高強度鋼渣混凝土性能研究

謝維鵬

（廈門地鐵物資有限公司）

0 前言

環境和資源問題正成為影響我國經濟快速發展的重要因素，而工業廢渣的再生利用是減少廢棄物排放量的有效途徑之一。作為工業廢渣之一的鋼鐵工業中的高爐礦渣，目前在我國已基本完成零排放，變為混凝土產業的重要材料，而與礦渣組成和結構以及水硬性相似的同為鋼鐵工業廢棄物的鋼渣利用率卻長期處于低位。

在我國，全國煉鋼廠堆積的鋼渣總量數量龐大，每年堆積的數量以3000多萬噸的速度增長。這些鋼渣若得不到綜合治理或合理利用，就會大量占用土地，導致環境污染、資源浪費。將鋼渣取代部分水泥用于制備高強度混凝土，不僅可以改善混凝土的和易性，而且能提高其結構致密性及力學強度，同時又使鋼渣得到了有效利用，保護環境，其經濟和社會意義顯而易見[1-2]。

本試驗主要以不同的鋼渣摻量配制高強混凝土，分析鋼渣摻量對其流動性、強度和耐久性的影響，尋求高摻量鋼渣的高強度混凝土配合比，以減少水泥用量，降低工程成本。

1 試驗

1.1 原材料

采用52.5普通硅酸鹽水泥，5～25mm連續級配碎石作為粗骨料，細集料則采用細度模數為2.85的中河砂，以三鋼鋼渣作為混凝土摻合料。

1.2 試驗方法

混凝土流動性能按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080-2016）進行試驗；

力學性能按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019）進行試驗，其中抗壓強度試件標準尺寸為150mm×150mm×150mm。

干縮按《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2017）進行試驗。采用后埋測釘，待試件成型后，帶模養護1～2d后拆模，拆模后，對軸心測釘立即采用環氧樹脂或其他化學粘結劑進行加固。3d齡期后從標準養護室取出并立即移入干縮室測量初始長度，從移入干縮室測完初始長度后開始計算干縮齡期，在1、3、7、14、28、60、90、120、150、180d測量試件長度。

試樣編號按照鋼渣摻量比例來確定，具體見表1。

表1

2 試驗結果與分析

2.1 鋼渣摻合料對高強混凝土流動性能的影響

分別對不同摻量的鋼渣高強混凝土的性能進行測試。測定凝結時間時，用試驗篩將砂漿從混凝土拌合物中篩出，攪拌均勻，將砂漿一次性分別裝入三個試樣筒中，試樣筒為帶有蓋子的剛性不透水的金屬圓筒，圓筒尺寸為：上口內徑160mm、下口內徑150mm、凈高150mm。試驗從混凝土攪拌加水開始算起，每隔0.5h測量一次，在接近初凝和終凝時，縮短測量間隔時間。采用平面尺寸不小于1500mm×1500mm、厚度不小于3mm的鋼板測量混凝土塌落度[4]。試驗對比了不同摻量的鋼渣高強混凝土的初終凝時間以及塌落度，見表2。

從表2可以看出，當鋼渣部分取代高強混凝土中的水泥時，混凝土的初終凝結時間均有增加，特別是當取代量達到30%時，增加幅度非常大。這是由于鋼渣粉主要為球形微粒，這些顆粒可以減小骨料間的摩擦力，在骨料間起到潤滑作用，從而增加了水泥漿流動性，導致混凝土流動性增大。

表2 鋼渣的摻入對混凝土凝結時間和塌落度的影響

2.2 鋼渣摻合料對高強混凝土力學性能的影響

試驗對高強混凝土在不同摻量鋼渣下的力學性能進行測試，從抗壓強度和抗壓彈性模量這兩個參數的試驗對比來觀察不同摻量鋼渣對高強混凝土力學性能的影響，見表3、圖1、圖2。測定抗壓彈性模量時，采用150mm×150mm×300mm的棱柱體試件，按公式⑴計算[5]：

圖1 不同鋼渣摻量對混凝土抗壓強度的影響

Δn=εα-ε0

式中，

Ec——混凝土受壓彈性模量（MPa）；

Fα——應力為1/3軸心抗壓強度時的荷載（N）；

F0——應力為0.5 MPa時的荷載（N）；

εα——Fα時試件兩側變形的平均值(mm)；

ε0——F0時試件兩側變形的平均值(mm)。

從表3、圖1和圖2可以看出，隨著鋼渣摻量的不斷增加，混凝土的早期強度均有不同程度降低；當鋼渣摻量達到30%時，降低幅度非常大；但是當鋼渣摻量在10%時，混凝土強度降低很少，甚至當齡期90d時，強度還略高于無鋼渣混凝土的強度。這是由于鋼渣微粒早期基本不參與水泥水化反應，不影響混凝土需水量，當鋼渣摻量控制在一定程度時，鋼渣微粒可填充水泥早期水化留下的空隙，從而減小空隙，提高混凝土強度，對混凝土后期強度發展有利。不同的鋼渣摻量對混凝土抗壓彈性模量的影響與抗壓強度是一致的。

圖2 不同鋼渣摻量對混凝土抗壓彈性模量的影響

表3 鋼渣摻入對混凝土抗壓強度和抗壓彈性模量的影響

2.3 鋼渣摻合料對高強混凝土耐久性能（干縮）的影響

表4為不同摻量的鋼渣對混凝土干燥收縮的影響分析，通過干燥收縮率來表示。試驗采用100mm×100mm×515mm的棱柱體試件，對不同齡期下的不同摻量的鋼渣高強混凝土進行測長，每個齡期測長時，重復測2次，取平均值。按照公式⑵計算干縮率[6]：

表4 鋼渣對混凝土耐久性能（干縮）的影響

式中，

εt——t天齡期時混凝土的干縮率；

Lt——t天齡期時試件的長度（mm）；

L0——試件的初始長度（mm）；

Δ——金屬測頭的長度。

從表4可以看出，隨著鋼渣摻量的不斷增加，相同齡期混凝土干縮率降低趨勢變緩；當鋼渣摻量在20%以內時，混凝土干縮率降低最為明顯；當鋼渣摻量在20%～30%時，混凝土干縮率降低較少。另外，隨著齡期的增長，所有試驗混凝土試件干縮率均呈逐漸變大的趨勢，早期混凝土干縮率增長較快，后期增長趨于平緩，這主要由于鋼渣中含有一定量的CaO、MgO[3]，在水泥水化過程中發生化學反應，使體積產生小膨脹，在一定程度上補償了混凝土的收縮作用。

3 結論

在高強混凝土中加入部分鋼渣，可以顯著改善混凝土的流動性，隨著摻量的增大，流動性的改善越明顯，不過這會延長混凝土的凝結時間；鋼渣的摻入使得混凝土的早期強度較低，干縮率降低明顯，但隨著齡期的增長，混凝土后期強度增長較快，干縮率增長趨于平緩。