鋼渣用于制備耐磨混凝土的試驗研究

馬孟臣，饒 磊，劉自民，張耀輝，陳 娟，桂滿城

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽馬鞍山243000；2.馬鞍山馬鋼嘉華混凝土有限公司，安徽馬鞍山243000）

鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣，鋼渣的排放量為鋼產量的10%～15%[1]，2017年我國粗鋼產量8.32億t，鋼渣約為1億t。目前，歐美、日本等發達國家鋼渣綜合利用率在90%以上[2]，我國鋼渣綜合利用率不足30%[3]，大量鋼渣沒被利用且逐年累積，既占用寶貴的土地資源，還存在環保隱患。2018年1月1日起，《中華人民共和國環境保護稅法》正式實施，規定固體廢物鋼渣每噸稅額25元。因此急需開發鋼渣大宗量、多途徑、資源化利用方法，解決鋼渣堆存的問題。饒磊等[4]進行風碎鋼渣用于噴砂磨料的試驗研究，通過對風碎鋼渣、銅爐渣、PS球、石榴石的噴砂對比試驗，證明風碎鋼渣可用作噴砂磨料；孫世國等[5]利用鋼渣粉替代水泥制備鋼渣混凝土，對比分析鋼渣混凝土與普通混凝土的強度，結果表明在相同配比條件下，鋼渣混凝土的抗壓強度比普通混凝土的大；丁慶軍等[6]開展鋼渣尾渣用于制備混凝土的實驗研究，分析鋼渣尾渣粒徑、級配、摻量對混凝土耐磨性能的影響，結果表明，粒徑為2.5～5 mm或1.25～5 mm的尾渣替代20%的河砂作混凝土的細集料，能夠提高混凝土的耐磨性能，達35%以上。綜述文獻表明，目前學者對鋼渣用于制備耐磨混凝土進行了初步研究。在此基礎上，進一步研究鋼渣摻加比例對混凝土耐磨性等性能的影響，且進行工程應用實踐，為鋼渣在耐磨混凝土的應用推廣提供依據。

1 試驗

1.1 原料

鋼渣為風碎渣，其化學成分與相關性能見表1～3。P.O42.5水泥、Ⅰ級粉煤灰、S95級礦渣粉，黃砂為細度模數2.0的天然砂，粒徑為5～31.5 mm的碎石，外加劑為引氣減水劑。

表1 風碎渣的化學成分，w/%Tab.1 Chemical composition of air-granulated slag，w/%

2 風碎渣的粒度分布Tab.2 Particle size distribution of air-granulated slag

表3 風碎渣物理性能Tab.3 Physical properties of air-granulated slag

對于風碎渣，按照GB/T 1346hysic《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行沸煮安定性試驗和壓蒸安定性試驗。其中用風碎渣制作的試餅經3 h、100℃沸煮后外觀完整，表明風碎渣沸煮安定性合格。用風碎渣制作膠砂試件，在2.0 MPa壓力下壓蒸3 h，試件完整，具體試驗結果見表4。由表4可看出，試件長度膨脹率0.06%，寬度膨脹率0.07%，高度膨脹率0.03%，滿足GB/T 32546率果見表煮《鋼渣應用技術要求》中壓蒸膨脹率不大于0.80%的技術要求，壓蒸安定性合格。

表4 風碎渣壓蒸試驗結果Tab.4 Experimental results of autoclave test of air-granulated slag

1.2 試驗過程

混凝土等級選擇C30，按照表5配比稱量水泥、碎石、鋼渣、黃砂、外加劑等原料，放入混凝土攪拌機，加水攪拌均勻后放入150 mm×150 mm×150 mm模具進行振動成型。將制作成形的立方體試件放在20℃水中養護28 d，取出放入TYE-2000A型壓力試驗機中，測量其抗壓強度。

將養護28 d的混凝土立方體試件水平放置于耐磨試驗機的夾具內，調平夾緊。將磨頭放在試件磨面，使轉軸下端的滾道正好壓在磨頭上。開啟電源，磨頭預磨30轉后停機測量初始磨槽深度，磨頭每轉1 000轉停機測量磨槽深度，直至磨頭達5 000轉或磨槽深度達1.5 mm以上結束，測量試件最終磨槽深度，計算耐磨度。以黃砂混凝土試驗結果為基準，對比分析鋼渣混凝土的耐磨性。另外，用448 kPa壓縮空氣將磨損介質碳化硅垂直噴吹到混凝土標準試件上，查看混凝土試件抵抗摩擦蝕損情況。

表5 鋼渣混凝土試驗配比Tab.5 Ratio of concrete with steel slag of test

2 試驗結果與分析

2.1 鋼渣摻量對混凝土強度和耐磨性的影響

對標準條件下養護至28 d的混凝土試件進行強度和耐磨性檢測，結果見圖1。由圖1可看出：隨著鋼渣摻量的增加，混凝土28 d抗壓強度逐漸增大；其耐磨性也隨之逐步增大，鋼渣替代黃砂的比例達到70%時(編號4)，混凝土耐磨性達到峰值。

圖1 鋼渣摻量對混凝土強度和耐磨性的影響Fig.1 Influence of steel slag addition on compressive strength and abrasion resistance of concrete

鋼渣的X射線衍射(X ray diffraction，XRD)和掃描電鏡(scanning electronic microscopy，SEM)分析結果見圖2，3。由圖2，3可知，鋼渣主要礦物組成為硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、鐵酸鈣(C2F)及RO相。鋼渣主要物相維氏硬度見表6[7]。

圖2 風碎渣的XRD譜圖Fig.2 XRD spectra of air-granulated slag

一般認為黃砂易磨指數為1，高爐渣為0.96，鋼渣為0.7，易磨指數越低表明耐磨性越高。分析表6可知，鋼渣易磨性差、耐磨性好主要是因為鋼渣物相組成中RO相、C2F硬度高。RO相在高溫高壓條件下不發生水化反應[8-9]，在堿激發、高溫激發的條件水化360 d，仍基本保持惰性[10]。

表6 鋼渣的主要物相維氏硬度Tab.6 HV of the main steel slag phase

2.2 鋼渣對混凝土內部界面結合的影響

混凝土配比編號4中，摻加70%鋼渣混凝土的耐磨性最好。因此，對摻加70%鋼渣的混凝土進行抵抗摩擦蝕損能力試驗，試驗結果見圖4。從圖4可看出：未摻加鋼渣的混凝土在外力作用下，細集料的黃砂和粗骨料石子易分離而產生凹穴；對于摻加鋼渣的混凝土，作為細集料的鋼渣與粗骨料石子包裹密實，在外力作用下鋼渣顆粒仍存在于混凝土中，沒有從粗骨料石子中分離出去而產生凹穴現象。骨料和砂漿界面過渡區是混凝土中較薄弱的環節，其結構狀況影響混凝土的強度和內部緊密程度[11]。鋼渣含有與水泥礦物成分相同的硅酸二鈣(C2S)和硅酸三鈣(C3S)，鋼渣在水泥堿激發條件下養護至一段時間后具有一定活性，能夠與骨料石子形成牢固的C-S-H膠凝體，致使砂漿與集料過渡界面區結合緊密，提高了混凝土的抗磨性。

3 工程應用結果與分析

試驗結果表明，鋼渣取代黃砂能夠提高混凝土的抗壓強度和耐磨性。在鋼渣100%取代黃砂試驗結果的基礎上，為提高經濟效益，在混凝土配比中增加33%鋼渣用量，把鋼渣從660 kg/m3提高到880 kg/m3，配制鋼渣混凝土，且于2010年4月鋪設兩段道路進行工程實踐應用。未摻加鋼渣的混凝土和鋼渣混凝土的配比及其28 d抗壓強度、耐磨性見表7。

從表7可看出，未摻加鋼渣混凝土的抗壓強度為45.1 MPa，鋼渣混凝土的抗壓強度為58.8 MPa，比未摻加鋼渣混凝土的抗壓強度提高30.4%，耐磨性提高28%。工程投入應用1 a后，兩段混凝土路面在重載車輛的碾磨下都未出現裂縫、斷層等情況，但鋼渣混凝土路面完整性好于未摻加鋼渣的混凝土路面，這是因為鋼渣用于混凝土中能夠與骨料石子形成牢固的C-S-H膠凝體，提高了混凝土的整體抗磨性。

4 結 論

1)隨著鋼渣替代黃砂摻量的增加，混凝土抗壓強度逐漸增大，耐磨性也逐步提高。當鋼渣替代黃砂的比例達70%時，混凝土耐磨性達到峰值。

2)鋼渣主要物相組成為硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、鐵酸鈣(C2F)及RO相。其中RO相、C2F硬度高，而C2S、C3S具有潛在活性，在水泥激發條件下，能夠與混凝土中的骨料石子進行水化反應，致使混凝土中的砂漿與集料過渡界面區的結合緊密，提高混凝土的耐磨性。

3)工程實踐表明，鋼渣作為細骨料的混凝土能夠使混凝土抗壓強度提高30%、耐磨性提高28%。