鋼渣細集料摻量對混凝土力學性能及碳化性能影響研究

丁 昕 張 偉

（1.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250000；2.山東中堅工程質量檢測有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

混凝土是目前建筑工程中最常用的建筑材料之一，其中作為細集料的砂在混凝土中消耗量巨大。目前，部分學者已發現天然砂可以用不同的廢料代替，并在利用廢棄物的同時改善混凝土塑性、和易性，可提高混凝土強度和耐久性。石東升[1]以摻量50%、100%高爐礦渣部分取代水泥摻入混凝土中研究其對礦渣混凝土抗壓強度的影響，研究發現，當代砂率為50%時，其抗壓強度略高于石英砂高性能水泥基材料。田雨澤[2]、侯景鵬[3]研究了鐵礦石尾礦部分替代細骨料的混凝土和易性，研究發現在混凝土中，粉煤灰和鋼渣最優替代率均為30%時，可提高混凝土的力學性能，與普通混凝土相比，混凝土抗壓強度可提高3.8%。同時，在混凝土中用鋼渣粉代替天然河砂，對混凝土的力學性能也有一定提升。

該文探究將磨細鋼渣粉作為細骨料部分替代天然細骨料的可行性，研究其對混凝土力學性能的影響，以期為減少鋼鐵廢棄物對環境的不利影響提供可借鑒的方法，減少混凝土材料中天然細骨料的用量，節約自然資源。

1 試驗

1.1 試驗原材料

該文使用PO42.5R 普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標檢測值見表1。天然河砂最大粒徑為4.75mm，相對密度為2.67，堆積密度為1650kg/m3，細度模數為2.7。天然粗骨料最大粒徑為12.5mm，相對密度為2.75，堆積密度為1610kg/m3，細度模數為6.2。

表1 水泥主要性能參數

鋼渣細集料選用中部城市某鋼鐵廠的廢棄鋼鐵廢料，并將其磨細、篩分處理為鋼渣細集料，篩除粒徑大于5mm 的顆粒，鋼渣的相對密度為3.55，堆積密度為2168kg/m3，細度模量為2.3。鋼渣細集料顆粒粒徑分布具體情況見表2。鋼渣細集料的堆積密度與天然河砂的堆積密度有一定差異，在混凝土硬化后會對混凝土的密度有所影響[4]。

表2 鋼渣細集料顆粒粒徑分布

1.2 配合比設計和試件制備

試驗配合比以JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》為依據，配合比設計應達到混凝土所需的和易性，以防止離析并便于澆筑，具體各摻合料摻量和水灰比見表3。該文研究了6 種鋼渣細集料摻量：0%、6%、12%、18%、24%和30%等質量代替天然細骨料河砂。

表3 鋼渣細集料混凝土試件配合比

混凝土坍落度試驗是衡量混凝土稠度，以評估新拌混凝土和易性的試驗方法。根據GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》制備用于抗壓強度試驗的54個100mm×100mm×100mm 的立方體和用于抗折試驗的54 個100mm×100mm×500mm的棱柱體試件。在鋼渣細集料混凝土標準養護7d、14d 和28d 后對試樣進行力學強度測試，測得齡期為7d、14d和28d 的鋼渣混凝土的抗壓強度和彎曲強度。根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中相關規定分別進行齡期為7d、14d 和28d 的鋼渣混凝土的碳化試驗。

2 試驗結果和分析

2.1 坍落度

為了探討鋼渣細集料的摻入對混凝土拌合物和易性的影響，在各組混凝土拌和過程中測定混凝土混合料的坍落度。未摻入鋼渣細集料的S0 組混凝土的坍落度為65mm，在人工攪拌時混凝土拌合物較干，坍落度較小，雖然流動性較差，但保水性和黏聚性較好。隨著鋼渣細集料摻量的增加，鋼渣細集料混凝土的坍落度持續減少，但鋼渣細集料混凝土的和易性仍在可接受范圍內。將各組混凝土坍落度值與鋼渣細集料摻量的關系繪制成曲線，如圖1 所示。

圖1 鋼渣細集料混凝土的坍落度

2.2 力學性能

試驗中每組3 個試件計算所得結果見表4，可見各組試件力學強度均隨齡期而增長。S1、S2、S3、S4、S5 組混凝土前7d 內強度增長速率大于普通混凝土，但14d 內抗壓強度增長速率小于普通混凝土，14d 內抗折強度增長速率與普通混凝土基本相同。

表4 鋼渣細集料混凝土的力學強度

2.2.1 抗壓強度

不同齡期的鋼渣細集料混凝土的抗壓強度如圖2 所示。混凝土強度隨著鋼渣細集料摻量的增加呈先增大、后變小的趨勢。鋼渣細集料摻量為6%時的抗壓強度最高，因此，在混凝土中使用6%的鋼渣細集料對混凝土抗壓力學性能的提升效果最好。分析其原因，水泥水化過程中產生的水化產物氫氧化鈣對鋼渣細集料的水化進程有促進作用，可使其產生二次水化。二次水化產物在混凝土中與水泥進行緊密結合，從而使混凝土的抗壓強度有一定增加[5]。當鋼渣細集料的摻量超過最優摻量時，反而對水泥的水化過程有不利影響，會使混凝土抗壓強度下降。

圖2 不同齡期的鋼渣細集料混凝土的抗壓強度

2.2.2 抗折強度

不同齡期的鋼渣細集料混凝土的抗折強度如圖3 所示。不同齡期的混凝土抗折強度隨著鋼渣細集料的摻入呈先增加、后變小的趨勢。在混凝土中使用12%的鋼渣細集料對混凝土抗折力學性能的提升效果最好，摻量超過12%時反而會造成抗折強度下降。

圖3 不同齡期的鋼渣細集料混凝土的抗折強度

2.2.3 折壓比

用抗折強度與抗壓強度之間的比值即折壓比來衡量混凝土抗壓強度與抗折強度間的關系，折壓比也能從一定程度上反映混凝土的抗裂能力，是反映混凝土韌性的關鍵參數。當折壓比較大時，對應混凝土的韌性較好、抗裂性能較強。反之，當折壓比較小時，對應的混凝土韌性較差、抗裂性能也較差[6]。

分析具體數據，齡期為7d 的S1 組混凝土和S2 組混凝土折壓比分別為0.0732 和0.0773，比S0 組混凝土折壓比降低了12.1%和7.2%。齡期為7d 的S3 組、S4 組和S5 組混凝土折壓比比S1組混凝土折壓比增加了27.7%、48.0%和41.1%。齡期為14d 的鋼渣細集料混凝土的折壓比均比未摻鋼渣細集料的S0 組混凝土折壓比大。鋼渣細集料摻量為6%、12%、18%、24%和30%的混凝土比S0 組混凝土折壓比分別增加了0.8%、1.9%、45.8%、54.4%和67.2%。齡期為28d 的S1 組混凝土折壓比為0.0763，比齡期為28d 的S2組、S3 組、S4 組和S5 組混凝土折壓比增加了20.5%、23.2%、49.9%和32.0%。混凝土折壓比變化規律較一致，一般均會隨著鋼渣細集料摻量的增加而增大。齡期為7d 和28d 的鋼渣混凝土折壓比均在鋼渣細集料摻量為24%的情況下達到最大，而14d 齡期的鋼渣細集料混凝土折壓比在鋼渣摻量為30%的情況下有最大值，此時鋼渣細集料混凝土韌性最好、抗裂性能最強。

2.3 耐久性能

該文對各組鋼渣細集料混凝土進行耐久性能分析，并進行加速碳化試驗，以研究不同摻量的鋼渣細集料對混凝土耐久性能的影響。隨著碳化時間的增加，鋼渣細集料混凝土的碳化深度逐漸增加。隨著鋼渣細集料摻量的增加，在相同碳化時長情況下，鋼渣細集料混凝土的碳化深度先降低、后增加。分析不同鋼渣細集料摻量對混凝土碳化深度的影響。6%摻量的鋼渣細集料混凝土的碳化深度最小，抗碳化性能最優。不同碳化時間的鋼渣細集料混凝土分別比未摻加鋼渣細集料的普通混凝土的碳化深度減少了21.2%、13.8%和26.4%。分析其原因，適當摻量的鋼渣細集料加入混凝土后，可以改善混凝土的密實性，對二氧化碳的傳輸也起到一定的阻礙作用，可提升混凝土的抗碳化性能。當鋼渣細集料的摻量超過最優摻量時，反而會造成混凝土密實度下降，同時水化反應引起氫氧化鈣的總量變少，加快了二氧化碳的傳輸，對混凝土的耐久性能會產生不利影響[7]。

3 結論

該文研究了鋼渣細集料在不同摻量條件下對混凝土和易性、力學性能和抗碳化性能的影響，得出如下結論：1）鋼渣細集料的摻入減少了坍落度，使混凝土拌合物流動性變差，但保水性和黏聚性較好。2）鋼渣細集料混凝土的力學強度隨著鋼渣細集料摻量的增加呈先增大、后變小的變化趨勢。28d 齡期的鋼渣細集料混凝土在6%摻量時的抗壓強度最優，比未摻鋼渣細集料的普通混凝土28d 抗壓強度提高了11.2%。28d 齡期的鋼渣細集料混凝土在12%摻量時的抗折強度最優，比未摻鋼渣細集料的普通混凝土28d 抗折強度提高了19.2%。齡期為28d 的鋼渣混凝土的鋼渣細集料摻量為24%時，折壓比達到最大，此時鋼渣細集料混凝土韌性最好、抗裂性能最強。3）摻入適量鋼渣細集料的混凝土的碳化深度比普通混凝土有一定下降，最優鋼渣細集料的摻量為6%，此時混凝土的抗碳化性能最佳。4）在混凝土中摻入鋼渣細集料能制備出一種新型復合混凝土，可嘗試在實際工程中進行推廣使用。