鋼渣替代粗集料配制混凝土的試驗研究

[摘　要] 　本試驗是用鋼渣等體積全部替代石子配制鋼渣混凝土，并與同強(qiáng)度等級的普通混凝土的多項力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行對比。試驗結(jié)果表明，鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和耐磨性都明顯優(yōu)于普通混凝土，其抗凍性與普通混凝土近似相同，并且由于鋼渣混凝土的吸水率小于普通混凝土，則其抗氯離子滲透性略好于普通混凝土，耐久性能滿足要求，即鋼渣混凝土的強(qiáng)度和耐久性總體來說要優(yōu)于普通混凝土。

[關(guān)鍵詞] 　鋼渣； 　混凝土； 　力學(xué)性能；　耐久性

0 　引言

      鋼渣是煉鋼過程中，伴隨產(chǎn)出的一定數(shù)量的工業(yè)副產(chǎn)品，被稱為冶金工業(yè)的頭號廢渣，世界各國每生產(chǎn)1t 粗鋼要產(chǎn)生約160kg 的鋼渣。長期以來，鋼渣作為廢物拋棄，占用良田，污染環(huán)境，因此，各產(chǎn)鋼國都已將鋼渣利用的問題提到了重要議事日程，并投入了大量的人、財、物力進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。目前，利用鋼渣替代混凝土中的砂子摻到粉煤灰混凝土中作道路材料和將鋼渣磨細(xì)來制作水泥等方面已有了相關(guān)報道。但用鋼渣替代粗集料配置鋼渣混凝土的研究并不多見，本文擬用鋼渣等體積全部替代普通混凝土中的粗集料進(jìn)行鋼渣混凝土配制，并對其多項力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行試驗研究。

1 　試驗原材料

     本試驗所采用的水泥是哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的P· O 32.5 R 水泥。其物理性能指標(biāo)見表1 。

　　本試驗所采用的砂、石均符合《建筑用卵石、碎石》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類技術(shù)要求。本試驗所采用的鋼渣是阿城鋼廠的轉(zhuǎn)爐鋼渣，存放期在兩年以上。該鋼渣是高溫熔融狀態(tài)下水淬急冷而形成的塊狀鋼渣，呈黑色，質(zhì)較輕(但比石子重) ， 氣孔較多，粒度在30mm 以下。其化學(xué)成分詳見表2 。

　　我們所采用的鋼渣根據(jù)其化學(xué)成分計算得出堿度為1.27 ，即為低堿度渣。鋼渣的物理力學(xué)性能見表3 。

　　鋼渣的顆粒級配見表4 。

　　取粒徑大于10mm 的塊狀鋼渣1200g ，在(105 ± 5) ℃下烘干到恒重，然后對其吸水性進(jìn)行測定。試驗數(shù)據(jù)見表5 。

　　由表5 可繪出鋼渣吸水率與時間的關(guān)系，見圖1 。可以看出，在剛開始，鋼渣的吸水性表現(xiàn)得很明顯，尤其在前4 個小時中，鋼渣的吸水量達(dá)到40g。慢慢地， 鋼渣的吸水能力逐漸減弱，在水中浸泡12h 之后，鋼渣的吸水性就不是很顯著，在48h 之后，鋼渣的吸水率就基本沒有變化。本試驗所采用的水是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的生活飲用水。

2 　試驗配比

     為了較好地對比出鋼渣混凝土與普通混凝土在力學(xué)性質(zhì)和耐久性上的差別，采用鋼渣等體積全部替代普通混凝土中的粗集料進(jìn)行對比性試驗。由于鋼渣混凝土的配制還沒有一個成熟的配制方法，本試驗是參照普通混凝土配合比進(jìn)行的。試驗的水灰比主要是依據(jù)所需混凝土的配制強(qiáng)度和水泥的實際強(qiáng)度確定的。在配制鋼渣混凝土中，作為粗集料的鋼渣為塊狀鋼渣，與碎石相比，其表面非常粗糙， 遠(yuǎn)大于碎石，故鋼渣作粗集料時混凝土拌合物的需水量比普通混凝土要大。為了確定出該混凝土的合理砂率，試驗配制了同水灰比，不同砂率的五組鋼渣混凝土，分別測定了其對應(yīng)坍落度和28d 抗壓強(qiáng)度。獲得砂率為37 %時，坍落度達(dá)到最大值，同時測得混凝土的粘聚性和保水性良好。

     由上述分析，設(shè)計的強(qiáng)度等級為C30 的鋼渣混凝土，其試驗配合比為: 水灰比為0145 ， 用水量為200kg/m3 ， 水泥用量為444kg/ m3 ， 鋼渣用量為1356kg/ m3 ，砂用量為730kg/ m3 。

3 　鋼渣混凝土的力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果及分析

　　本試驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)測得的對比混凝土的各項力學(xué)性質(zhì)見表6 。

　　強(qiáng)度等級為C30 的普通混凝土和鋼渣混凝土相對比，7d 抗壓強(qiáng)度的差值不大，鋼渣混凝土略高于普通混凝土，甚至近似相等：28d 以后，鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度就明顯高于普通混凝土， 大約高2MPa～3MPa ?？梢?，鋼渣的摻入不僅沒有降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，而且還略有提高。

      強(qiáng)度等級為C30 的普通混凝土與鋼渣混凝土強(qiáng)度與齡期關(guān)系的對比見圖2 ?？梢钥闯?，在同樣養(yǎng)護(hù)條件下鋼渣混凝土后期強(qiáng)度增長較快。

　　強(qiáng)度等級為C30 鋼渣混凝土的抗彎強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均明顯高于普通混凝土。這說明，鋼渣的摻入， 大大改變了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了混凝土中集料與水泥漿的界面過渡區(qū)，顯著改善了混凝土的力學(xué)性能。就影響混凝土強(qiáng)度的因素而言，其中材料組成是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素之一，而最主要的因素是集料與水泥石的界面。混凝土受力破壞一般都出現(xiàn)在集料與水泥石的分界面上，這就是常見的粘結(jié)面破壞的形式。在混凝土中，集料最先破壞的可能性很小，因為集料的強(qiáng)度一般均高于水泥石的強(qiáng)度。因而混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥石和界面的粘結(jié)強(qiáng)度， 而界面粘結(jié)強(qiáng)度又取決于水泥石的強(qiáng)度和集料的表面狀況(粗糙程度、棱角的多少等) 、凝結(jié)硬化條件及混凝土拌合物的泌水性等。與石子相比，鋼渣顆粒的表面很粗糙，粘結(jié)力較大，與水泥等拌和凝結(jié)硬化后， 鋼渣集料與水泥石粘結(jié)很好，界面粘結(jié)強(qiáng)度很高，大于石子與水泥石的界面粘結(jié)強(qiáng)度。在測定鋼渣混凝土的抗壓、抗彎強(qiáng)度時，觀察試件的斷裂面，發(fā)現(xiàn)鋼渣混凝土斷裂基本都是發(fā)生在集料本身，而并非集料與水泥石的粘結(jié)界面。這就說明與石子相比，作為粗集料的鋼渣由于其表面很粗糙，使集料與水泥石粘結(jié)較好，充分發(fā)揮了集料的骨架作用。

4 　鋼渣混凝土耐久性試驗及結(jié)果分析

4．1 　抗凍性測試

      本試驗對強(qiáng)度等級為C30 的普通混凝土和鋼渣混凝土進(jìn)行了抗凍性試驗，參照( GBJ 82 - 85)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中抗凍性能試驗的慢凍法進(jìn)行。試件尺寸為100mm ×100mm × 100mm ，成型24 小時后脫模，試件經(jīng)24d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，在15 ℃～20 ℃的水中浸泡4d 后進(jìn)行抗凍性的測試。把試件置入冷凍箱中，冷凍溫度為- 15 ℃～ - 20 ℃，冷凍時間為4h 。凍結(jié)到規(guī)定時間后即可移入融解水槽，試件融解溫度為15 ℃～ 20 ℃，融解時間為4h 。在試驗過程中，要經(jīng)常對凍融試件的外觀進(jìn)行觀察和測量，如試件破損嚴(yán)重，其平均失重率超過5 %即可停止凍融循環(huán)試驗，在混凝土試件達(dá)到規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)后，即應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率試驗。混凝土的抗凍標(biāo)號以同時滿足強(qiáng)度損失率不超過25 % ，質(zhì)量損失率不超過5 %時的最大循環(huán)次數(shù)來表示。本試驗凍融循環(huán)進(jìn)行了50 次。試驗結(jié)果列于表7 。由表7 可以看出，鋼渣混凝土的抗凍性能與普通混凝土幾乎相同，說明滿足混凝土抗凍性要求。

4.2 　抗?jié)B性測試

      本試驗采用清華大學(xué)研制的NEL 型滲透性快速檢測系統(tǒng)測定強(qiáng)度等級為C30 的普通混凝土和鋼渣混凝土的氯離子抗?jié)B性。分別測試計算的數(shù)據(jù)為:普通混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為5.27 ×10 ^{- 8cm2/ s ，}鋼渣混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為4.53 ×10 - ^{9cm2/ s ，}從而得出鋼渣混凝土的抗氯離子滲透性要好于普通混凝土。

      為了說明上述結(jié)果，對強(qiáng)度等級為C30 的普通混凝土和鋼渣混凝土的吸水率進(jìn)行了測試，結(jié)果見表8 。

      由圖3 可以看出，鋼渣混凝土的吸水率小于普通混凝土。分析其原因是因為鋼渣混凝土中集料與水泥石界面粘結(jié)好，使混凝土密實，透水性差。

4.3 　耐磨性測試

      鋼渣混凝土做道路路面材料時，長期經(jīng)受車輛荷載的往復(fù)作用，車輪對路面的沖擊、擠壓以及路面上堅硬物質(zhì)的不斷磨損，要求具有很強(qiáng)的耐磨能力，尤其在公路交通量迅猛增長，汽車超載現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重的今天，對混凝土路面的耐磨性能要求更高。本試驗根據(jù)ASTMC779 提供的旋轉(zhuǎn)盤磨耗試驗方法測定混凝土的耐磨性。試驗采用的旋轉(zhuǎn)盤磨耗試驗方法，轉(zhuǎn)數(shù)為600 轉(zhuǎn)。分別測得的試驗數(shù)據(jù)是：普通混凝土的質(zhì)量損失率為10.98 % ，鋼渣混凝土的質(zhì)量損失率為7.64 %。可見，鋼渣混凝土的耐磨性遠(yuǎn)大于普通混凝土。其原因為鋼渣的表面粗糙，導(dǎo)致鋼渣和水泥石之間界面的物理結(jié)合增強(qiáng)。另一方面，鋼渣中金屬鐵形成顆粒骨架，少部分水泥熟料礦物鑲嵌其中，水泥熟料的水化使鋼渣顆粒與水泥漿體的界面粘結(jié)增強(qiáng)，混凝土磨損時，塑性斷裂、脆性斷裂和微觀切削減少，耐磨性提高。

5 　結(jié)論

(1) 與普通混凝土相比，鋼渣混凝土的各項力學(xué)性能均比較好。其中，在摻入鋼渣后，混凝土的抗彎強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度有明顯改善。

(2) 鋼渣混凝土與普通混凝土的抗凍性近似相同，其吸水率小于普通混凝土，并且抗氯離子滲透性好于普通混凝土。

(3) 鋼渣混凝土比起普通混凝土有著明顯的優(yōu)勢。由于鋼渣本身優(yōu)良的耐磨性，使用其作粗集料配制的混凝土也具有良好的耐磨性。

總之，試驗配制的鋼渣混凝土經(jīng)測試，其各項指標(biāo)均符合普通混凝土的標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至在很多方面還優(yōu)于普通混凝土。同時，大量利用鋼渣還可以改善環(huán)境、變廢為寶，提高經(jīng)濟(jì)效益?？梢?，將鋼渣混凝土用于各種建筑工程，將大量消耗現(xiàn)存的工業(yè)廢料———鋼渣，是一項很有前景的綠色工程。

[參考文獻(xiàn)]

[1 ]許遠(yuǎn)輝，陸文雄，王秀娟. 鋼渣活性激發(fā)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J ] . 上海大學(xué)學(xué)報(自然科) . 2004 ，10 (1) .

[ 2 ]M. Maslehuddin ，Alfarabi M. Sharif ，M. Shameem. Comparison of properties of steel slag and crushed limestone aggregate conretes. Construction and Building Materials. 2003 ， (17) :105 - 112.

[ 3 ]李建平，倪文，陳德平. 影響大摻量鋼渣水泥強(qiáng)度的主要因素探討[J ] . 礦物巖石. 2003 ，23 (4) .

[ 4 ]杜憲文. 鋼渣應(yīng)用于道路工程的研究[J ] . 東北公路. 2003 ，26 (3) .

[5 ]黃曉明，潘鋼華，趙永利. 土木工程材料[ M] . 東南大學(xué)出版社， 2001.

[6 ]楊華明，張廣業(yè)，鋼渣資源化的現(xiàn)狀與前景[ J ] . 礦產(chǎn)綜合利用， 1999 ， (3) .

[作者簡介] 　白敏，1980 年生，女，在讀研究生。

[單位地址] 　陜西省西安建筑科技大學(xué)342 信箱(710055)

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