碳化鋼渣集料制備透水混凝土*

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實驗室，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]。本課題利用碳化鋼渣制備集料，研究不同摻量下碳化鋼渣集料替代石子骨料對透水混凝土抗壓強度、孔隙率、透水率及抗凍性的影響，

1 試驗

1.1 原材料

水泥：山東山水集團生產P·O42.5，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2.77 g/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，經鄂破、篩分得粒徑4.75～9.5 mm，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 實驗方法

在粒徑4.75～9.5 mm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，進行鋼渣集料碳化養護360 min。按GB/T14685—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測定鋼渣碳化前后的礦物組成及微觀形貌。

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/T135—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 碳化鋼渣集料性能

分別取未處理鋼渣和碳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，而鄂破、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測試堅固性，碳化鋼渣集料質量損失為2.7%，與石灰巖碎石（2.4%）相差不大。

2.2 透水混凝土性能

碳化鋼渣集料透水混凝土水膠比采用0.30，外加劑摻量2.0%，其配合比見表3。A02與A01相比，28d抗壓強度降低1.54 MPa，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%）。

圖1 碳化鋼渣集料XRD圖譜

圖2 碳化鋼渣集料SEM照片

表3 碳化鋼渣集料透水混凝土配合比 kg/m3

表3是碳化鋼渣集料透水混凝土抗壓強度，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%。由于碳化致使鋼渣集料致密性提高，壓碎值得以改善，用碳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；而碳化鋼渣集料取代碎石的量達到20%，透水混凝土強度為20.9MPa。

表3 試件28d抗壓強度 MPa

由表4可見，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。

表4 試件孔隙率 %

透水系數的透水混凝土的重要性能。表5是碳化鋼渣集料透水混凝土透水系數，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，當碳化鋼渣集料取代量達到20%時，透水系數達到了2.8 mm/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。

表5 試件透水系數 mm/s

表6為為凍融循環質量和強度損失變化，在質量損失方面，與空白樣相比，碳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（替代20%時，強度損失就已經達到了15.6%）。

表6 試件抗凍性 %

3 結語

（1）研究用碳化集料代替普通集料，制備透水混凝土。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，碳化鋼渣集料在透水混凝土中的合理替代20%碎石時，透水混凝土28 d抗壓強度21.9 MPa，孔隙率16.3%，透水系數2.8 mm/s，凍融循環質量和強度損失率分別為3.6%和10.1%。