碳酸化養護鋼渣集料在透水混凝土中的應用*

吳昊澤，徐東宇

（1. 山東省水泥質量監督檢驗站；山東 濟南 250022；2. 濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術重點試驗室，山東 濟南 250016）

0 前言

鋼渣是煉鋼工業中所產生的工業廢渣，由于鋼渣早期水化活性低、安定性不良，鋼渣的應用受到限制[1-3]。應用碳酸化養護，可以快速將 CO2固化儲存在鋼渣中[4]，有效改善其安定性不良等問題[5-7]，應用碳酸化鋼渣可制備人造集料[8-9]。近幾年來，我國對透水混凝土展開了廣泛研究和應用[10]。透水混凝土具有孔隙大、透水率高、抗凍性等特點，可以在極端天氣下加快城市排水和地下水循環[11]。現有的透水混凝土因石子骨料之間的孔隙導致混凝土的結構發生變化，后期易發生收縮斷裂，從而影響了混凝土的力學性能和耐久性[12]。本課題利用碳酸化鋼渣制備集料，研究不同摻量下碳酸化鋼渣集料替代石子骨料對透水混凝土工作性能、力學性能及耐久性的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：山東山水集團生產 P·O42.5 水泥，密度3.07g/cm3，初凝和終凝時間分別為 180min 和 270min，3d 和 28d 抗壓強度分別為 24.8MPa 及 55.1MPa。

粉煤灰：濟南黃臺電廠生產 F 類 Ⅱ 級，密度2.77g/cm3，比表面積 434m2/kg，燒失量 4.84%。

粗集料：平安建設混凝土攪拌站用石灰巖碎石，粒徑 4.75～9.5mm，連續級配，表觀密度 2.59g/cm3，堆積密度 1.46g/cm3，壓碎指標 9.7%，針片狀含量 8.7%，孔隙率 35.7%，吸水率 0.8%。

鋼渣：齊河永鋒鋼鐵集團生產，熱悶磁選后，經顎破、篩分得粒徑 4.75～9.5mm，連續級配。

聚羧酸減水劑：固含量 42%，減水率 26%。

水：自來水。

應用 Burke S8 熒光分析儀檢測原材料的主要化學成分，其結果見表 1。

表 1 原材料的主要化學成分 %

1.2 試驗方法

碳酸化鋼渣集料：在粒徑 4.75～9.5mm 鋼渣顆粒表面，按液固比 0.15kg/kg 進行噴水（水中溶有 5% 的自制碳酸化增強劑 CNH40），在相對濕度 70%～90%的反應釜中通入 CO2濃度為 30%～40% 的鋼廠配套石灰窯尾廢氣，進行鋼渣集料碳酸化養護 360min。按照GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》測定鋼渣集料性能。應用 Burke D8 Advance XRD 和日立 S-2500 SEM測定鋼渣碳酸化前后的礦物組成及微觀形貌。對于鋼渣集料還沒有明確的安定性測試方法，影響鋼渣安定性的主要因素在于較高的 MgO 和 f-CaO 含量，因此應用熒光分析和甘油乙醇法測定鋼渣集料碳化前后的 MgO 及f-CaO 含量。

參照 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》和 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》設計碳酸化鋼渣集料透水混凝土，混合料采用“水泥裹石法”[13]進行攪拌成型。按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定試件 28d 抗壓強度；按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試試件工作性能；采用浸水質量法進行孔隙率測試；按照 CJJ/T 135—2009 測試試件透水系數；抗凍性采用快速凍融循環法（設置溫度：-5～5℃，循環周期：2.5h，循環次數：50 次）。

2 結果與分析

2.1 碳酸化鋼渣集料性能

按照標準測定鋼渣集料性能，表 2 為測試結果。與原鋼渣相比，碳酸化鋼渣集料的表觀密度、堆積密度分別增加了 6.84% 及 7.25%；針片狀含量變化不大；孔隙率、吸水率和壓碎指標分別降低了 20.45%、55.34% 及36.39%。與石灰巖碎石相比，碳酸化鋼渣集料的表觀密度和堆積密度為碎石的 1.27 和 1.42 倍，針片狀含量比碎石高 3.14%，孔隙率和吸水率為碎石的 84.42% 及88.75%。

表 2 碳酸化鋼渣集料性能

分別取未處理鋼渣和碳酸化鋼渣集料粉磨過篩，進行 XRD 及 SEM 觀測。圖 1 為 XRD 圖譜，從圖中高的背底可以看出其含有一定量的玻璃體。碳酸化鋼渣集料碳酸鹽的衍射峰增強較為明顯，而 Ca(OH)2衍射峰基本消失，C2S、C3S 等礦物的衍射峰強度消減，說明這些礦物經反應生成了碳酸鹽。圖 2 為 SEM 照片，與未處理鋼渣相比，存在大量顆粒狀晶體結晶。由于鋼渣礦物組成的原因（含金屬成分高），鋼渣集料表觀密度和堆積密度均高于石灰巖碎石，而顎破、篩分的生產工藝致使鋼渣集料針片狀含量的增高。但經碳酸化處理，鋼渣中碳酸鹽礦物的結晶生成，鋼渣集料更加致密，導致與未處理鋼渣相比孔隙率和吸水率下降較為明顯，壓碎值有較大幅度提高，但其壓碎值相較于石灰巖碎石仍有不足。采用硫酸鈉溶液法測試其堅固性，碳酸化鋼渣集料質量損失為 2.7%，與石灰巖碎石（2.4%）相差不大。分別取未處理鋼渣和碳酸化鋼渣集料粉磨過篩，經熒光測試和甘油乙醇法測試，未處理的鋼渣集料 MgO和 f-CaO 含量分別為 8.34% 和 2.59%，碳酸化鋼渣集料 MgO 和 f-CaO 含量分別為 3.54% 和 1.02%，由此可見，鋼渣集料的安定性得到了提高。

圖 1 碳酸化鋼渣集料 XRD 圖譜

圖 2 碳酸化鋼渣集料 SEM 照片

2.2 透水混凝土性能

鋼渣集料透水混凝土水膠比采用 0.30，外加劑摻量 2.0%，其配合比及性能見表 3。如表 3 所示，A02與 A01 相比，28d 抗壓強度降低 1.5MPa，凍融循環后強度損失率增加了 1.2%，其他性能性差不大，因此用A02 試件作為對比空白樣（即采用粉煤灰內摻 15%）。透水混凝土的抗壓強度、孔隙率、透水系數和抗凍性隨著鋼渣集料的加入量變化做出趨勢圖，見圖 3～7。

表 3 透水混凝土配合比及性能

圖 3 是鋼渣集料透水混凝土抗壓強度變化圖，隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從 10% 至 50% 遞增，抗壓強度降低率依次為 20.24%、29.96%、42.51%、47.73% 及 51.01%，碳酸化鋼渣集料組抗壓強度降低率依次為 4.45%、15.38%、30.36%、36.44% 及 41.29%。由于碳酸化致使鋼渣集料致密性提高，壓碎值得以改善，用碳酸化鋼渣集料配制的透水混凝土抗壓強度明顯較好。當處理鋼渣顆粒取代碎石的量達到 10% 時，抗壓強度已低于 20MPa，替代量達到 30% 時，強度已低于 15MPa；而碳酸化鋼渣集料取代碎石的量達到20%，透水混凝土強度為 20.9MPa。

圖 3 抗壓強度變化趨勢圖

圖 4 是鋼渣集料透水混凝土孔隙率變化圖，相對于空白樣，加入鋼渣集料均能提高孔隙率，這一方面是由于針片狀含量較多，另一方面是由于鋼渣集料表面致密度較碎石較差。隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從 10% 至 50% 遞增，孔隙率提高率依次為 5.52%、7.97%、9.81%、12.88% 及 15.95%，碳酸化鋼渣集料組孔隙率變化率依次為 -1.22%、0、5.52%、4.29% 及9.81%。對于孔隙率的提高，碳酸化鋼渣集料不如未處理鋼渣顆粒，甚至在替代量 10% 時，孔隙率略有降低。

圖 4 孔隙率變化趨勢圖

透水系數是透水混凝土的重要性能。圖 5 是鋼渣集料透水混凝土透水系數變化圖，隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從 10% 至 50% 遞增，透水系數提高率依次為 8%、12%、20%、16% 及 24%，碳酸化鋼渣集料組透水系數提高率依次為 12%、12%、16%、16%及 24%。鋼渣集料的加入有利于透水系數的提高，當碳酸化鋼渣集料取代量達到 20% 時，透水系數達到了2.8mm/s，但透水系數的增加并沒有與替代量呈現出線性關系，這說明透水系數并不完全取決于孔隙率。

圖 5 透水率變化趨勢圖

圖 6 和圖 7 分別為凍融循環質量和強度損失變化圖，在質量損失方面，與空白樣相比，碳酸化鋼渣集料透水混凝土變化較小，這從一方面說明其耐久性良好，而隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從 10% 至 50% 遞增，質量損失依次為空白樣的 1.43、1.65、1.73、1.76及 1.95 倍。在強度損失方面，當碳酸化鋼渣集料取代量為 10% 和 20% 時，與空白樣的強度損失幾乎相同，而隨著取代量進一步增大，呈現上升趨勢；而未處理鋼渣顆粒的強度損失較高。

圖 6 凍融循環質量損失變化趨勢圖

圖 7 凍融循環強度損失變化趨勢圖

3 結語

（1）為實現鋼渣在透水混凝土中的合理應用，通過碳酸化處理鋼渣集料。利用 XRD 和 SEM 觀測集料表面的礦物組成和微觀形貌。

（2）通過碳酸化預處理，鋼渣集料的孔隙率、吸水率和壓碎指標分別降低 20.45% 、55.34% 及36.39%，集料的性能得到部分優化。

（3）研究不同粗骨料替代量時，碳酸化鋼渣集料對透水混凝土的工作性能、力學性能和耐久性的影響，碳酸化鋼渣集料在透水混凝土中替代 20% 碎石時，透水混凝土 28d 抗壓強度 21.9MPa，孔隙率 16.3%，透水系數 2.8mm/s，凍融循環質量和強度損失率分別為 3.6%和 10.1%。