破碎加工后的顆粒形狀有關，若片狀、針狀碎石較多，其壓碎值也會降低[1-2]。

1.1.2 渣砂

本次試驗所選用的渣砂為高鈦重礦渣中砂，其具體技術指標見表2

表2 試驗用高鈦重礦渣中砂

1.1.3 水泥

試驗用水泥為攀枝花鋼城集團瑞豐水泥公司生產的P·O 42.5和P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，其中52.5水泥用于C70混凝土試驗中。其相關理化指標檢測見表3。

表3 試驗用水泥相關檢測結果

1.1.4 粉煤灰

試驗用粉煤灰采用攀枝花寶利源公司生產的Ⅱ級粉煤灰。其主要化學成分和物理性能指標檢測見表4。

表4 粉煤灰相關指標

粉煤灰作為混凝土摻合料主要是為了降低水泥用量，并滿足混凝土的膠凝材料需要，調整混凝土的施工性能。

1.2 確定試驗配合比[3]

本項目按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》中的配合比設計要求，并根據全礦渣混凝土生產實際經驗選擇相關設計參數，最終設計出不同強度等級的試驗混凝土配合比。具體試驗配合比,見表5。

表5 本試驗不同強度等級混凝土配合比 kg/m3

試驗過程中，碎石采用試驗選取的不同壓碎值礦渣碎石進行對比，其他原料保持不變。

1.3 試驗方法

1.3.1 礦渣碎石壓碎值檢測方法[4]

礦渣碎石的壓碎值是其強度衡量的一種間接方法，其試驗方法參照《建設用卵石、碎石》標準進行。

首先將需檢測的礦渣碎石風干后，采用方孔篩篩分出9.5 mm～19 mm的顆粒3kg以備檢測試驗；然后將試樣放入圓模內置于壓力機上，按照1kN/s速度均勻加載至200kN，并穩壓5s后卸載；再用2.36mm方孔篩篩分掉被壓碎的細粒，并稱取篩上試樣質量，精確至1g；最后按照公式（1）計算壓碎值。

式中：Qe—壓碎值指標，%；G1—試樣質量，g；G2—壓碎試驗后篩余的試樣質量，g。

1.3.2 混凝土試塊制備及養護方法[5]

本試驗混凝土試塊制備及養護方法參照《普通混凝土力學試驗方法標準》要求進行。

首先按照試驗設計的配合比配制不小于40 L的混凝土，試驗所用碎石、渣砂、水泥等各材料均以質量計量，精確度控制在±0.5%內；然后按照碎石、水泥、粉煤灰、渣砂、水和外加劑的順序依次加入攪拌機中攪拌60s；再將攪拌好的試驗混凝土放入已涂好脫模劑的150mm×150mm×150mm模具中并在振動臺上振動成型，再修整試樣表面平整；然后將試樣和模具放入標準養護室中養護24h以上方可脫模；脫模后應繼續將試件在標準養護室內養護至試驗要求齡期。標準養護室溫度要求為20±2℃，相對濕度為95%以上。

1.3.3 抗壓強度測定

本試驗混凝土抗壓強度檢測方法，嚴格按照《普通混凝土力學試驗方法標準》進行檢測。

首先將標準養護條件下養護到期的試件取出，然后在自然條件下使試件表面水晾干后進行抗壓強度檢測；試驗機為數顯可控壓力機，試驗過程中要求應連續均勻地加荷，當混凝土強度等級≥C30且＜C60時，按照0.5～0.8MPa/s加載，當混凝土強度等級≥C60時，按照0.8～1.0MPa/s加載；當試件破壞壓力顯示下降時，應立即記錄破壞荷載，并按照公式（2）計算檢測試件的抗壓強度。

式中：fcc—混凝土立方體試件抗壓強度，MPa；F—試件破壞荷載，N；A—試件承壓面積，mm2；

試驗混凝土最終強度值的確定按照下列規格執行：

（1）三個試件測值的算術平均值作為該組試件的抗壓強度值（精確至0.1 MPa）；

（2）三個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的l5%時，則直接取中間值作為該組試件的抗壓強度值；

（3）如最大值和最小值與中間值的差均超過中間值的15%，則該組試件的試驗結果無效。

2 結果與分析

2.1 C30強度等級混凝土試驗

由圖1的數據分析，C30強度等級的混凝土試塊7d抗壓強度隨著礦渣碎石壓碎值的增加，呈現逐漸下降的趨勢，但下降幅度不明顯，這主要是因為混凝土早期強度主要由界面強度所決定，骨料強度對其影響較??；28d和60d的抗壓強度在礦渣碎石壓碎值為20%時達到最大，隨后逐漸降低，且28d抗壓強度值均大幅超過標準要求的30MPa以上，這主要與試驗配合比設計時相關參數的選取有關，在實際生產過程中可根據攪拌站具體情況進行相應調整。

圖1 C30混凝土不同齡期抗壓強度對比圖

由該結果表明，在同等條件下，混凝土中礦渣碎石的強度（壓碎值）對混凝土的耐壓強度有一定影響，當碎石的壓碎值大于20%以上時，會對C30混凝土強度造成一定的影響，但仍滿足C30混凝土強度等級標準要求，故在進行配合比設計時需適當考慮礦渣碎石的壓碎值超標對其強度影響的作用。

2.2 C50強度等級混凝土試驗

由圖2的數據分析，對于C50較高等級混凝土試塊7 d、28 d和60 d齡期抗壓強度均隨著礦渣碎石壓碎值的增加而呈現下降的趨勢，其中28 d抗壓強度表現尤為明顯；28 d抗壓強度在礦渣碎石壓碎值為22%時降值達到最大；60 d后期強度比28 d強度平均增加6 MPa，這主要是由于礦渣碎石不同于天然碎石，其內部存有一定數量的半開氣孔可以儲存部分水分及漿液，而28 d標準養護期后該部分水分仍然能夠繼續參與水化反應，從而可進一步增加混凝土試塊的強度。

圖2 C50混凝土不同齡期抗壓強度對比圖

C50強度等級混凝土抗壓強度隨著礦渣碎石壓碎值的增大而有所降低，當礦渣碎石的壓碎值在22%時降低幅度最大，但仍能滿足強度等級要求。考慮到混凝土的安全性及質量保證，建議在C50較高等級混凝土中使用礦渣碎石時，當礦渣碎石壓碎值大于22%時需慎用，必須使用時需采取相關措施以保證混凝土質量。

2.3 C70強度等級混凝土試驗

由圖3的數據分析，通過橫向對比C70高強度等級混凝土試塊的7 d抗壓強度，在隨著礦渣碎石壓碎值增加時，其強度逐漸降低，但不明顯，這主要是因為混凝土的初期強度主要由水泥水化產生的強度所決定，而礦渣碎石強度對其影響相對較小。28 d和60 d齡期的抗壓強度在礦渣碎石壓碎值超過20%時開始明顯下降，并達不到C70強度等級要求的抗壓強度，在礦渣碎石壓碎值達到24%時達到最低值。這主要是由于對于高強度混凝土，其28 d以上的齡期抗壓強度不僅僅是由混凝土中的界面強度所決定，同時也受混凝土中骨料的密實度及骨料的強度所影響。通過對28 d齡期試塊斷面的觀察分析，發現試塊其斷面處有部分礦渣碎石直接被壓斷，分為兩半（見圖4），而對于壓碎值相對較大的礦渣碎石，其碎石內部空隙較多，故其抗壓強度也就越低[6]。

圖3 C70混凝土不同齡期抗壓強度對比圖

圖4 28 d齡期試塊抗壓強度檢測后斷面圖

考慮到C70強度等級混凝土一般主要用于重要部位的結構部件，28 d的標準抗壓強度受礦渣碎石的強度影響較大，且在礦渣碎石壓碎值超過20%以上時其28 d標準抗壓強度已達不到國標要求值，故建議在C70強度等級的混凝土中嚴禁使用壓碎值大于20%的礦渣碎石。

3 結論與建議

（1）試驗研究結果表明，在同等條件下對于C30、C50和C70不同強度等級的混凝土，隨著礦渣碎石強度的降低（壓碎值增加）其抗壓強度逐漸下降，當壓碎值超過20%時，其抗壓強度降低幅度增大。

（2）對于C30和C50強度等級的混凝土，當礦渣碎石壓碎值達到24%時，其抗壓強度仍可滿足該強度等級要求，可以作為混凝土骨料使用，但在配合比設計時需要考慮礦渣碎石壓碎值對抗壓強度的影響。

（3）對于C70高強度等級的混凝土，當礦渣碎石壓碎值大于20%時，其28d抗壓強度已不滿足該強度等級要求。考慮到高強度等級混凝土一般用于重要的結構部件，故建議在高強度等級的混凝土中嚴禁使用壓碎值大于20%的礦渣碎石。