鋼渣砂替代機制砂的混凝土特性試驗研究

勞顯勛，藍天助，黃彥鑫，蘭素戀

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

鋼渣是鋼廠在煉鋼過程中產生的副產物，其產量約為粗鋼產量的12%～20%[1-2]。近年來，隨著鋼鐵工業的不斷發展，鋼渣庫存量逐年增加，2018年，我國鋼渣的庫存量已達17億t之多[3]。鋼渣砂是鋼渣固體廢棄物經過一定破碎、篩分等工藝加工而成的細集料，將鋼渣做成細集料應用到工程領域，不僅在一定程度上可以提高鋼渣利用率，緩解鋼鐵工業的額外壓力，還可以減少碎石開采，保護生態環境。

近年來，國內外學者對鋼渣集料的利用進行了一定的研究，并取得了一定的成果。徐兵等[4]研究了在上海某護岸工程中采用摻入鋼渣粉、鋼渣砂、鋼渣粗集料的混凝土預制樁，結果表明，鋼渣混凝土強度良好；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，得出了鋼渣混凝土抗壓強度與取代粒徑呈正比，膨脹率與取代粒徑成反比的結論；孫小巍等[6]研究了鋼渣砂與石英砂混合后級配對水泥灌漿料性能的影響，研究結果表明混合骨料級配對灌漿料流動度影響較大，混合料堆積密度對抗壓強度影響較大。

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

1 試驗原材料

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，試驗測定的物理力學指標如下頁表1所示，碎石物理力學性能良好，各項指標滿足《建筑用卵石、碎石》(GB-T14685-2011)[7]的要求。

1.2 細集料

細集料采用鋼渣砂及機制砂。鋼渣砂來源為防城港某鋼鐵廠陳化12個月的陳渣，鋼渣砂顏色呈黑色；機制砂采用欽州某采石場以花崗巖為原材料經破碎加工而成的機制砂。按要求取樣后對鋼渣砂及機制砂的物理力學特性進行了試驗分析。

1.2.1 鋼渣砂

試驗采用X熒光光譜半定量分析鋼渣砂的化學成分，結果如下頁表2所示，鋼渣砂的化學成分與水泥接近，主要化學成分為CaO、Fe2O3、SiO2。鋼渣砂的礦物相組成如下頁表3所示，陳化12個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指標表

表2 陳化12個月鋼渣砂主要化學成分表(%)

表3 陳化12個月鋼渣砂主要礦相成分表(%)

取一定的鋼渣砂進行篩分試驗。本試驗采用的鋼渣砂級配如表4所示，該鋼渣砂細度模數為2.8，屬于中砂。根據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)[8]，測定鋼渣砂的其他基本指標如表5所示，與機制砂相比，鋼渣砂的表觀密度較大，是普通機制砂的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的鋼渣細集料，并參考粗集料的吸水率測定方法開展鋼渣細集料的吸水率試驗。試驗研究表明，鋼渣砂的吸水率隨時間的增大而增大。如表6所示，0～1 h內鋼渣砂的吸水率隨時間快速增長，1～8 h內鋼渣砂的吸水率逐漸減小，8 h后鋼渣砂的吸水率趨于穩定。

表4 鋼渣砂顆粒級配表

表5 鋼渣砂基本指標表

表6 不同浸水時間下鋼渣砂的吸水率表

1.2.2 機制砂

本試驗采用機制砂為花崗巖經破碎加工而成，級配如表7所示。該機制砂細度模數為2.9，屬于中砂。機制砂的物理力學指標如表8所示，物理力學性能良好，各項指標滿足《建筑用砂》(GB 14684-2011)[9]的要求。

表7 機制砂顆粒級配表

表8 機制砂主要物理力學指標表

1.3 膠凝材料

1.3.1 水泥

本試驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥，該水泥相關指標如表9所示。水泥的凝結時間滿足混凝土用水泥標準，煮沸法安定性合格。

1.3.2 粉煤灰

試驗所采用的粉煤灰為防城港某發電廠生產的Ⅱ級粉煤灰。粉煤灰技術指標如表10所示，各項指標滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2005)[10]規范使用要求。

表9 P.O42.5級水泥相關指標表

表10 粉煤灰相關指標表

1.4 減水劑

采用南寧市雨潤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，減水率為25%。

2 不同鋼渣砂摻量混凝土配合比

本次試驗分別設置鋼渣砂摻量為0、25%、50%、75%、100%，按《普通混凝土配合比設計方法》(JGJ55-2011)[11]設計C30鋼渣混凝土。鋼渣混凝土配置強度為38 MPa，根據碎石混凝土強度經驗公式計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合經驗確定鋼渣混凝土體積砂率為37%，按絕對體積法計算公式(1)～(2)，得出不同等體積替換機制砂的鋼渣砂混凝土配合比如表11所示。

(1)

(2)

式中：ms2——機制砂用量(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數，不使用引氣劑時為1。

表11 不同鋼渣砂摻量的鋼渣混凝土配合比表(kg/m3)

3 試驗結果與分析

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，鋼渣混凝土流動性有所降低。本試驗所測得的100%鋼渣砂摻量的混凝土坍落度比未摻鋼渣砂的花崗巖機制砂混凝土坍落度小80 mm，可見，鋼渣砂的摻入量對混凝土的流動性影響較大。究其原因主要是鋼渣砂與花崗巖機制砂的特性有一定的差別，與花崗巖機制砂相比，鋼渣砂表面粗糙，表面孔隙較多，且具有一定的吸水特性，所以濕潤鋼渣砂的用水量比濕潤花崗巖機制砂的用水量大，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，也會吸收一定的減水劑，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 力學性能及耐久性

3.2.1 抗壓強度

不同摻量鋼渣砂混凝土抗壓強度曲線如下頁圖2所示。分析圖2可知，鋼渣砂摻量對混凝土抗壓強度有一定的影響。隨著鋼渣砂摻量的增加，鋼渣砂混凝土7 d、14 d、21 d、28 d抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢。當鋼渣砂摻量為25%時，鋼渣砂混凝土抗壓強度最佳，相比未摻鋼渣砂的機制砂混凝土，7 d和28 d抗壓強度增大了1 MPa；當鋼渣砂摻量為100%時，相比未摻鋼渣砂的機制砂混凝土，7 d和28 d抗壓強度分別減小了2.5 MPa、3 MPa。當鋼渣砂摻量較小時，鋼渣與機制砂混合，形成的混合砂級配更好，在一定程度上可以提高混凝土的密實度，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，鋼渣砂與機制砂混合后的混合料細度模數減小，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制砂低，所以，當鋼渣砂摻量較大時，摻鋼渣砂混凝土抗壓強度降低。

圖2 不同摻量鋼渣砂混凝土抗壓強度曲線圖

3.2.2 抗拉強度

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

圖3 不同摻量鋼渣砂混凝土抗拉強度曲線圖

3.2.3 抗凍性

鋼渣砂混凝土的抗凍性參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082)[12]中的慢凍法開展試驗，并結合強度損失率及質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條件下的不同摻量鋼渣砂混凝土抗壓強度損失率及質量損失率曲線。分析圖4、圖5可知，不同鋼渣砂摻量的混凝土抗壓強度損失率及質量損失率都隨凍融循環次數的增加而增大，但在同一凍融循環次數條件下，不同鋼渣砂摻量的混凝土抗壓強度損失率及質量損失率變化較小，所以鋼渣砂摻量對混凝土的抗凍性影響較小。

圖4 不同凍融循環條件下的不同摻量 鋼渣砂混凝土抗壓強度損失率曲線圖

圖5 不同凍融循環條件下的不同摻量 鋼渣砂混凝土質量損失率曲線圖

3.2.4 抗滲性

鋼渣砂混凝土的抗滲性參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082)中的電通量法開展試驗，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總電通量試驗結果。分析圖6可知，鋼渣砂摻量對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，滲透性逐漸降低。當鋼渣砂摻量為25%時，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。鋼渣砂與花崗巖機制砂材料不同，原材料對比研究顯示，鋼渣砂集料比花崗巖機制砂顆粒棱角多，表面孔隙更豐富，導致了摻鋼渣砂的混凝土孔隙連通率相對增加，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結果柱狀圖

4 結語

混凝土是工程建設領域不可或缺的材料。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制砂混凝土中，并對混凝土的工作性、強度及耐久性進行了探討，得出如下結論：

(1)對加工后的轉爐鋼渣砂進行物理化學分析顯示，鋼渣砂化學成分主要為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，質地堅硬，物理力學性能良好。

(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，鋼渣混凝土流動性有所降低，抗壓強度和抗拉強度呈現先增大后減小的變化規律。

(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。當摻量較小時，降低幅度不明顯，當摻量較大時，降低速率增大?？箖鲂匝芯匡@示，鋼渣砂摻量對混凝土抗凍性影響較小。