鋼渣/赤泥復(fù)合改性水泥混凝土工作性能和力學(xué)性能研究

劉建勛（新疆交投工程咨詢有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

近年來，我國鋼鐵、氧化鋁等建筑材料產(chǎn)業(yè)得到了高速發(fā)展，然而，這些材料的生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢物，同時(shí)其存儲(chǔ)會(huì)耗費(fèi)高昂成本并占用大量土地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年鋼產(chǎn)量已超過15億t，但鋼渣尾渣等固體廢物堆存量已超過20億t，占地超20余萬畝[1-2]；赤泥堆放量高達(dá)5 億t。其中，鋼渣的平均利用率可達(dá)到30%，但赤泥的綜合利用率卻不及5%。建筑領(lǐng)域作為消耗固體廢物最大的領(lǐng)域之一，砂石集料短缺問題受到廣泛關(guān)注，隨著雙碳戰(zhàn)略的提出，生態(tài)混凝土面臨更大的創(chuàng)新需求。在此背景下，高效、生態(tài)化利用這些固體廢渣已成為可持續(xù)發(fā)展的重要話題之一[3]。

鋼渣作為碎石材料的替代品是土木工程領(lǐng)域固體廢物再利用的重要手段之一[4]，而赤泥作為強(qiáng)堿性泥漿廢棄物，其含有大量的氧化鐵成分，具有一定的膠凝性能，在一定程度上可替代水泥，從而減少水泥用量。與傳統(tǒng)的碎石相比，鋼渣具有壓碎值低、耐磨、表面粗糙等優(yōu)點(diǎn)，但也具有吸水膨脹導(dǎo)致混凝土體積穩(wěn)定性不足等問題[5]。而赤泥具有很高的堿性，可能不利于強(qiáng)度增長。于洋[5]等利用鋼渣結(jié)合其他固體廢物制備超高性能混凝土，實(shí)現(xiàn)了鋼渣的高摻量再利用；張爭奇[6]等分析了鋼渣摻量、粒徑大小對(duì)瀝青混合料的抗滑性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并推薦了最佳鋼渣摻量（75%）；劉澳[7]等為提高赤泥的綜合利用率，采用20%赤泥替代水泥顆粒，并研究了不同玄武巖纖維長度、摻量對(duì)赤泥混凝土的力學(xué)性能影響；安永昌[8]等將赤泥、鋼渣混合配制了路面基層材料，并發(fā)現(xiàn)鋼渣與赤泥的組合可顯著降低無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定性的收縮率，其中赤泥和鋼渣均被用于替代集料；白曉紅[9]等以赤泥和偏高嶺土制備了地聚合物混凝土，并指出水膠比是影響該混凝土強(qiáng)度的主要因素。

由此可見，鋼渣和赤泥已被應(yīng)用于改善水泥混凝土的綜合性能，尤其是鋼渣，但赤泥作為水泥替代物與鋼渣的復(fù)合改性應(yīng)用卻較少。前期研究表明赤泥能夠改善混凝土的體積穩(wěn)定性，可減少因鋼渣產(chǎn)生的體積膨脹。鑒于此，本文結(jié)合普通混凝土的應(yīng)用要求，研究鋼渣/赤泥在復(fù)合改性水泥混凝土的綜合性能，為鋼渣和赤泥在水泥混凝土的推廣應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用新疆烏魯木齊市天山水泥廠的普通硅酸鹽42.5水泥，按照《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）對(duì)水泥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，細(xì)度和安定性均符合標(biāo)準(zhǔn)，其他重要特性測(cè)試結(jié)果見表1。其中，水泥的細(xì)度為13.9%，需水量比92%，燒失量小于8%，含水率小于0.2%，三氧化硫含量為0.67%。

表1 42.5硅酸鹽水泥基本特性

1.1.2 集料

試驗(yàn)用天然骨料的粒徑為10mm～20mm，其物理性能指標(biāo)見表2。混凝土用細(xì)集料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為3.0，滿足II級(jí)砂的技術(shù)要求，技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 粗骨料物理指標(biāo)

表3 試驗(yàn)用砂技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 鋼渣和赤泥

本文所用鋼渣集料來自陜西銅川某鋼鐵廠提供的轉(zhuǎn)爐鋼渣，粒徑范圍主要分布在4.75mm～16mm，細(xì)度模數(shù)為3.1。所用鋼渣顏色表現(xiàn)為深褐色，表面粗糙多孔但形狀較為規(guī)則且統(tǒng)一。本文所用鋼渣取自云南某鋁工業(yè)公司生產(chǎn)時(shí)排放的赤泥，其外觀為紅褐色塊狀（圖1），浸水后呈一定粘性，pH為9.1；經(jīng)過風(fēng)干、破碎、干燥后篩選出0.6mm以下的成分。采用XRF對(duì)鋼渣和赤泥的化學(xué)組成進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表4。

圖1 鋼渣（左）和赤泥（右）

表4 鋼渣和赤泥的基本化學(xué)組成/%

1.1.4 外加劑

采用聚羧酸系高效減水劑，減水率20%。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011），分別將赤泥、鋼渣用于替代水泥、細(xì)集料對(duì)混凝土進(jìn)行改性。其中，按照之前的研究結(jié)果及預(yù)試驗(yàn)，赤泥替代率設(shè)定為30%、40%、50%，鋼渣替代率選擇50%、75%、100%。根據(jù)此替代率，分別制作赤泥改性水泥混凝土、鋼渣水泥混凝土、鋼渣/赤泥復(fù)合改性水泥混凝土，配合比見表5。其中，將基準(zhǔn)配合比設(shè)定為對(duì)照組，配制強(qiáng)度等級(jí)為C40，水膠比為0.45，砂率為0.45，膠砂比為20%。混凝土拌制過程參考《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）。試驗(yàn)成型后將按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行脫模，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至指定齡期，并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，每個(gè)配合比均制作3組平行試件。

表5 混凝土試驗(yàn)配合比

2 分析與討論

按照已確定的鋼渣及赤泥基混凝土配合比，制作不同鋼渣替代率和赤泥摻量下的混合料試件，研究不同比例下赤泥與鋼渣對(duì)鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土的工作性能、基本力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2.1 工作性能

按照規(guī)范《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）開展坍落度試驗(yàn)，同時(shí)觀察混凝土粘聚性及保水性。鋼渣及赤泥基混凝土的工作性能如圖2所示。與對(duì)照組相比，當(dāng)混凝土中加入赤泥會(huì)使其坍落度降低。當(dāng)提高減水劑摻入量為2%時(shí)，混凝土的流動(dòng)性隨赤泥的增加而減小，同時(shí)粘聚性與保水性增加。當(dāng)鋼渣摻量增加時(shí)，混凝土坍落度降低。當(dāng)增加減水劑時(shí)，坍落度數(shù)值變化較小。與赤泥對(duì)比，鋼渣對(duì)混凝土的流動(dòng)性影響不大。赤泥摻量一定，隨著鋼渣摻量的增加坍落度逐漸減小。鋼渣摻量一定，隨著赤泥摻量的增加混凝土粘聚性增加。當(dāng)赤泥摻量為60%、鋼渣摻量為75%時(shí)，與全摻鋼渣混凝土相比，其泌水現(xiàn)象良好且鋼渣分布均勻，粘聚性和保水性較好。分析其主要原因，赤泥具有較強(qiáng)的吸水性，在混凝土拌合過程中能夠降低其流動(dòng)性。同時(shí)，鋼渣形狀不規(guī)則，具有較多棱角，在與赤泥共同使用時(shí)，能夠很好地改善混凝土粘聚性，提升其保水性。

圖2 不同配合比下混凝土坍落度與減水劑摻量關(guān)系

2.2 力學(xué)性能

抗壓強(qiáng)度作為混凝土力學(xué)性能重要的強(qiáng)度指標(biāo)，本文依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019），制作100mm×100mm×100mm試件，24h脫模后設(shè)定7d、28d 和60d 養(yǎng)護(hù)齡期，利用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。隨著赤泥含量的增大，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度逐漸下降；隨著鋼渣摻量的增大，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)鋼渣摻入混凝土后，其本身所具有膠凝活性會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)過程而凸顯，對(duì)比對(duì)照組抗壓強(qiáng)度提升顯著，說明鋼渣可以提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)同時(shí)摻入鋼渣和赤泥時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鋼渣摻量的增多而增大，隨著赤泥摻量的增多而減小。當(dāng)鋼渣摻量達(dá)到100%時(shí)，與單純只含有赤泥基混凝土相比抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)赤泥替代率為40%時(shí)，鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組幾乎一致；當(dāng)赤泥為50%時(shí)，試件組隨著鋼渣摻量的增多幾乎呈線性增長，抗壓強(qiáng)度提升效果最為顯著；當(dāng)赤泥替代率為60%時(shí)，提升效率與赤泥替代率為50%相比有所下降。分析其原因，赤泥的摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度具有一定影響，當(dāng)摻入比例適當(dāng)時(shí)會(huì)使其堿性成分釋放激發(fā)鋼渣的膠凝活性，但當(dāng)其摻量過大時(shí)，會(huì)減緩水泥的水化反應(yīng)阻礙鋼渣的活性，使得整體混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。綜上，赤泥摻量40%、鋼渣取代率100%時(shí)鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土抗壓強(qiáng)度最好，赤泥和鋼渣結(jié)合使用可以作為一種環(huán)保型材料的水泥混凝土。

圖3 不同配合比下混凝土坍落度與減水劑摻量關(guān)系

2.3 體積穩(wěn)定性分析

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）接觸法制作試件100mm×100mm×515mm 試件，利用收縮儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)摻入赤泥后鋼渣體積膨脹問題得到緩解。在脫模14d 之前，摻入40%及60%赤泥的鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土體積有所膨脹，之后開始具有收縮趨勢(shì)；摻入50%赤泥的鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土一直呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)，且伴隨著齡期的增長收縮逐漸增大。對(duì)比三種赤泥摻入體積率的收縮情況，赤泥摻入40%的鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土的體積穩(wěn)定性最好，養(yǎng)護(hù)300d 的收縮率最小，即代表體積變化最小，穩(wěn)定度最高。因此，赤泥與鋼渣在特定情況下可以改善混凝土的體積收縮問題，當(dāng)赤泥摻量在40%時(shí)反應(yīng)最好，相對(duì)體積穩(wěn)定性最佳。

圖4 鋼渣/赤泥混凝土收縮率隨齡期變化曲線

3 結(jié)語

本文通過研究鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土材料，對(duì)其工作性能、基本力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上開展混凝土收縮試驗(yàn)，研究其體積穩(wěn)定性能。通過試驗(yàn)，最終得到以下結(jié)論：

（1）適當(dāng)摻量的赤泥可以改善混凝土的粘聚性及保水性，當(dāng)鋼渣摻量為75%、赤泥摻量為40%～60%時(shí)，混凝土的坍落度最小，也無泌水現(xiàn)象，即工作性能此時(shí)最佳。

（2）過度摻入赤泥時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度大幅下降，鋼渣摻入量越大混凝土強(qiáng)度越高。僅考慮混凝土強(qiáng)度時(shí)，赤泥摻量40%、鋼渣摻量100%能使混凝土強(qiáng)度達(dá)到基準(zhǔn)組水平。

（3）赤泥可以有效緩解鋼渣的體積膨脹問題，但赤泥摻量過高或過低均不能改善混凝土體積膨脹問題?；诒敬卧囼?yàn)環(huán)境下，當(dāng)赤泥摻量為40%時(shí)、鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土的體積收縮率最小，體積穩(wěn)定性最佳。

（4）綜上考慮到混凝土強(qiáng)度及體積穩(wěn)定性，鋼渣細(xì)集料赤泥基混凝土材料最優(yōu)化配比為赤泥摻量40%，鋼渣取代率100%。