鋼渣骨料在混凝土中的應(yīng)用研究

張冠軍

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的以硅酸二鈣、硅酸三鈣為主要成分的熔融物經(jīng)冷卻后得到的煉鋼副產(chǎn)物。鋼渣一般呈松堆狀態(tài)，比較堅(jiān)硬，主要含有SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO 等化學(xué)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(yōu)于砂石骨料混凝土。筆者以鋼渣作粗、細(xì)骨料配制混凝土，研究鋼渣骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度及抗凍融、抗?jié)B、抗收縮性能方面的影響，為鋼渣混凝土的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料

1.1 水泥

選用P·O42.5水泥，其物理性能見(jiàn)表1。

表1 P·O42.5水泥物理性能

1.2 粉煤灰

選用Ⅱ級(jí)粉煤灰，45μm篩篩余為18.8%。

1.3 礦渣粉

選用S95級(jí)礦渣粉。

1.4 細(xì)骨料

機(jī)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(xì)骨料物理性能見(jiàn)表2，累計(jì)篩余見(jiàn)表3。

表2 細(xì)骨料物理性能

表3 細(xì)骨料累計(jì)篩余

1.5 粗骨料

鋼渣粗骨料：陳化3 個(gè)月以上的鋼渣破碎顆粒。粗骨料物理性能見(jiàn)表4，不同粒徑分級(jí)篩余見(jiàn)表5，鋼渣粗骨料壓蒸粉化率檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，鋼渣混凝土體積穩(wěn)定性試驗(yàn)芯樣試件檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)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(jí)篩余

表6 鋼渣粗骨料壓蒸粉化率檢測(cè)結(jié)果

表7 鋼渣混凝土體積穩(wěn)定性試驗(yàn)芯樣試件檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)壓蒸粉化率試驗(yàn)檢測(cè)，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(xiàn)開(kāi)裂、疏松或崩潰等現(xiàn)象，芯樣試件強(qiáng)度損失率為10.4%，合格。上述檢測(cè)結(jié)果表明，鋼渣骨料混凝土體積穩(wěn)定性合格，鋼渣可作為粗、細(xì)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(lái)水拌合。

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

用鋼渣作為粗、細(xì)骨料配制混凝土，研究不同配合比下的鋼渣粗、細(xì)骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度、抗凍融、抗?jié)B、抗收縮性能的影響。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）微觀分析方法，測(cè)試分析鋼渣混凝土的微觀形貌。表8為采用鋼渣作粗、細(xì)骨料配制鋼渣混凝土的配合比。

表8 采用鋼渣作粗、細(xì)骨料配制鋼渣混凝土的配合比

2.1 鋼渣的化學(xué)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(xué)成分，在堿性環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生一定的膠凝活性，有利于混凝土強(qiáng)度的后期發(fā)展。將鋼渣應(yīng)用于混凝土中，能夠改善骨料—水泥石界面結(jié)構(gòu)。

圖1 鋼渣X射線衍射分析圖

2.2 鋼渣混凝土強(qiáng)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(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度相差不大，甚至優(yōu)于普通混凝土強(qiáng)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(qiáng)度均低于摻加礦渣粉配制的水泥混凝土，但和易性優(yōu)于摻加礦渣粉配制的水泥混凝土拌合物。混凝土的強(qiáng)度均隨摻合料比例的增加而降低。用機(jī)制砂、石灰石等體積取代鋼渣粗、細(xì)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(fā)散情況。

圖2 不同原料混凝土7d抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖4 不同原料混凝土60d抗壓強(qiáng)度對(duì)比

2.3 鋼渣混凝土抗凍融、抗?jié)B性能分析

表9為不同礦物摻合料鋼渣凍融、抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果。由表9 可以看出，采用鋼渣粗、細(xì)骨料配制的鋼渣混凝土經(jīng)50 次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率均較低，基本無(wú)損失，經(jīng)100次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率也沒(méi)有明顯增大，試塊整體完整，沒(méi)有破損情況。

由表9還可以看出，經(jīng)50次和100次凍融循環(huán)后的粗、細(xì)骨料鋼渣混凝土強(qiáng)度損失率均隨原料及砂率的變化而呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，這說(shuō)明即使在凍融情況下，利用鋼渣作粗、細(xì)骨料的鋼渣混凝土的強(qiáng)度仍有不同程度的發(fā)展，與普通混凝土的強(qiáng)度發(fā)展類似，甚至優(yōu)于普通混凝土的發(fā)展。用鋼渣作粗、細(xì)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?jié)B試驗(yàn)結(jié)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(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。如表10所示，用鋼渣作粗、細(xì)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(duì)較小。同時(shí)，鋼渣細(xì)骨料因“粉料”過(guò)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(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.5 鋼渣混凝土微觀結(jié)構(gòu)形貌分析

圖5為采用鋼渣作粗、細(xì)骨料配制混凝土試樣水化60d的SEM測(cè)試結(jié)果。

圖3 不同原料混凝土28d抗壓強(qiáng)度對(duì)比

從圖5可以看出，鋼渣骨料混凝土界面過(guò)渡區(qū)水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，界面結(jié)合緊密，沒(méi)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(chǎn)物覆蓋，說(shuō)明鋼渣作為混凝土骨料與水泥石有良好的粘結(jié)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(nèi)的水泥相融，改善了骨料與水泥石的界面結(jié)構(gòu)。同時(shí)，鋼渣是多孔結(jié)構(gòu)，其表面粗糙，能較好地與水泥水化產(chǎn)物相結(jié)合，使水化產(chǎn)物能夠充分均勻地包裹鋼渣，且鋼渣與水泥粘結(jié)緊密。

圖5 鋼渣骨料混凝土試樣水化60d的SEM-EDS圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)以鋼渣作粗、細(xì)骨料配制的鋼渣混凝土的研究可見(jiàn)，鋼渣可作為粗、細(xì)骨料配制混凝土。通過(guò)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(xué)性能可以滿足施工要求。

（2）采用鋼渣粗、細(xì)骨料配制的鋼渣混凝土經(jīng)50 次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率均較低，基本無(wú)損失；經(jīng)100 次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失也沒(méi)有明顯增大，試塊整體完整，沒(méi)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(zhǎng)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(guò)渡區(qū)水泥水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)致密，鋼渣骨料與水泥石粘結(jié)緊密。鋼渣骨料表面粗糙，包裹有大量C-S-H 凝膠等水化產(chǎn)物，在界面過(guò)渡區(qū)未發(fā)現(xiàn)有針狀A(yù)Ft和結(jié)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(guò)渡區(qū)，進(jìn)而改善混凝土的結(jié)構(gòu)。