鋼渣砂混凝土工作性能研究

文/田井鋒 黃 俠 王成剛（.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 .合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院）

一、引言

鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，其產(chǎn)量是粗鋼產(chǎn)量的10%～15%[1]。2018 年我國粗鋼產(chǎn)量高達(dá)9.28 億噸，鋼渣產(chǎn)出已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出1 億噸，而鋼渣的綜合利用率僅為30%左右[2]，大量鋼渣堆放對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境都是巨大的負(fù)擔(dān)。用鋼渣替代部分天然骨料，不僅能使鋼渣得到二次利用[3]，還能降低天然砂石資源的用量，改善鋼渣堆放造成的環(huán)境污染[4]。研究表明，鋼渣粉中含有C2S、C3S等礦物成分，具有潛在活性，可以降低漿體的水化熱，提高混凝土拌合物的流動(dòng)性[5]；鋼渣集料（5～20mm）全部替代粗集料后，可以降低鋼渣粗集料與水泥漿體之間的寬度，增強(qiáng)其黏結(jié)力，進(jìn)而在一定程度上提高鋼渣混凝土的力學(xué)性能[6-7]。

本文采用馬鋼四鋼軋總廠300t 轉(zhuǎn)爐渣熱悶工藝產(chǎn)生的鋼渣砂取代天然砂，制備C30 鋼渣砂混凝土，研究鋼渣砂對(duì)混凝土工作性能的影響。

二、原材料

普通細(xì)集料：普通河砂，屬于Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.87。

水：自來水。

水泥：安徽海螺建材的P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥基本性能見表1。

粗集料：天然石灰?guī)r碎石，試驗(yàn)選用級(jí)配為5～10mm、10～20mm 組合級(jí)配。采用圖解法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，確定粗集料配合比為5～10mm 碎石與10～20mm 碎石的比例為3∶7，測(cè)定其表觀密度2.72g/cm3，含泥量0.28%，吸水率0.55%。

表1 水泥基本性能

鋼渣砂：馬鋼四鋼軋總廠300t 轉(zhuǎn)爐渣采用熱悶工藝產(chǎn)生的鋼渣顆粒，利用XRF 衍射測(cè)試出鋼渣砂化學(xué)組成為CaO 50.3%，F(xiàn)e2O324.68%，SiO211.7%，MgO 3.94%，P2O52.64%，Al2O32.95%，TiO21.25%，其他0.32%。

將鋼渣砂篩分為2 個(gè)級(jí)配后，采用圖解法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，確定0.3～1.18mm 鋼渣砂與1.18～4.75mm 鋼渣砂的比例為7∶3。配比后鋼渣砂表觀密度3.35g/cm3，含泥量1.1%，細(xì)度模數(shù)2.91。

三、配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用絕對(duì)質(zhì)量法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，將C30 基準(zhǔn)混凝土坍落度控制在110mm±20mm 范圍內(nèi)。鋼渣砂等質(zhì)量取代天然砂，取代率分別為0、25%、50%、75%、100%，鋼渣砂混凝土配合比見表2。

表2 鋼渣砂混凝土配合比（單位：kg/m3）

四、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用半自動(dòng)混凝土攪拌機(jī)，配合比采用表2 中所設(shè)計(jì)的方案。先將水、水泥和河砂置于攪拌機(jī)中，開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌30s 后停止，再依次加入鋼渣砂和石子，攪拌3～5min 后測(cè)其坍落度。

分批次將拌合物鏟入坍落度測(cè)試筒中，每次的鏟入量約為筒體高度的三分之一，每次裝料后，利用鋼棍對(duì)內(nèi)部進(jìn)行均勻插搗。第三次插搗后，將筒口溢出邊緣的拌合物除去，然后快速提起筒體，測(cè)量和記錄拌合物高度的降低。第一次坍落度測(cè)試后，分別在30min 和60min 時(shí)再次進(jìn)行坍落度試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。

五、試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)試驗(yàn)，記錄普通混凝土拌合物和不同取代率鋼渣砂混凝土拌合物的坍落度數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)的結(jié)果見表3。由表3 數(shù)據(jù)可以看出，各組混凝土的坍落度隨著時(shí)間增加而降低；在同一時(shí)刻，坍落度從大到小依次為P0＞P1＞P2＞P3＞P4，隨著鋼渣砂取代率的提高，各組混凝土的坍落度隨之降低，鋼渣砂混凝土的坍落度均小于普通混凝土的，添加鋼渣砂對(duì)混凝土的工作性能有不利的影響。由表3 數(shù)值可見鋼渣砂取代率為25%的鋼渣砂混凝土的工作性能與普通混凝土最為接近，是鋼渣砂的最佳取代率。

表3 各組混凝土坍落度值（單位：mm）

隨著時(shí)間的增加，各組混凝土的坍落度隨之而降低，但各組混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失率卻相差很大，見表4。經(jīng)過30min 和60min 放置后，混凝土坍落度損失率從大到小依次為P4、P3、P2、P1、P0。由此看出，坍落度經(jīng)時(shí)損失率與鋼渣砂的取代率成正相關(guān)，即混凝土坍落度損失率隨鋼渣砂的取代率提高而增大。

表4 坍落度經(jīng)時(shí)損失率

六、結(jié)論

1.鋼渣砂作為細(xì)集料對(duì)混凝土的工作性能有一定的不利影響。

2.隨著鋼渣砂取代率的增加，坍落度損失就越大；時(shí)間越長，坍落度的損失越大；并且隨著鋼渣砂取代率的升高，混凝土坍落度損失越快。

3.當(dāng)鋼渣砂的取代率為25%時(shí)，鋼渣砂混凝土工作性能與普通混凝土最為接近，故最佳取代率為25%。