鋼渣粉對(duì)混凝土性能的影響

喬梓滕，陳向哲，張思雨

（河北建設(shè)集團(tuán)混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 前言

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)混凝土的需求和產(chǎn)量不斷增大，需要的產(chǎn)物摻合料也越來(lái)越多。傳統(tǒng)的粉煤灰、礦渣粉資源不斷減少，價(jià)格持續(xù)上升，需要尋找一種新的礦物摻合料來(lái)替代傳統(tǒng)的礦物摻合料，這種材料需要具有質(zhì)量好、產(chǎn)量高、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。鋼渣作為煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的“三廢”之一，是一種工業(yè)固體廢棄物，我國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)出約 1 億噸鋼渣，因無(wú)法對(duì)其進(jìn)行處理，所以長(zhǎng)期進(jìn)行堆放，對(duì)環(huán)境造成了很大的影響。通過(guò)大量的研究表明，鋼渣可以作為礦物摻合料加入到混凝土中。將鋼渣變廢為寶，不僅解決了天然的礦物摻合料緊缺的現(xiàn)狀，減少了因天然骨料的開(kāi)采而造成的環(huán)境破壞，也解決了鋼渣大量堆棄、填埋而造成的土地資源浪費(fèi)問(wèn)題和對(duì)環(huán)境造成的污染問(wèn)題。

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼渣利用率可以達(dá)到 90% 以上，而我國(guó)的鋼渣利用率僅為 30% 左右。雖然起步較晚，但我國(guó)在鋼渣的利用上有著自己的思路和途徑。國(guó)外通常將鋼渣經(jīng)過(guò)處理后用來(lái)作為水泥添加劑來(lái)提高混凝土性能或肥料的添加劑來(lái)改善土壤、回爐冶金等。由于鋼渣碎料具有較高的強(qiáng)度、粗糙的表面、較好的耐磨性，我國(guó)嘗試用鋼渣替代混凝土中的石料、砂子，但是由于生產(chǎn)工藝存在一定的問(wèn)題，導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的混凝土抗壓強(qiáng)度低、抗拉性能差，并而且鋼渣具有膨脹性，制成的混凝土容易膨脹開(kāi)裂，嚴(yán)重影響了混凝土的安全性。本文主要研究的是鋼渣粉對(duì)混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：河北京蘭 P·O42.5 水泥，3d 抗折強(qiáng)度為 6.4MPa，28d 抗折強(qiáng)度為 7.6MPa，3d 抗壓強(qiáng)度為37.2MPa，28d 抗壓強(qiáng)度為 50.0MPa。

（2）砂：保定滿城河砂，細(xì)度模數(shù) 2.6，級(jí)配良好，含泥量為 2.3%。

（3）水：飲用水。

（4）粉煤灰：保定大唐Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為17.6%，需水量為 103%。

（5）鋼渣粉：采用唐山地區(qū)的鋼渣粉，燒失量為3.7%，細(xì)度為 20.9%。

（6）聚羧酸外加劑：選用保定慕湖恒源新型建材有限公司生產(chǎn)的外加劑。

（7）礦渣粉：選用保定乾華建材 S95 級(jí)礦渣粉，流動(dòng)度比為 101%。

（8）石子：保定滿城 5～25mm 連續(xù)級(jí)配碎石。

2 試驗(yàn)方法

（1）以灰砂比 1:3、水灰比 1:2 的水泥膠砂為基準(zhǔn)，將鋼渣粉分別以 5%、10%、15%、20%、25%、30% 的摻量等質(zhì)量取代水泥，進(jìn)行鋼渣膠砂試塊的制作。

（2）按照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》中的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行鋼渣膠砂試件7d和28d抗壓強(qiáng)度、7d 和 28d 抗折強(qiáng)度的測(cè)定。

（3）將鋼渣粉按 5%、10%、15%、20%、25%、30% 的摻量分別摻入到 C30 混凝土中制成混凝土試塊。

（4）根據(jù)現(xiàn)行 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)定混凝土 3d、7d 和 28d 的抗壓強(qiáng)度。

3 力學(xué)性能

3.1 鋼渣膠砂性能

3.1.1 鋼渣膠砂安定性

由于鋼渣性能不穩(wěn)定，因此試驗(yàn)開(kāi)始之前先對(duì)其安定性進(jìn)行檢測(cè)。本次試驗(yàn)采用沸煮法對(duì)其安定性進(jìn)行檢測(cè)。將摻有 30% 鋼渣粉的水泥凈漿制成試餅，養(yǎng)護(hù) 24小時(shí)后將其放入沸煮箱中煮 4 小時(shí)后取出，進(jìn)行檢測(cè)。

由圖 1 和圖 2 可知，沸煮后與沸煮前相比，試件表面并沒(méi)有出現(xiàn)任何裂紋。圖 3、圖 4 分別為試餅沸煮后側(cè)面形狀，可以看出沸煮后的試塊并沒(méi)有出現(xiàn)任何彎曲變形。

圖1 沸煮前試餅

圖 2 沸煮后試餅

圖3 試餅 1 沸煮后側(cè)面

圖 4 試餅 2 沸煮后側(cè)面

綜上所述，該鋼渣粉在摻量為 30% 的情況下安定性良好，可以用于混凝土試驗(yàn)和生產(chǎn)。

3.1.2 鋼渣粉膠砂流動(dòng)度

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1 和圖 5。由數(shù)據(jù)可以看出，在摻量為 15%～25% 時(shí)，膠砂流動(dòng)度略有上升，總體來(lái)說(shuō)，膠砂流動(dòng)度隨鋼渣粉摻量的增加變化基本不大，說(shuō)明鋼渣粉對(duì)膠砂流動(dòng)度的影響程度與水泥相似，摻量合適時(shí)對(duì)膠砂的流動(dòng)度略有提高作用。

表1 鋼渣粉膠砂流動(dòng)度

圖5 鋼渣粉摻量對(duì)膠砂流動(dòng)度的影響

3.1.3 鋼渣粉膠砂強(qiáng)度

接下來(lái)測(cè)定鋼渣粉對(duì)水泥膠砂性能的影響，主要為流動(dòng)度與抗壓抗折強(qiáng)度。結(jié)果見(jiàn)表 2 和圖 6、7。

圖6 鋼渣摻量對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

表2 鋼渣粉摻量對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

由試驗(yàn)結(jié)果得出：鋼渣粉的加入會(huì)降低水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度，7d 抗壓強(qiáng)度在摻量為 0%～10% 之間時(shí)，下降幅度比較小，在摻量 10%～20% 之間時(shí)，下降幅度較大，摻量 10% 為突變點(diǎn)；在摻量 20%～25% 之間，強(qiáng)度變化不大。28d 抗壓強(qiáng)度的下降幅度隨著鋼渣粉摻量的增加逐漸減小。抗折強(qiáng)度均是在摻量為 5%時(shí)略有上升；7d 抗折強(qiáng)度隨摻量的增加逐漸下降，但是下降幅度逐漸減小；28d 抗折強(qiáng)度先下降后上升，20% 摻量為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其中在 10%～15% 摻量之間的抗折強(qiáng)度下降速度極為緩慢。與 28d 的粉煤灰強(qiáng)度相比，摻鋼渣粉的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有小幅度的增長(zhǎng)。這是由于鋼渣粉中含有 C3S 和 C2S 等類熟料礦物，水化活性較高[1]，所以鋼渣粉摻量越高，類熟料礦物越多，會(huì)阻礙膠砂試塊強(qiáng)度的下降；但其中也含有一部分游離氧化鈣和游離氧化鎂，如果不能完全消解，就會(huì)與水反應(yīng)生成氫氧化鈣和氫氧化鎂，導(dǎo)致強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)其消解完全或含量非常小時(shí)，體積變得穩(wěn)定，強(qiáng)度會(huì)隨之上升[2]。而粉煤灰中不含有類熟料礦物或含量很少，因而鋼渣粉膠砂的強(qiáng)度會(huì)高于粉煤灰的膠砂強(qiáng)度。

圖7 鋼渣粉摻量對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度的影響

3.2 鋼渣粉混凝土性能

3.2.1 鋼渣粉混凝土拌合物性能

先對(duì)鋼渣粉摻入混凝土后對(duì)混凝土拌合物性能的影響進(jìn)行檢測(cè)，混凝土的基準(zhǔn)配合比為：水泥∶礦渣粉∶砂∶石∶水∶外加劑＝3.67:1.00:13.67:10.73:1.96:0.07，鋼渣粉從 5%～30%，以 5% 增加，替代水泥，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 3 和圖 8、9。

表3 鋼渣粉混凝土的拌合物性能

圖8 鋼渣興混凝土的坍落度

圖9 鋼渣粉混凝土的擴(kuò)展度

由表 3 數(shù)據(jù)可以知，鋼渣粉的摻入對(duì)混凝土和易性的影響不大，在摻量達(dá)到 20% 以后會(huì)使混凝土和易性略有提升。

3.2.2 鋼渣粉混凝土體積安定性

將鋼渣粉以 30% 摻量摻入到混凝土當(dāng)中，制成150mm×150mm×150mm 試塊，然后對(duì)其長(zhǎng)寬高定期進(jìn)行檢測(cè)，觀察其體積是否會(huì)發(fā)生變化，結(jié)果見(jiàn)表 4。

表4 鋼渣粉混凝土的體積安定性

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻入鋼渣粉后，混凝土的體積穩(wěn)定性到 38 天位置未發(fā)生任何變化，基本保持穩(wěn)定。

3.2.3 鋼渣粉混凝土抗壓強(qiáng)度

將制成的混凝土試塊分別養(yǎng)護(hù)至 7d、28d，然后對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表 5。

表5 鋼渣粉摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖10 鋼渣粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

通過(guò)觀察試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼渣粉的摻入會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降，且摻量越高，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降越快；混凝土的 3d、7d 強(qiáng)度相較于 28d 強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，隨著鋼渣粉的摻量增高其抗壓強(qiáng)度下降幅度越大，也就是說(shuō)，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土的早期強(qiáng)度受影響最大，后期強(qiáng)度反而影響不大，但摻量過(guò)高時(shí)，其后期強(qiáng)度也會(huì)迅速下降。這主要是由于鋼渣粉與水泥相比，其水化速率相對(duì)而言較慢[3]，因此混凝土?xí)r間早期強(qiáng)度的下降幅度隨著鋼渣粉的摻量增加而增大，隨著時(shí)間的增加，鋼渣粉逐漸水化完全，其強(qiáng)度也隨之增加，因而后期強(qiáng)度較高，下降幅度較小；但是由于鋼渣中含有部分游離氧化鈣和游離氧化鎂，當(dāng)鋼渣粉摻量低時(shí)，這些物質(zhì)逐漸消解完全，因而對(duì)強(qiáng)度的影響較小，但當(dāng)鋼渣粉摻量高時(shí)，其無(wú)法被完全消解，因此會(huì)導(dǎo)致混凝土的 28d 強(qiáng)度迅速下降。

4 結(jié)論

（1）由于鋼渣粉中含有硅酸三鈣和硅酸二鈣等類熟料礦物，雖然其早強(qiáng)水化反應(yīng)速率較慢，導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度較低，但隨著時(shí)間的增加，鋼渣粉水化逐漸完全，混凝土強(qiáng)度會(huì)隨之升高。鋼渣粉的水化活性高于粉煤灰，所以鋼渣膠砂的 28d 強(qiáng)度相對(duì)粉煤灰而言均有小幅度的增長(zhǎng)，說(shuō)明鋼渣粉可以作為一種新的礦物摻合料加入到混凝土中。

（2）摻入鋼渣粉后，混凝土的拌合物性能基本不會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)摻量達(dá)到 20% 以后，混凝土的和易性會(huì)略有上升；鋼渣粉摻量為 30% 時(shí)基本不會(huì)對(duì)混凝土的體積穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前自然資源的消耗和生態(tài)環(huán)境的污染問(wèn)題受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。一方面，作為工業(yè)固體廢棄物的鋼渣大量堆積、填埋造成了大量的土地被占用，環(huán)境被污染；另一方面，隨著混凝土需求量的日益增加，各種礦物摻合料的需求量也越來(lái)越大，而傳統(tǒng)的礦物摻合料產(chǎn)量逐漸跟不上需求量。將鋼渣粉摻入到混凝土中，不僅解決了鋼渣大量堆積造成的環(huán)境污染問(wèn)題，還解決了混凝土摻合料產(chǎn)量跟不上的問(wèn)題，具有環(huán)境和社會(huì)效益的優(yōu)勢(shì)。