鋼渣砂替代機(jī)制砂的混凝土特性試驗(yàn)研究

勞顯勛，藍(lán)天助，黃彥鑫，蘭素戀

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

鋼渣是鋼廠在煉鋼過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的12%～20%[1-2]。近年來，隨著鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，鋼渣庫(kù)存量逐年增加，2018年，我國(guó)鋼渣的庫(kù)存量已達(dá)17億t之多[3]。鋼渣砂是鋼渣固體廢棄物經(jīng)過一定破碎、篩分等工藝加工而成的細(xì)集料，將鋼渣做成細(xì)集料應(yīng)用到工程領(lǐng)域，不僅在一定程度上可以提高鋼渣利用率，緩解鋼鐵工業(yè)的額外壓力，還可以減少碎石開采，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼渣集料的利用進(jìn)行了一定的研究，并取得了一定的成果。徐兵等[4]研究了在上海某護(hù)岸工程中采用摻入鋼渣粉、鋼渣砂、鋼渣粗集料的混凝土預(yù)制樁，結(jié)果表明，鋼渣混凝土強(qiáng)度良好；于峰等[5]通過不同粒徑鋼渣砂替代普通砂的混凝土性能試驗(yàn)，得出了鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度與取代粒徑呈正比，膨脹率與取代粒徑成反比的結(jié)論；孫小巍等[6]研究了鋼渣砂與石英砂混合后級(jí)配對(duì)水泥灌漿料性能的影響，研究結(jié)果表明混合骨料級(jí)配對(duì)灌漿料流動(dòng)度影響較大，混合料堆積密度對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較大。

目前對(duì)鋼渣砂在混凝土中的應(yīng)用研究主要集中在摻鋼渣砂后對(duì)混凝土強(qiáng)度和膨脹率的影響方面的研究，而對(duì)摻鋼渣砂后的耐久性方面的研究較少，且不夠系統(tǒng)。本文基于鋼渣特性，針對(duì)不同鋼渣砂摻量對(duì)混凝土工作性、強(qiáng)度、耐久性的影響進(jìn)行研究，為鋼渣砂在混凝土中的利用提供參考。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 粗集料

粗集料采用三檔，主要粒徑為5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm花崗巖碎石，試驗(yàn)測(cè)定的物理力學(xué)指標(biāo)如下頁(yè)表1所示，碎石物理力學(xué)性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足《建筑用卵石、碎石》(GB-T14685-2011)[7]的要求。

1.2 細(xì)集料

細(xì)集料采用鋼渣砂及機(jī)制砂。鋼渣砂來源為防城港某鋼鐵廠陳化12個(gè)月的陳渣，鋼渣砂顏色呈黑色；機(jī)制砂采用欽州某采石場(chǎng)以花崗巖為原材料經(jīng)破碎加工而成的機(jī)制砂。按要求取樣后對(duì)鋼渣砂及機(jī)制砂的物理力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1.2.1 鋼渣砂

試驗(yàn)采用X熒光光譜半定量分析鋼渣砂的化學(xué)成分，結(jié)果如下頁(yè)表2所示，鋼渣砂的化學(xué)成分與水泥接近，主要化學(xué)成分為CaO、Fe2O3、SiO2。鋼渣砂的礦物相組成如下頁(yè)表3所示，陳化12個(gè)月鋼渣砂的主要礦相成分為CaCO3、Ca2Fe2O5、Ca2SiO4、Fe2O3以及RO相。

表1 粗集料主要物理力學(xué)指標(biāo)表

表2 陳化12個(gè)月鋼渣砂主要化學(xué)成分表(%)

表3 陳化12個(gè)月鋼渣砂主要礦相成分表(%)

取一定的鋼渣砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用的鋼渣砂級(jí)配如表4所示，該鋼渣砂細(xì)度模數(shù)為2.8，屬于中砂。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)[8]，測(cè)定鋼渣砂的其他基本指標(biāo)如表5所示，與機(jī)制砂相比，鋼渣砂的表觀密度較大，是普通機(jī)制砂的1.28倍。

鋼渣砂表面粗糙，且含有大量孔隙，篩分出2.36～4.75 mm的鋼渣細(xì)集料，并參考粗集料的吸水率測(cè)定方法開展鋼渣細(xì)集料的吸水率試驗(yàn)。試驗(yàn)研究表明，鋼渣砂的吸水率隨時(shí)間的增大而增大。如表6所示，0～1 h內(nèi)鋼渣砂的吸水率隨時(shí)間快速增長(zhǎng)，1～8 h內(nèi)鋼渣砂的吸水率逐漸減小，8 h后鋼渣砂的吸水率趨于穩(wěn)定。

表4 鋼渣砂顆粒級(jí)配表

表5 鋼渣砂基本指標(biāo)表

表6 不同浸水時(shí)間下鋼渣砂的吸水率表

1.2.2 機(jī)制砂

本試驗(yàn)采用機(jī)制砂為花崗巖經(jīng)破碎加工而成，級(jí)配如表7所示。該機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.9，屬于中砂。機(jī)制砂的物理力學(xué)指標(biāo)如表8所示，物理力學(xué)性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足《建筑用砂》(GB 14684-2011)[9]的要求。

表7 機(jī)制砂顆粒級(jí)配表

表8 機(jī)制砂主要物理力學(xué)指標(biāo)表

1.3 膠凝材料

1.3.1 水泥

本試驗(yàn)采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，該水泥相關(guān)指標(biāo)如表9所示。水泥的凝結(jié)時(shí)間滿足混凝土用水泥標(biāo)準(zhǔn)，煮沸法安定性合格。

1.3.2 粉煤灰

試驗(yàn)所采用的粉煤灰為防城港某發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。粉煤灰技術(shù)指標(biāo)如表10所示，各項(xiàng)指標(biāo)滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2005)[10]規(guī)范使用要求。

表9 P.O42.5級(jí)水泥相關(guān)指標(biāo)表

表10 粉煤灰相關(guān)指標(biāo)表

1.4 減水劑

采用南寧市雨潤(rùn)建材化工有限公司的高效緩凝型減水劑，呈黃褐色，pH值為7.1，建議摻量為1%～2%，減水率為20%～27%。不同摻量下減水效果不同，摻量為1.5%時(shí)，減水率為25%。

2 不同鋼渣砂摻量混凝土配合比

本次試驗(yàn)分別設(shè)置鋼渣砂摻量為0、25%、50%、75%、100%，按《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法》(JGJ55-2011)[11]設(shè)計(jì)C30鋼渣混凝土。鋼渣混凝土配置強(qiáng)度為38 MPa，根據(jù)碎石混凝土強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的鋼渣混凝土水灰比為0.53，鋼渣混凝土粗集料最大粒徑為30 mm，坍落度按180 mm考慮，初步用水量為226 kg，摻了1.5%減水劑后用水量為170 kg。由于鋼渣砂與花崗巖碎石及機(jī)制砂的表觀密度相差較大，所以鋼渣混凝土砂率采用體積比，參考普通混凝土砂率并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定鋼渣混凝土體積砂率為37%，按絕對(duì)體積法計(jì)算公式(1)～(2)，得出不同等體積替換機(jī)制砂的鋼渣砂混凝土配合比如表11所示。

(1)

(2)

式中：ms2——機(jī)制砂用量(kg/m3)；

mg——粗集料用量(kg/m3)；

ρc——膠凝材料密砂表觀密度(kg/m3)；

ρg——粗集料表觀密度(kg/m3)；

α——鋼渣混凝土含氣量百分?jǐn)?shù)，不使用引氣劑時(shí)為1。

表11 不同鋼渣砂摻量的鋼渣混凝土配合比表(kg/m3)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 工作性

如圖1所示為不同鋼渣砂摻量混凝土坍落度曲線。分析圖1可知，在其他條件相同的情況下，以等體積替換的方式摻入鋼渣砂，隨著鋼渣砂摻量的不斷增大，鋼渣混凝土流動(dòng)性有所降低。本試驗(yàn)所測(cè)得的100%鋼渣砂摻量的混凝土坍落度比未摻鋼渣砂的花崗巖機(jī)制砂混凝土坍落度小80 mm，可見，鋼渣砂的摻入量對(duì)混凝土的流動(dòng)性影響較大。究其原因主要是鋼渣砂與花崗巖機(jī)制砂的特性有一定的差別，與花崗巖機(jī)制砂相比，鋼渣砂表面粗糙，表面孔隙較多，且具有一定的吸水特性，所以濕潤(rùn)鋼渣砂的用水量比濕潤(rùn)花崗巖機(jī)制砂的用水量大，且由于減水劑溶解在水中，鋼渣砂在吸收混凝土自由水的同時(shí)，也會(huì)吸收一定的減水劑，在相同用水量及減水劑用量的條件下，摻鋼渣砂混凝土的流動(dòng)性比未摻鋼渣砂混凝土的低。

圖1 不同鋼渣砂摻量混凝土坍落度曲線圖

3.2 力學(xué)性能及耐久性

3.2.1 抗壓強(qiáng)度

不同摻量鋼渣砂混凝土抗壓強(qiáng)度曲線如下頁(yè)圖2所示。分析圖2可知，鋼渣砂摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的影響。隨著鋼渣砂摻量的增加，鋼渣砂混凝土7 d、14 d、21 d、28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)鋼渣砂摻量為25%時(shí)，鋼渣砂混凝土抗壓強(qiáng)度最佳，相比未摻鋼渣砂的機(jī)制砂混凝土，7 d和28 d抗壓強(qiáng)度增大了1 MPa；當(dāng)鋼渣砂摻量為100%時(shí)，相比未摻鋼渣砂的機(jī)制砂混凝土，7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別減小了2.5 MPa、3 MPa。當(dāng)鋼渣砂摻量較小時(shí)，鋼渣與機(jī)制砂混合，形成的混合砂級(jí)配更好，在一定程度上可以提高混凝土的密實(shí)度，且鋼渣砂具有一定的吸水特性，摻加一定的鋼渣砂后，鋼渣砂可以吸收少量的混凝土的自由水，使鋼渣砂混凝土的水灰比增大；但隨著鋼渣砂摻量的增大，鋼渣砂與機(jī)制砂混合后的混合料細(xì)度模數(shù)減小，且鋼渣砂表面粗糙、孔隙多、比表面積大，需要更多的水泥漿包裹砂的表面，而鋼渣砂的壓碎值比花崗巖機(jī)制砂低，所以，當(dāng)鋼渣砂摻量較大時(shí)，摻鋼渣砂混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

圖2 不同摻量鋼渣砂混凝土抗壓強(qiáng)度曲線圖

3.2.2 抗拉強(qiáng)度

不同摻量鋼渣砂混凝土抗拉強(qiáng)度曲線如圖3所示。分析圖3可知，鋼渣砂摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度影響與抗壓強(qiáng)度類似。隨著鋼渣砂摻量的增加，鋼渣砂混凝土7 d、14 d、21 d、28 d抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)鋼渣砂摻量為25%時(shí)，鋼渣砂混凝土抗壓強(qiáng)度最佳；當(dāng)鋼渣砂摻量為100%時(shí)，相比未摻鋼渣砂的機(jī)制砂混凝土抗拉強(qiáng)度小。

圖3 不同摻量鋼渣砂混凝土抗拉強(qiáng)度曲線圖

3.2.3 抗凍性

鋼渣砂混凝土的抗凍性參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082)[12]中的慢凍法開展試驗(yàn)，并結(jié)合強(qiáng)度損失率及質(zhì)量損失率衡量鋼渣砂混凝土的抗凍特性。如圖4、圖5所示為不同凍融循環(huán)條件下的不同摻量鋼渣砂混凝土抗壓強(qiáng)度損失率及質(zhì)量損失率曲線。分析圖4、圖5可知，不同鋼渣砂摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率及質(zhì)量損失率都隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，但在同一凍融循環(huán)次數(shù)條件下，不同鋼渣砂摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率及質(zhì)量損失率變化較小，所以鋼渣砂摻量對(duì)混凝土的抗凍性影響較小。

圖4 不同凍融循環(huán)條件下的不同摻量 鋼渣砂混凝土抗壓強(qiáng)度損失率曲線圖

圖5 不同凍融循環(huán)條件下的不同摻量 鋼渣砂混凝土質(zhì)量損失率曲線圖

3.2.4 抗?jié)B性

鋼渣砂混凝土的抗?jié)B性參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082)中的電通量法開展試驗(yàn)，以6 h總電通量大小衡量鋼渣砂混凝土的滲透性。如圖6所示為不同摻量鋼渣砂混凝土6 h總電通量試驗(yàn)結(jié)果。分析圖6可知，鋼渣砂摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性有一定的影響，隨著鋼渣砂摻量的增加，鋼渣砂混凝土電通量呈增大趨勢(shì)，滲透性逐漸降低。當(dāng)鋼渣砂摻量為25%時(shí)，摻鋼渣砂混凝土的電通量與未摻鋼渣砂混凝土電通量接近，所以25%鋼渣砂摻量的混凝土抗氯離子滲透性較好。鋼渣砂與花崗巖機(jī)制砂材料不同，原材料對(duì)比研究顯示，鋼渣砂集料比花崗巖機(jī)制砂顆粒棱角多，表面孔隙更豐富，導(dǎo)致了摻鋼渣砂的混凝土孔隙連通率相對(duì)增加，抗氯離子滲透力降低。

圖6 不同摻量鋼渣砂混凝土電通量試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

4 結(jié)語

混凝土是工程建設(shè)領(lǐng)域不可或缺的材料。本文采用花崗巖粗集料、鋼渣砂、花崗巖機(jī)制砂、水泥、粉煤灰、減水劑為原材料，按不同比例以等體積替換的方式將鋼渣砂摻入花崗巖機(jī)制砂混凝土中，并對(duì)混凝土的工作性、強(qiáng)度及耐久性進(jìn)行了探討，得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)加工后的轉(zhuǎn)爐鋼渣砂進(jìn)行物理化學(xué)分析顯示，鋼渣砂化學(xué)成分主要為CaO、Fe2O3、SiO2，主要礦相成分為CaCO3、Ca2Fe2O5、Ca2SiO4、Fe2O3以及RO相。鋼渣砂表面粗糙，易吸水，質(zhì)地堅(jiān)硬，物理力學(xué)性能良好。

(2)按不同比例以等體積替換的方式摻入鋼渣砂，隨著鋼渣砂摻量的不斷增大，鋼渣混凝土流動(dòng)性有所降低，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。

(3)等體積摻入鋼渣砂后的混凝土隨著鋼渣砂摻量的增大，混凝土抗氯離子滲透性有所降低。當(dāng)摻量較小時(shí)，降低幅度不明顯，當(dāng)摻量較大時(shí)，降低速率增大。抗凍性研究顯示，鋼渣砂摻量對(duì)混凝土抗凍性影響較小。