鋼渣石混凝土的耐久性能試驗研究

林威，王成剛，2，劉金玉，馬兵輝，劉自民

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2土木工程結構與材料安徽省級重點實驗室，安徽 合肥 230009；3亳州建投房地產開發有限公司，安徽 亳州 236800；4.安徽同濟建設集團有限責任公司，安徽 合肥 230000；5.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心綜合利用研究所，安徽 馬鞍山 243000）

1 引言

作為全球鋼鐵生產大國，近幾年我國鋼鐵產量很大，粗鋼年產超過八億噸，其中粗鋼年產超過一億噸，鋼渣產量也很高。大量鋼渣的堆積，不僅導致土地資源浪費，而且給環境帶來了污染的問題。我國對于鋼渣的回收利用一直處于較低水平，綜合利用率在30%左右。環境和資源問題正成為制約鋼鐵企業發展的瓶頸，鋼渣的再利用是可持續發展的核心議題之一。若將鋼渣用作混凝土骨料，不僅可以解決因鋼渣大量堆積造成巨大的環境污染難題，節約自然資源，還將增加煉鋼企業的經濟效益。研究表明：鋼渣集料替代混凝土中的粗細集料后，在一定程度上提高了鋼渣混凝土的耐久性能和力學性能。

本文采用鋼渣石代替天然石子制備C30鋼渣石混凝土，研究鋼渣石混凝土的耐久性能。

2 試驗概況

2.1 原材料

①水和水泥：試驗的拌合用水均為合肥市自來水，水泥均為P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，全產自安徽銅陵海螺水泥廠，且生產日期均為一周內。水泥基本性能見表1。

水泥的基本性能 表1

②河砂細骨料：試驗所用砂子，為普通中砂，屬于Ⅱ區中砂，細度模數為2.87，具體特性見表2。

河砂基本特性 表2

③碎石粗骨料：石子為5～20mm連續級配的石灰石，并將篩分后的粗細兩種碎石進行級配，其中粗細碎石質量比為7:3。并依據《建筑用卵石、碎石》（GBT14685－2001），檢測了級配碎石的相關性能，結果見表3。

石灰巖碎石的基本特性 表3

④鋼渣石：試驗所用鋼渣石是馬鋼四鋼軋總廠300t轉爐渣采用熱悶工藝產生的鋼渣顆粒，并采用了XRF分析方法對其化學組成進行了分析，其主要組分結果見表4。

鋼渣石的主要化學成分 表4

試驗所用鋼渣為塊狀鋼渣，顏色呈灰黑色，粒徑在20mm以下，為5～20mm連續級配，依據混凝土碎石的檢測標準檢測了鋼渣石的相關物理特性，結果見表5。

鋼渣石的基本特性 表5

2.2 試驗配合比

由于鋼渣石混凝土尚處于研究階段，沒有明確的配合比可供直接使用，先依據普通混凝土配合比作為基準。其中鋼渣石混凝土配合比采用等質量取代石灰巖碎石的方法，以普通混凝土配合比設計為基礎，獲得鋼渣石混凝土的配合比。鋼渣石等質量取代石灰巖碎石的比例分別為25%、50%、75%和100%，鋼渣石混凝土配合比見表6。

鋼渣石混凝土配合比 表6

2.3 試驗方法

本試驗采用半自動混凝土攪拌機，配合比采用表6中所設計的方案。按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）要求制備混凝土立方體抗碳化、抗氯離子滲透性及耐磨性能的試件，養護到規定的齡期后測試混凝土試件各齡期的立方體抗耐久性、抗氯離子滲透性能及耐磨性能。

3 試驗結果與分析

3.1 抗碳化性能

3.1.1 試驗結果

通過20組共60個邊長為100×100×100mm的立方體試塊的測試，記錄普通混凝土拌合物和不同取代率鋼渣石混凝土拌合物的碳化深度數據，其試驗的結果見表7。由表7中數據，繪制出不同鋼渣石取代率混凝土拌和物碳化深度隨時間變化曲線，如圖1所示。

不同碳化齡期條件下的碳化深度（mm） 表7

圖1 不同碳化齡期條件下的碳化深度

3.1.2 試驗結果分析

由表7和圖1可以看出：

①各組混凝土試塊隨著碳化時間的增加，碳化深度不斷加深，早期碳化深度增加較快，后期遲緩；

②通過3d和7d的碳化數據發現，在碳化養護前期，鋼渣石混凝土的碳化深度均小于普通混凝土，表現出更好的抗碳化性能，且隨著鋼渣取代率的提高，抗碳化性能呈現出先提高后降低的趨勢；

③通過14d和28d的碳化數據發現，在碳化養護后期，鋼渣石混凝土的碳化深度與普通土呈現出了更多的差異；且隨著鋼渣取代率的提高，抗碳化性能呈現出先提高后降低的趨勢；當碳化時間為28d時，只有P1組鋼渣石混凝土的碳化深度小于普通混凝土的，其他的鋼渣石混凝土的碳化深度均大于普通混凝土的。

3.2 抗氯離子滲透性能

3.2.1 試驗結果

通過5組共15個試塊的測試，得到5組不同鋼渣石取代率28d齡期混凝土試件抗氯離子滲透性電通量，如表8所示。

鋼渣石混凝土抗氯離子滲透試驗電通量（C） 表8

3.2.2 實驗結果分析

從表8可以看出：隨著鋼渣石取代率的增加，混凝土電通量值也逐漸變大，抗氯離子滲透性能變差，其中取代率為25%的P1鋼渣石混凝土抗氯離子性能與普通混凝土最接近。

3.3 耐磨性能

3.3.1 試驗結果

通過對5組共15個邊長為150×150×150mm的立方體試塊的測試，得到5組不同取代率28d齡期混凝土試件耐磨試驗磨坑寬度，如表9所示。

耐磨性試驗磨坑寬度（cm） 表9

3.3.2 試驗驗結果分析

由表9可知：鋼渣石取代率在25%和50%時，磨坑寬度較普通混凝土組小；當鋼渣取代率超過 50%，磨坑寬度不小于混凝土組。

4 結語

①碳化時間較短時，鋼渣石混凝土的抗碳化性能較普通混凝土好，鋼渣石取代率為25%時，即P1鋼渣石混凝土的抗碳化性能較好，優于普通混凝土。

②采用鋼渣石拌制的混凝土，隨著鋼渣石取代率的提高，電通量增長。同時，鋼渣石取代混凝土碎石會導致抗氯離子滲透性能的降低，故不建議鋼渣石混凝土應用于高氯鹽環境中。

③在耐磨試驗中：考慮到耐磨試驗中磨坑較小，僅磨損試塊表層砂漿部分，未能發現鋼渣石粗骨料的取代與耐磨性能之間的直接關系。