碳酸化养护钢渣集料在透水混凝土中的应用*

吴昊泽，徐东宇

（1. 山东省水泥质量监督检验站；山东 济南 250022；2. 济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点试验室，山东 济南 250016）

0 前言

钢渣是炼钢工业中所产生的工业废渣，由于钢渣早期水化活性低、安定性不良，钢渣的应用受到限制[1-3]。应用碳酸化养护，可以快速将 CO2固化储存在钢渣中[4]，有效改善其安定性不良等问题[5-7]，应用碳酸化钢渣可制备人造集料[8-9]。近几年来，我国对透水混凝土展开了广泛研究和应用[10]。透水混凝土具有孔隙大、透水率高、抗冻性等特点，可以在极端天气下加快城市排水和地下水循环[11]。现有的透水混凝土因石子骨料之间的孔隙导致混凝土的结构发生变化，后期易发生收缩断裂，从而影响了混凝土的力学性能和耐久性[12]。本课题利用碳酸化钢渣制备集料，研究不同掺量下碳酸化钢渣集料替代石子骨料对透水混凝土工作性能、力学性能及耐久性的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：山东山水集团生产 P·O42.5 水泥，密度3.07g/cm3，初凝和终凝时间分别为 180min 和 270min，3d 和 28d 抗压强度分别为 24.8MPa 及 55.1MPa。

粉煤灰：济南黄台电厂生产 F 类 Ⅱ 级，密度2.77g/cm3，比表面积 434m2/kg，烧失量 4.84%。

粗集料：平安建设混凝土搅拌站用石灰岩碎石，粒径 4.75～9.5mm，连续级配，表观密度 2.59g/cm3，堆积密度 1.46g/cm3，压碎指标 9.7%，针片状含量 8.7%，孔隙率 35.7%，吸水率 0.8%。

钢渣：齐河永锋钢铁集团生产，热闷磁选后，经颚破、筛分得粒径 4.75～9.5mm，连续级配。

聚羧酸减水剂：固含量 42%，减水率 26%。

水：自来水。

应用 Burke S8 荧光分析仪检测原材料的主要化学成分，其结果见表 1。

表 1 原材料的主要化学成分 %

1.2 试验方法

碳酸化钢渣集料：在粒径 4.75～9.5mm 钢渣颗粒表面，按液固比 0.15kg/kg 进行喷水（水中溶有 5% 的自制碳酸化增强剂 CNH40），在相对湿度 70%～90%的反应釜中通入 CO2浓度为 30%～40% 的钢厂配套石灰窑尾废气，进行钢渣集料碳酸化养护 360min。按照GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》测定钢渣集料性能。应用 Burke D8 Advance XRD 和日立 S-2500 SEM测定钢渣碳酸化前后的矿物组成及微观形貌。对于钢渣集料还没有明确的安定性测试方法，影响钢渣安定性的主要因素在于较高的 MgO 和 f-CaO 含量，因此应用荧光分析和甘油乙醇法测定钢渣集料碳化前后的 MgO 及f-CaO 含量。

参照 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》设计碳酸化钢渣集料透水混凝土，混合料采用“水泥裹石法”[13]进行搅拌成型。按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定试件 28d 抗压强度；按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试试件工作性能；采用浸水质量法进行孔隙率测试；按照 CJJ/T 135—2009 测试试件透水系数；抗冻性采用快速冻融循环法（设置温度：-5～5℃，循环周期：2.5h，循环次数：50 次）。

2 结果与分析

2.1 碳酸化钢渣集料性能

按照标准测定钢渣集料性能，表 2 为测试结果。与原钢渣相比，碳酸化钢渣集料的表观密度、堆积密度分别增加了 6.84% 及 7.25%；针片状含量变化不大；孔隙率、吸水率和压碎指标分别降低了 20.45%、55.34% 及36.39%。与石灰岩碎石相比，碳酸化钢渣集料的表观密度和堆积密度为碎石的 1.27 和 1.42 倍，针片状含量比碎石高 3.14%，孔隙率和吸水率为碎石的 84.42% 及88.75%。

表 2 碳酸化钢渣集料性能

分别取未处理钢渣和碳酸化钢渣集料粉磨过筛，进行 XRD 及 SEM 观测。图 1 为 XRD 图谱，从图中高的背底可以看出其含有一定量的玻璃体。碳酸化钢渣集料碳酸盐的衍射峰增强较为明显，而 Ca(OH)2衍射峰基本消失，C2S、C3S 等矿物的衍射峰强度消减，说明这些矿物经反应生成了碳酸盐。图 2 为 SEM 照片，与未处理钢渣相比，存在大量颗粒状晶体结晶。由于钢渣矿物组成的原因（含金属成分高），钢渣集料表观密度和堆积密度均高于石灰岩碎石，而颚破、筛分的生产工艺致使钢渣集料针片状含量的增高。但经碳酸化处理，钢渣中碳酸盐矿物的结晶生成，钢渣集料更加致密，导致与未处理钢渣相比孔隙率和吸水率下降较为明显，压碎值有较大幅度提高，但其压碎值相较于石灰岩碎石仍有不足。采用硫酸钠溶液法测试其坚固性，碳酸化钢渣集料质量损失为 2.7%，与石灰岩碎石（2.4%）相差不大。分别取未处理钢渣和碳酸化钢渣集料粉磨过筛，经荧光测试和甘油乙醇法测试，未处理的钢渣集料 MgO和 f-CaO 含量分别为 8.34% 和 2.59%，碳酸化钢渣集料 MgO 和 f-CaO 含量分别为 3.54% 和 1.02%，由此可见，钢渣集料的安定性得到了提高。

图 1 碳酸化钢渣集料 XRD 图谱

图 2 碳酸化钢渣集料 SEM 照片

2.2 透水混凝土性能

钢渣集料透水混凝土水胶比采用 0.30，外加剂掺量 2.0%，其配合比及性能见表 3。如表 3 所示，A02与 A01 相比，28d 抗压强度降低 1.5MPa，冻融循环后强度损失率增加了 1.2%，其他性能性差不大，因此用A02 试件作为对比空白样（即采用粉煤灰内掺 15%）。透水混凝土的抗压强度、孔隙率、透水系数和抗冻性随着钢渣集料的加入量变化做出趋势图，见图 3～7。

表 3 透水混凝土配合比及性能

图 3 是钢渣集料透水混凝土抗压强度变化图，随着未处理钢渣颗粒取代碎石的量从 10% 至 50% 递增，抗压强度降低率依次为 20.24%、29.96%、42.51%、47.73% 及 51.01%，碳酸化钢渣集料组抗压强度降低率依次为 4.45%、15.38%、30.36%、36.44% 及 41.29%。由于碳酸化致使钢渣集料致密性提高，压碎值得以改善，用碳酸化钢渣集料配制的透水混凝土抗压强度明显较好。当处理钢渣颗粒取代碎石的量达到 10% 时，抗压强度已低于 20MPa，替代量达到 30% 时，强度已低于 15MPa；而碳酸化钢渣集料取代碎石的量达到20%，透水混凝土强度为 20.9MPa。

图 3 抗压强度变化趋势图

图 4 是钢渣集料透水混凝土孔隙率变化图，相对于空白样，加入钢渣集料均能提高孔隙率，这一方面是由于针片状含量较多，另一方面是由于钢渣集料表面致密度较碎石较差。随着未处理钢渣颗粒取代碎石的量从 10% 至 50% 递增，孔隙率提高率依次为 5.52%、7.97%、9.81%、12.88% 及 15.95%，碳酸化钢渣集料组孔隙率变化率依次为 -1.22%、0、5.52%、4.29% 及9.81%。对于孔隙率的提高，碳酸化钢渣集料不如未处理钢渣颗粒，甚至在替代量 10% 时，孔隙率略有降低。

图 4 孔隙率变化趋势图

透水系数是透水混凝土的重要性能。图 5 是钢渣集料透水混凝土透水系数变化图，随着未处理钢渣颗粒取代碎石的量从 10% 至 50% 递增，透水系数提高率依次为 8%、12%、20%、16% 及 24%，碳酸化钢渣集料组透水系数提高率依次为 12%、12%、16%、16%及 24%。钢渣集料的加入有利于透水系数的提高，当碳酸化钢渣集料取代量达到 20% 时，透水系数达到了2.8mm/s，但透水系数的增加并没有与替代量呈现出线性关系，这说明透水系数并不完全取决于孔隙率。

图 5 透水率变化趋势图

图 6 和图 7 分别为冻融循环质量和强度损失变化图，在质量损失方面，与空白样相比，碳酸化钢渣集料透水混凝土变化较小，这从一方面说明其耐久性良好，而随着未处理钢渣颗粒取代碎石的量从 10% 至 50% 递增，质量损失依次为空白样的 1.43、1.65、1.73、1.76及 1.95 倍。在强度损失方面，当碳酸化钢渣集料取代量为 10% 和 20% 时，与空白样的强度损失几乎相同，而随着取代量进一步增大，呈现上升趋势；而未处理钢渣颗粒的强度损失较高。

图 6 冻融循环质量损失变化趋势图

图 7 冻融循环强度损失变化趋势图

3 结语

（1）为实现钢渣在透水混凝土中的合理应用，通过碳酸化处理钢渣集料。利用 XRD 和 SEM 观测集料表面的矿物组成和微观形貌。

（2）通过碳酸化预处理，钢渣集料的孔隙率、吸水率和压碎指标分别降低 20.45% 、55.34% 及36.39%，集料的性能得到部分优化。

（3）研究不同粗骨料替代量时，碳酸化钢渣集料对透水混凝土的工作性能、力学性能和耐久性的影响，碳酸化钢渣集料在透水混凝土中替代 20% 碎石时，透水混凝土 28d 抗压强度 21.9MPa，孔隙率 16.3%，透水系数 2.8mm/s，冻融循环质量和强度损失率分别为 3.6%和 10.1%。