鋼渣骨料在混凝土中的應用研究

張冠軍

鋼渣是煉鋼過程中產生的以硅酸二鈣、硅酸三鈣為主要成分的熔融物經冷卻后得到的煉鋼副產物。鋼渣一般呈松堆狀態，比較堅硬，主要含有SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO 等化學成分。研究表明，鋼渣可以作為混凝土中砂石骨料的替代品，以鋼渣作骨料的混凝土的許多性能都優于砂石骨料混凝土。筆者以鋼渣作粗、細骨料配制混凝土，研究鋼渣骨料對混凝土強度及抗凍融、抗滲、抗收縮性能方面的影響，為鋼渣混凝土的實際應用提供理論依據。

1 試驗原料

1.1 水泥

選用P·O42.5水泥，其物理性能見表1。

表1 P·O42.5水泥物理性能

1.2 粉煤灰

選用Ⅱ級粉煤灰，45μm篩篩余為18.8%。

1.3 礦渣粉

選用S95級礦渣粉。

1.4 細骨料

機制砂：石灰石破碎制砂，顆粒粒徑＜5mm。

鋼渣人工砂：鋼渣破碎篩分，顆粒粒徑＜5mm。

細骨料物理性能見表2，累計篩余見表3。

表2 細骨料物理性能

表3 細骨料累計篩余

1.5 粗骨料

鋼渣粗骨料：陳化3 個月以上的鋼渣破碎顆粒。粗骨料物理性能見表4，不同粒徑分級篩余見表5，鋼渣粗骨料壓蒸粉化率檢測結果見表6，鋼渣混凝土體積穩定性試驗芯樣試件檢測結果見表7。

表4 鋼渣粗骨料物理性能

表5 不同粒徑鋼渣粗骨料分級篩余

表6 鋼渣粗骨料壓蒸粉化率檢測結果

表7 鋼渣混凝土體積穩定性試驗芯樣試件檢測結果

經壓蒸粉化率試驗檢測，鋼渣粗骨料粉化率為5.70%；沸煮后的鋼渣混凝土薄片試件及芯樣試件均未出現開裂、疏松或崩潰等現象，芯樣試件強度損失率為10.4%，合格。上述檢測結果表明，鋼渣骨料混凝土體積穩定性合格，鋼渣可作為粗、細骨料配制混凝土。

1.6 外加劑

采用高效聚羧酸減水劑。

1.7 拌合水

采用自來水拌合。

2 實驗方法及結果分析

用鋼渣作為粗、細骨料配制混凝土，研究不同配合比下的鋼渣粗、細骨料對混凝土強度、抗凍融、抗滲、抗收縮性能的影響。通過掃描電子顯微鏡（SEM）微觀分析方法，測試分析鋼渣混凝土的微觀形貌。表8為采用鋼渣作粗、細骨料配制鋼渣混凝土的配合比。

表8 采用鋼渣作粗、細骨料配制鋼渣混凝土的配合比

2.1 鋼渣的化學成分分析

圖1為鋼渣X射線衍射分析圖。由圖1可以看出，鋼渣成分中含有硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸鈣等與水泥熟料類似的化學成分，在堿性環境下會產生一定的膠凝活性，有利于混凝土強度的后期發展。將鋼渣應用于混凝土中，能夠改善骨料—水泥石界面結構。

圖1 鋼渣X射線衍射分析圖

2.2 鋼渣混凝土強度及和易性分析

圖2～圖4 為不同原料配制的混凝土不同齡期的強度對比。由圖2～圖4可以看出，鋼渣混凝土與普通混凝土各齡期強度相差不大，甚至優于普通混凝土強度。在砂率和礦物摻合料相同的前提下，摻加粉煤灰配制的水泥混凝土各齡期強度均低于摻加礦渣粉配制的水泥混凝土，但和易性優于摻加礦渣粉配制的水泥混凝土拌合物。混凝土的強度均隨摻合料比例的增加而降低。用機制砂、石灰石等體積取代鋼渣粗、細骨料配制的普通混凝土的和易性明顯低于用鋼渣骨料配制的混凝土，拌合物存在發散情況。

圖2 不同原料混凝土7d抗壓強度對比

圖4 不同原料混凝土60d抗壓強度對比

2.3 鋼渣混凝土抗凍融、抗滲性能分析

表9為不同礦物摻合料鋼渣凍融、抗滲試驗結果。由表9 可以看出，采用鋼渣粗、細骨料配制的鋼渣混凝土經50 次凍融循環后，質量損失率均較低，基本無損失，經100次凍融循環后，質量損失率也沒有明顯增大，試塊整體完整，沒有破損情況。

由表9還可以看出，經50次和100次凍融循環后的粗、細骨料鋼渣混凝土強度損失率均隨原料及砂率的變化而呈現不同的變化規律，這說明即使在凍融情況下，利用鋼渣作粗、細骨料的鋼渣混凝土的強度仍有不同程度的發展，與普通混凝土的強度發展類似，甚至優于普通混凝土的發展。用鋼渣作粗、細骨料配制的鋼渣混凝土在礦物摻合料相同的情況下，不同砂率的混凝土滲透高度均隨砂率的增大而略有增大。

表9 不同礦物摻合料鋼渣凍融、抗滲試驗結果

2.4 鋼渣混凝土抗收縮性能分析

表10為不同礦物摻合料鋼渣混凝土收縮對比試驗結果。如表10所示，用鋼渣作粗、細骨料配制的鋼渣混凝土的各齡期收縮率均高于普通混凝土的收縮率。分析可知，鋼渣的高吸水率使混凝土早期收縮率略高，但鋼渣的“微膨脹”作用可抵消混凝土后期的部分收縮，因此，鋼渣混凝土后期的收縮率相對較小。同時，鋼渣細骨料因“粉料”過多，需水量較大，使得鋼渣混凝土收縮率比普通混凝土大。

表10 不同礦物摻合料鋼渣混凝土收縮對比試驗結果

2.5 鋼渣混凝土微觀結構形貌分析

圖5為采用鋼渣作粗、細骨料配制混凝土試樣水化60d的SEM測試結果。

圖3 不同原料混凝土28d抗壓強度對比

從圖5可以看出，鋼渣骨料混凝土界面過渡區水泥水化產物結構致密，界面結合緊密，沒有生成定向排布的Ca（OH）2，且鋼渣骨料表面被C-S-H凝膠等水化產物覆蓋，說明鋼渣作為混凝土骨料與水泥石有良好的粘結力。這是由于鋼渣中含有的部分與硅酸鹽水泥熟料相似的C2S、C3S 礦物成分，與滲入孔隙內的水泥相融，改善了骨料與水泥石的界面結構。同時，鋼渣是多孔結構，其表面粗糙，能較好地與水泥水化產物相結合，使水化產物能夠充分均勻地包裹鋼渣，且鋼渣與水泥粘結緊密。

圖5 鋼渣骨料混凝土試樣水化60d的SEM-EDS圖

3 結語

（1）通過對以鋼渣作粗、細骨料配制的鋼渣混凝土的研究可見，鋼渣可作為粗、細骨料配制混凝土。通過合理確定砂率、膠凝材料用量、礦物摻合料等物料的比例，鋼渣混凝土的力學性能可以滿足施工要求。

（2）采用鋼渣粗、細骨料配制的鋼渣混凝土經50 次凍融循環后，質量損失率均較低，基本無損失；經100 次凍融循環后，質量損失也沒有明顯增大，試塊整體完整，沒有破損情況。

（3）在礦物摻合料相同的情況下，鋼渣骨料混凝土的滲透高度隨砂率的增大而略有所增大。

（4）隨鋼渣摻入比例的增加，鋼渣混凝土各齡期的收縮率均逐漸增大，但增幅隨齡期增長而逐漸降低。

（5）鋼渣的主要物相中有硅酸三鈣、硅酸二鈣等膠凝成分。鋼渣骨料混凝土界面過渡區水泥水化產物微觀結構致密，鋼渣骨料與水泥石粘結緊密。鋼渣骨料表面粗糙，包裹有大量C-S-H 凝膠等水化產物，在界面過渡區未發現有針狀AFt和結晶較好的Ca（OH）2。用鋼渣作混凝土骨料可以顯著改善骨料與漿體的界面過渡區，進而改善混凝土的結構。