以钢渣为骨料的混凝土基本性能研究及应用

官少龙 毛志刚 吴安耀 张红日

摘要：文章以防城港某钢铁厂电炉法生产的钢渣为试验研究对象，探讨钢渣作为粗细骨料时制备钢渣混凝土的基本性能。研究发现：钢渣骨料的工程物理及化学性质能较好地满足相关规范中混凝土骨料技术指标要求;钢渣混凝土的抗压强度随钢渣骨料掺和比例趋于增加，高于同等条件下普通碎石混凝土的抗压强度，特别是掺和比例为25%的钢渣细骨料和100%的钢渣粗骨料的混凝土抗压强度较普通碎石混凝土可提高约20%～30%，其压缩强度与静态弹性模量的关系比高于相关规范中静载法得到的试验曲线关系比;钢渣骨料制备的混凝土在排水结构物、钢渣桩地基处理等简单构造工程中的应用前景可观，甚至可以100%替代普通碎石骨料。

关键词：钢渣;骨料;混凝土;力学性能;工程应用

中图分类号：U414 文献标识码：ADOI：10.13282/ji/cnki.wccst.2019.07.001

文章编号：1673-4874（2019）07-0001-03

0引言

钢渣作为冶炼各类钢铁产品过程中产生的副产品，其比例高达粗钢量的12%～20%，综合利用率较低，导致占用土地资源、环境污染等系列问题。2018年广西拟重点推进的项目中，沿海地区涉及钢铁>台金总投资额近千亿元，钢渣产量必然迅速递增。探讨建立高效、大规模开发利用钢渣的技术不仅是回收资源的重要问题，也是稳定钢铁供应需求的重要问题。

钢渣的应用较广泛，钢渣资源化技术的开发及应用也取得了一定的成绩。如我国 大部分钢厂都修建了废钢回收生产线，鞍钢采用无介质自磨及磁选的方法回收钢渣中的废钢量达8.0%，武钢回收废钢中的金属Fe达8.5%;钢渣中的钙、硅、磷等在冶炼过程中经过高温锻烧，其溶解度增大可用作化肥等;部分区域的钢渣有较好的力学性能，部分已经在公路工程中开始运用推广，如软基换填材料、钢渣混凝土桩复合地基等。但在钢渣替代砂石作为混凝土粗细骨料方面的研究欠缺，具有区域局限性。本文对防城港某钢铁厂的钢渣进行试验研究，探讨此钢铁厂生产的钢渣作为粗细骨料时混凝土的基础性能，并对鋼渣混凝土工程的应用性进行展望。

1钢渣粗骨料的生产和质量

1.1钢渣粗骨料的简介

试验研究采用防城港某钢铁制造工厂生产的钢渣粗骨料。该厂生产的钢渣是粉碎的电炉退火炉渣，但我们在熔化过程中加入CaCO3作为原料，脆化后将炉渣中的CaO含量加到约2.5%，通过实施两次粉碎过程，以去除在冷却过程中玻璃化的更易碎表层部分。

1.2钢渣骨料的工程物理化学性质

1.2.1钢渣骨料的工程物理性质

本试验研究中使用的钢渣满足相关规范技术指标范围的要求，参照《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）普通粗集料试验方法，得到其工程物理性质指标如表1所示。

从粗集料角度比较，常用于普通混凝土的石灰岩碎石的绝对干密度略大于武钢的，为2.53g/cm，而小于柳钢和试验研究钢渣;钢渣骨料的吸水率均较大于石灰岩碎石;武钢和试验研究钢渣的洛杉矶磨耗损失值和压碎值均小于石灰岩碎石，具有很好的强度。本试验用钢渣是通过两次破碎过程去除缓冷炉渣表面的脆弱部分而得到的，吸水率、磨耗损失等物理性质显著，与武钢、柳钢传统冶炼工艺生产的钢渣相比，防城港该钢铁厂生产的钢渣是一种物理性能显著改善的粗集料。

1.2.2钢渣骨料的化学成分

试验研究钢渣骨料的主要化学组分如表2所示。试验显示：该类型钢渣的化学成分二氧化硅、氧化镁、氧化钙等均能满足相关规范技术指标规定值。

2试验材料和配合比组合

本试验使用的水泥是普通硅酸盐水泥（密度：3.16g/cm），掺和水为普通自来水，化学外加剂是以阴离子表面活性剂为主要成分的AE剂和主要由羟基络合物/天然树脂酸盐组成的AE减水剂。粗骨料采用钢渣粗骨料（以下简称SCA），细骨料采用电炉法生产的钢渣细骨料（以下简称SFA）。

在本试验中，通过改变混凝土水灰比（w/C）、粗细骨料掺和比来确定混凝土掺和条件，如表3所示。混凝土的w/C设定为45%、55%和60%三个等级。

本试验基本组合中的目标坍落度和目标空气量分别为10.0±1.O cm和5.0±0.5%，通过初步试验确定总校正系数来校正新拌混凝土的空气量。

3混凝土的力学性能

3.1力学性能试验

为了研究使用钢渣骨料的混凝土的力学性能，参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》制备试件进行了养护龄期为7d、14d、28d和91d时的抗压强度试验，养护龄期为28d时分别进行了劈裂抗拉强度试验和静态弹性模量测定试验。

3.2试验结果与讨论

图1显示了标准条件下养护28d龄期混凝土（目标空气体积：5%）的抗压强度试验结果。掺和钢渣的混凝土的抗压强度趋于增加，同等条件下高于普通碎石混凝土的抗压强度。掺和比例为25%的钢渣细骨料和100%的钢渣粗骨料的混凝土抗压强度较普通碎石混凝土可提高约20%～30%，这归因于钢渣材料自身的材料强度;相同钢渣掺和比情况下，钢渣混凝土的抗压强度随水灰比增大而降低，与使用普通碎砂的混凝土相比，使用钢渣细骨料的混凝土的抗压强度可增加约10%。

图2显示了单独使用100%粗骨料钢渣的混凝土的抗压强度（养护28d）与不同钢渣细骨料SFA掺和比例的压碎值之间的关系。随着粗骨料压碎值的增加，抗压强度趋于降低。由此可以证实，包括钢渣骨料表面的脆弱部分在内的骨料本身的强度极大地影响了使用它的混凝土的抗压强度。

图3显示了28d龄期时混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度之间的关系。可见，即使在钢渣替代普通砂石制备混凝土的情况下，它们之间的关系在1/16～1/10的范围内，与普通砂石混凝土相当。

混凝土压缩强度与静态弹性模量之间的关系如图4所示。试验结果显示：无论钢渣粗细骨料掺和比例如何，制备的钢渣混凝土压缩强度与静态弹性模量的关系比高于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》静载法得到的试验曲线，且较普通碎石混凝土增加大约为20%～30%;当钢渣掺和比增加时，掺和钢渣的混凝土在相同抗压强度下的静态弹性模量较石灰石碎石低，且掺和比例为100%时，混凝土的静态弹性模量降低达7%～12%。

图5显示了全钢渣粗骨料混凝土的静态弹性模量与压碎值之间的关系。随着压碎值增大，静态弹性模量趋于降低。本文所列举的3种类型粗骨料的磨耗损失值和压碎值都不同，在压缩性质方面存在差异，这将影响在粗骨料和基质之间的界面处产生的微裂纹;甚至在相同的抗压强度水平下，混凝土的静态弹性系数会因骨料的类型而不同。由此可见，粗骨料的压碎值被认为是评价混凝土力学性能的重要指标之一。

从上述分析结果可以看出，使用钢渣骨料SCA的混凝土的力学性能具有等同于或高于普通混凝土的特性，即使钢渣掺和比为100%，也可单独使用。

4钢渣作为混凝土骨料的应用前景

综合前文及前人研究结果，采用钢渣骨料替代传统砂石制备混凝土，从钢渣骨料工程物化特性到钢渣混凝土的力学性能，均表现出很大的优异性。将其应用于简单构造物，如边沟、截水沟等公路防排水结构物和边坡底部护脚墙、非重要大体积混凝土结构物等以及CFG桩复合地基处理软基等方面，需进一步研究解决大体积混凝土温度裂缝问题。

在目前国家实行战略资源环保等背景下，传统石材开发利用受到限制，而我国基础建设正处于快速增长阶段，砂石材料价格日益增长。钢渣作为粗骨料应用在混凝土中，既可以取代不可再生的天然石料，又可以提高混凝土的性能，达到变废为宝和降低工程造价的目的。综合考虑到政策引领、环保要求、市场潜在规模以及技术上的可行性和经济上的优势，将钢渣粗骨料应用于混凝土领域更具有竞争力，在政策引导与技术进步双重作用下，钢渣粗骨料将在混凝土领域有广阔的应用前景。

5结语

本文以防城港某钢铁厂钢渣为例，探讨钢渣作为粗细骨料时混凝土的基础性能。研究发现，其力学性能与普通混凝土相近或更高，在某些领域甚至可以100%替代普通碎石骨料。

（1）相关试验结果显示所研究的钢渣骨料的工程物理及化学性质能较好地满足相关规范中混凝土骨料的技术指标。该钢铁厂生产的钢渣与武钢、柳钢传统>台炼工艺生产的钢渣相比，吸水率、磨耗损失等物理性质顯著。

（2）钢渣混凝土的抗压强度随钢渣骨料掺和比例的增加而增加，高于同等条件下普通碎石混凝土抗压强度。特别是掺和比例为25%的钢渣细骨料和100%的钢渣粗骨料的混凝土抗压强度较普通碎石混凝土可提高约20%～30%。

（3）掺合钢渣粗细骨料制备的钢渣混凝土，压缩强度与静态弹性模量的关系比高于相关规范中静载法得到的试验曲线关系比。

（4）钢渣骨料制备的混凝土在排水结构物、钢渣桩地基处理等简单构造工程中的应用前景可观。探索其在非重要大体积混凝土结构物中的应用具有重要的工程实际意义。