碳酸化養(yǎng)護(hù)鋼渣集料在透水混凝土中的應(yīng)用*

吳昊澤，徐東宇

（1. 山東省水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站；山東 濟(jì)南 250022；2. 濟(jì)南大學(xué)山東省建筑材料制備與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250016）

0 前言

鋼渣是煉鋼工業(yè)中所產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，由于鋼渣早期水化活性低、安定性不良，鋼渣的應(yīng)用受到限制[1-3]。應(yīng)用碳酸化養(yǎng)護(hù)，可以快速將 CO2固化儲(chǔ)存在鋼渣中[4]，有效改善其安定性不良等問題[5-7]，應(yīng)用碳酸化鋼渣可制備人造集料[8-9]。近幾年來(lái)，我國(guó)對(duì)透水混凝土展開了廣泛研究和應(yīng)用[10]。透水混凝土具有孔隙大、透水率高、抗凍性等特點(diǎn)，可以在極端天氣下加快城市排水和地下水循環(huán)[11]。現(xiàn)有的透水混凝土因石子骨料之間的孔隙導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，后期易發(fā)生收縮斷裂，從而影響了混凝土的力學(xué)性能和耐久性[12]。本課題利用碳酸化鋼渣制備集料，研究不同摻量下碳酸化鋼渣集料替代石子骨料對(duì)透水混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：山東山水集團(tuán)生產(chǎn) P·O42.5 水泥，密度3.07g/cm3，初凝和終凝時(shí)間分別為 180min 和 270min，3d 和 28d 抗壓強(qiáng)度分別為 24.8MPa 及 55.1MPa。

粉煤灰：濟(jì)南黃臺(tái)電廠生產(chǎn) F 類 Ⅱ 級(jí)，密度2.77g/cm3，比表面積 434m2/kg，燒失量 4.84%。

粗集料：平安建設(shè)混凝土攪拌站用石灰?guī)r碎石，粒徑 4.75～9.5mm，連續(xù)級(jí)配，表觀密度 2.59g/cm3，堆積密度 1.46g/cm3，壓碎指標(biāo) 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(tuán)生產(chǎn)，熱悶磁選后，經(jīng)顎破、篩分得粒徑 4.75～9.5mm，連續(xù)級(jí)配。

聚羧酸減水劑：固含量 42%，減水率 26%。

水：自來(lái)水。

應(yīng)用 Burke S8 熒光分析儀檢測(cè)原材料的主要化學(xué)成分，其結(jié)果見表 1。

表 1 原材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

碳酸化鋼渣集料：在粒徑 4.75～9.5mm 鋼渣顆粒表面，按液固比 0.15kg/kg 進(jìn)行噴水（水中溶有 5% 的自制碳酸化增強(qiáng)劑 CNH40），在相對(duì)濕度 70%～90%的反應(yīng)釜中通入 CO2濃度為 30%～40% 的鋼廠配套石灰窯尾廢氣，進(jìn)行鋼渣集料碳酸化養(yǎng)護(hù) 360min。按照GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》測(cè)定鋼渣集料性能。應(yīng)用 Burke D8 Advance XRD 和日立 S-2500 SEM測(cè)定鋼渣碳酸化前后的礦物組成及微觀形貌。對(duì)于鋼渣集料還沒有明確的安定性測(cè)試方法，影響鋼渣安定性的主要因素在于較高的 MgO 和 f-CaO 含量，因此應(yīng)用熒光分析和甘油乙醇法測(cè)定鋼渣集料碳化前后的 MgO 及f-CaO 含量。

參照 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)碳酸化鋼渣集料透水混凝土，混合料采用“水泥裹石法”[13]進(jìn)行攪拌成型。按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定試件 28d 抗壓強(qiáng)度；按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試試件工作性能；采用浸水質(zhì)量法進(jìn)行孔隙率測(cè)試；按照 CJJ/T 135—2009 測(cè)試試件透水系數(shù)；抗凍性采用快速凍融循環(huán)法（設(shè)置溫度：-5～5℃，循環(huán)周期：2.5h，循環(huán)次數(shù)：50 次）。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳酸化鋼渣集料性能

按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定鋼渣集料性能，表 2 為測(cè)試結(jié)果。與原鋼渣相比，碳酸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(biāo)分別降低了 20.45%、55.34% 及36.39%。與石灰?guī)r碎石相比，碳酸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 碳酸化鋼渣集料性能

分別取未處理鋼渣和碳酸化鋼渣集料粉磨過篩，進(jìn)行 XRD 及 SEM 觀測(cè)。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。碳酸化鋼渣集料碳酸鹽的衍射峰增強(qiáng)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(qiáng)度消減，說明這些礦物經(jīng)反應(yīng)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(jié)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?guī)r碎石，而顎破、篩分的生產(chǎn)工藝致使鋼渣集料針片狀含量的增高。但經(jīng)碳酸化處理，鋼渣中碳酸鹽礦物的結(jié)晶生成，鋼渣集料更加致密，導(dǎo)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?guī)r碎石仍有不足。采用硫酸鈉溶液法測(cè)試其堅(jiān)固性，碳酸化鋼渣集料質(zhì)量損失為 2.7%，與石灰?guī)r碎石（2.4%）相差不大。分別取未處理鋼渣和碳酸化鋼渣集料粉磨過篩，經(jīng)熒光測(cè)試和甘油乙醇法測(cè)試，未處理的鋼渣集料 MgO和 f-CaO 含量分別為 8.34% 和 2.59%，碳酸化鋼渣集料 MgO 和 f-CaO 含量分別為 3.54% 和 1.02%，由此可見，鋼渣集料的安定性得到了提高。

圖 1 碳酸化鋼渣集料 XRD 圖譜

圖 2 碳酸化鋼渣集料 SEM 照片

2.2 透水混凝土性能

鋼渣集料透水混凝土水膠比采用 0.30，外加劑摻量 2.0%，其配合比及性能見表 3。如表 3 所示，A02與 A01 相比，28d 抗壓強(qiáng)度降低 1.5MPa，凍融循環(huán)后強(qiáng)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(duì)比空白樣（即采用粉煤灰內(nèi)摻 15%）。透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)和抗凍性隨著鋼渣集料的加入量變化做出趨勢(shì)圖，見圖 3～7。

表 3 透水混凝土配合比及性能

圖 3 是鋼渣集料透水混凝土抗壓強(qiáng)度變化圖，隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從 10% 至 50% 遞增，抗壓強(qiáng)度降低率依次為 20.24%、29.96%、42.51%、47.73% 及 51.01%，碳酸化鋼渣集料組抗壓強(qiáng)度降低率依次為 4.45%、15.38%、30.36%、36.44% 及 41.29%。由于碳酸化致使鋼渣集料致密性提高，壓碎值得以改善，用碳酸化鋼渣集料配制的透水混凝土抗壓強(qiáng)度明顯較好。當(dāng)處理鋼渣顆粒取代碎石的量達(dá)到 10% 時(shí)，抗壓強(qiáng)度已低于 20MPa，替代量達(dá)到 30% 時(shí)，強(qiáng)度已低于 15MPa；而碳酸化鋼渣集料取代碎石的量達(dá)到20%，透水混凝土強(qiáng)度為 20.9MPa。

圖 3 抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

圖 4 是鋼渣集料透水混凝土孔隙率變化圖，相對(duì)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%，碳酸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(duì)于孔隙率的提高，碳酸化鋼渣集料不如未處理鋼渣顆粒，甚至在替代量 10% 時(shí)，孔隙率略有降低。

圖 4 孔隙率變化趨勢(shì)圖

透水系數(shù)是透水混凝土的重要性能。圖 5 是鋼渣集料透水混凝土透水系數(shù)變化圖，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(shù)提高率依次為 8%、12%、20%、16% 及 24%，碳酸化鋼渣集料組透水系數(shù)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(shù)的提高，當(dāng)碳酸化鋼渣集料取代量達(dá)到 20% 時(shí)，透水系數(shù)達(dá)到了2.8mm/s，但透水系數(shù)的增加并沒有與替代量呈現(xiàn)出線性關(guān)系，這說明透水系數(shù)并不完全取決于孔隙率。

圖 5 透水率變化趨勢(shì)圖

圖 6 和圖 7 分別為凍融循環(huán)質(zhì)量和強(qiáng)度損失變化圖，在質(zhì)量損失方面，與空白樣相比，碳酸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(zhì)量損失依次為空白樣的 1.43、1.65、1.73、1.76及 1.95 倍。在強(qiáng)度損失方面，當(dāng)碳酸化鋼渣集料取代量為 10% 和 20% 時(shí)，與空白樣的強(qiáng)度損失幾乎相同，而隨著取代量進(jìn)一步增大，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；而未處理鋼渣顆粒的強(qiáng)度損失較高。

圖 6 凍融循環(huán)質(zhì)量損失變化趨勢(shì)圖

圖 7 凍融循環(huán)強(qiáng)度損失變化趨勢(shì)圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）為實(shí)現(xiàn)鋼渣在透水混凝土中的合理應(yīng)用，通過碳酸化處理鋼渣集料。利用 XRD 和 SEM 觀測(cè)集料表面的礦物組成和微觀形貌。

（2）通過碳酸化預(yù)處理，鋼渣集料的孔隙率、吸水率和壓碎指標(biāo)分別降低 20.45% 、55.34% 及36.39%，集料的性能得到部分優(yōu)化。

（3）研究不同粗骨料替代量時(shí)，碳酸化鋼渣集料對(duì)透水混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性的影響，碳酸化鋼渣集料在透水混凝土中替代 20% 碎石時(shí)，透水混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度 21.9MPa，孔隙率 16.3%，透水系數(shù) 2.8mm/s，凍融循環(huán)質(zhì)量和強(qiáng)度損失率分別為 3.6%和 10.1%。