鋼渣砂混凝土的耐久性能試驗研究

崔樂樂，王成剛,2，黃俠，馬兵輝

（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試驗室，安徽 合肥 230009；3.安徽同濟建設集團有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

隨著社會的不斷進步和發展，綠色環保及可持續發展理念已逐漸深入人心，對于工業廢渣的利用也越來越受人關注[1]。鋼渣是煉鋼過程中產生的工業廢渣，鋼渣的綜合利用率在一些發達國家非常高，如美國、日本，早在上世紀，日本、美國等國鋼渣的綜合利用率已經高達 100%，使得排用處于平衡狀態，歐洲的各產鋼大國也對鋼渣處理非常重視，因此其綜合利用率也高達 65%[2]。與此相比，我國鋼渣綜合利用率很低，僅為30% 左右，同時目前尚未利用的鋼渣存放量已高達 10億噸[3]。用鋼渣替代部分天然骨料，不但能使鋼渣得到二次利用，還能夠降低天然砂石資源的使用量，并使鋼渣堆放對環境的污染問題得到改善。因此將工業廢棄的鋼渣作為混凝土骨料制作為鋼渣混凝土，成為了一個重要的研究方向[4-5]。研究表明[6-8]：鋼渣替代混凝土中的粗細集料后，在一定程度上提高了混凝土的耐久性能和力學性能。

本文用鋼渣砂等質量取代天然砂，制備 C30 鋼渣砂混凝土，研究鋼渣砂混凝土的耐久性能。

1 試驗概況

1.1 原材料

（1）水泥：選用安徽海螺水泥股份有限公司生產的 P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，其主要物理與力學性能均滿足 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，詳見表 1。

（2）粗集料：本文試驗所用粗集料是天然石灰巖碎石，規格為 5～20mm，表觀密度 2.72g/cm3，含泥量為 0.28%，吸水率為 0.55%，空隙率為 46.0%，并依據GB/T 14685－2001《建筑用卵石、碎石》進行測試，均符合標準要求。

表1 水泥基本性能

（3）細集料：本文試驗采用鋼渣砂和天然砂作為細集料。其中天然砂為普通河砂，屬于Ⅱ區中砂，細度模數 2.87，表觀密度 2.67g/cm3，含泥量 2.2%，經比較含泥量、顆粒級配均符合標準要求。鋼渣砂為馬鋼四鋼軋總廠 300t 轉爐渣采用熱悶工藝產生的鋼渣顆粒，其取樣和試驗方法均按照現行行業標準 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量標準及檢驗方法》的規定，利用XRF 衍射測試出鋼渣砂化學組成如表 2 所示。

鋼渣砂主要采用 0.3～1.18mm 和 1.18～4.75mm 兩個級配作為混凝土細集料，采用圖解法進行級配設計，確定鋼渣砂配比為 0.3～1.18mm 鋼渣砂 :1.18～4.75mm鋼渣砂=70:30，物理性能見表 3，試驗所使用的鋼渣砂細集料各項指標均滿足規范標準。

表2 鋼渣砂化學成分 %

表3 鋼渣砂的物理性能

（4）水：pH 值為 7 左右的普通自來水。

1.2 試驗配合比

由于鋼渣砂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。其中鋼渣砂混凝土配合比采用等質量取代天然砂的方法，以普通混凝土配合比設計為基礎，獲得鋼渣砂混凝土的配合比。鋼渣砂等質量取代天然砂的比例分別為0、25%、50%、75%、100%，鋼渣砂混凝土配合比見表 4。

表4 鋼渣砂混凝土配合比

1.3 試驗方法

在鋼渣砂混凝土配合比設計的基礎上，以普通混凝土為基準，記為 P0，同時配制取代率分別為 25%、50%、75%、100% 的鋼渣砂混凝土，分別記為 P1、P2、P3、P4。按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的試驗方法，測定其耐久性能，并分析不同鋼渣砂摻量對混凝土耐久性能的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 抗碳化性能

通過 20 組共 60 個邊長為 100mm×100mm×100mm 的立方體試塊的測試，得到 5 種不同鋼渣砂取代率的混凝土在不同齡期下的碳化深度，如表 5 所示。其中根據表 5 中數據繪制出不同鋼渣砂取代率的碳化深度與碳化時間的關系曲線，如圖 1 所示。

表5 不同鋼渣砂取代率混凝土的碳化深度 mm

由表 5 和圖 1 可以看出：

（1）隨著碳化時間的增加，各種混凝土的碳化深度都逐漸增大，早期碳化深度增加較快，后期增加較慢。

（2）碳化時間為 3d 和 7d 時，隨著鋼渣砂取代率的提高，鋼渣砂混凝土的碳化深度呈先減小后增加的趨勢，但鋼渣砂混凝土的碳化深度均小于普通混凝土的；碳化時間為 14d 時，隨著鋼渣砂取代率的提高，鋼渣砂混凝土的碳化深度依然呈現先減小后增加的趨勢，但此時 P1、P2 組鋼渣砂混凝土的碳化深度小于普通混凝土的，P3、P4 組鋼渣砂混凝土碳化深度大于普通混凝土的；當碳化時間為 28d 時，隨著鋼渣砂取代率的提高，鋼渣砂混凝土的碳化深度呈增大趨勢，只有 P1 組鋼渣砂混凝土的碳化深度小于普通混凝土的，其他的鋼渣砂混凝土的碳化深度均大于普通混凝土的。可見：碳化時間較短時，鋼渣砂混凝土的抗碳化性能較普通混凝土好，隨著碳化時間的增加，普通混凝土的抗碳化性能增強，除比取代率為 25% 的鋼渣砂混凝土的抗碳化性能要差些外，優于其他組別的鋼渣砂混凝土的抗碳化性能。

圖1 碳化深度與碳化時間的關系曲線

2.2 抗氯離子滲透性能

通過 5 組共 15 個試塊的測試，得到 5 組不同鋼渣砂取代率 28d 齡期混凝土試件抗氯離子滲透性電通量，如表 6 所示。

表6 鋼渣砂混凝土抗氯離子滲透試驗電通量

從表 6 可以看出：隨著鋼渣砂取代率的增加，混凝土電通量值也逐漸變大，抗氯離子滲透性能變差。其中鋼渣砂取代率為 25% 的混凝土的抗氯離子性能與普通混凝土最接近。

2.3 耐磨性能

通過對 5 組共 15 個邊長為 150mm×150mm×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 7 所示。

從表 7 可以看出：除取代率為 25% 的 P1 鋼渣砂混凝土外，其余鋼渣砂混凝土的磨坑寬度隨著鋼渣砂取代率的增加，磨坑寬度逐漸減小，且均不大于普通混凝土的，其中取代率為 100% 的 P4 鋼渣砂混凝土的磨坑寬度最小，說明鋼渣砂混凝土的耐磨性能較普通混凝土的好。

表7 鋼渣砂混凝土耐磨試驗磨坑寬度

3 結論

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

（2）采用鋼渣砂集料拌制的混凝土，其抗氯離子滲透性能均較普通混凝土差，且隨著鋼渣砂摻量的增加，抗滲性越來越差。其中取代率在 25% 時，抗氯離子滲透性能最接近普通混凝土。

（3）采用鋼渣砂集料代替砂子后，鋼渣砂混凝土的耐磨性能除取代率為 25% 外均優于普通混凝土，說明摻入鋼渣砂取代天然砂石對混凝土耐磨性能有利。