不同比例钢渣替代粗集料对水泥混凝土性能影响

朱治国， 李文凯

（1.河南能源化工集团义煤公司，河南义马 472300； 2.河南交院工程技术有限公司，郑州 450000）

随着经济的快速发展，我国基础设施建设取得了重大的成果，钢材的需求量逐年增加，但炼钢产生的废渣如何处置已成为目前研究的重要课题. 同时为满足基础设施建设对矿料的需求，大量石材被开采，以及近年来环境治理力度的逐年加大，导致矿料出现紧缺的现象. 炼钢废渣的排放不仅影响钢铁产业部门的经济效益，而且废弃钢渣还需占用大量的场地进行堆放. 废弃钢渣堆放会造成资源极大的浪费，容易污染环境和影响居民生活. 为了响应国家可持续发展战略方针，必须尽快改善目前工业废渣低利用率的现状，有效提高工业废渣的回收率和再利用率. 随着砂、石等天然集料资源数量日益减少，钢渣的利用开始逐渐得到各国的重视，很多国家投入了大量的财力和精力进行研究以实现钢渣再利用的目的［1-5］. 本文以钢渣的合理利用为目的，将钢渣以一定的比例等质量替代水泥混凝土中的粗集料进行钢渣水泥混凝土配合比设计，同时对钢渣水泥混凝土的工作性能、力学性能以及耐久性能展开研究［6-10］. 通过混凝土坍落度及1 h经时坍落度试验，评价不同钢渣掺量时混凝土的工作性能；通过混凝土抗压强度及抗折强度试验，评价不同钢渣掺量时混凝土的力学性能；通过混凝土抗冻性及抗氯离子渗透性试验，评价不同钢渣掺量时混凝土的耐久性能，为钢渣在水泥混凝土中的应用提供技术支撑.

1 原材料

1.1 水泥

水泥种类对混凝土结构性能起着决定性作用，本文选用的水泥型号为P·I 52.5，其主要技术指标试验结果见表1.

表1 P·I 52.5水泥主要技术指标试验结果Tab.1 Test results of main technical indexes of P·I 52.5 cement

1.2 粉煤灰

粉煤灰作为一种胶凝材料，能够有效改善混凝土拌合物的和易性，减少混凝土结构早期因水化热产生的裂缝，本文选用的粉煤灰等级为Ⅰ级，其主要技术指标试验结果见表2.

表2 粉煤灰主要技术指标试验结果Tab.2 Test results of main technical indexes of fly ash

1.3 钢渣

本文的钢渣为转炉钢渣，粒径为4.75～9.5 mm、9.5～19 mm 两档，两档钢渣主要技术指标试验结果见表3.

表3 钢渣主要技术指标试验结果Tab.3 Test results of main technical indexes of steel slag

1.4 配合比设计

本文选用的粗集料为5～10 mm、10～20 mm石灰岩碎石，其主要技术指标试验结果见表4. 细集料为天然河砂，其主要技术指标试验结果见表5. 依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2019）进行钢渣水泥混凝土配合比设计，设计强度等级为C50，减水剂类型为聚羧酸系高性能减水剂，掺量为胶凝材料质量的2.0%，钢渣分别以0%、20%、40%、60%等质量替代粗集料，四种混凝土配合比设计结果见表6.

表4 粗集料主要技术指标试验结果Tab.4 Test results of main technical indexes of coarse aggregate

表5 细集料主要技术指标试验结果Tab.5 Test results of main technical indexes of fine aggregate

表6 混凝土配合比设计结果Tab.6 Design results of concrete mix proportion 单位：kg/m3

2 工作性能

钢渣水泥混凝土要满足施工和易性要求，如果钢渣水泥混凝土工作性能不好，就会导致混凝土出现泌水、离析等现象，从而影响混凝土结构的后期性能［11-12］. 四种钢渣水泥混凝土坍落度及1 h经时坍落度试验结果分别见图1、图2.

图1 坍落度试验结果Fig.1 Slump test results

图2 1 h经时坍落度Fig.2 Slump over 1 h

由图1、图2可以得出，随着钢渣掺量的增大，四种混凝土坍落度及1 h经时坍落度试验结果均逐渐变小，钢渣替代量为20%、40%、60%混凝土的坍落度较未掺钢渣混凝土分别降低6.82%、18.18%、25.00%，1 h经时坍落度分别降低12.50%、22.50%、32.50%；这主要因为粗集料表面较为光滑，与水泥砂浆间的摩阻力较小，而钢渣的表面粗糙、多棱角，与水泥砂浆间的摩阻力较大，钢渣的掺入会降低混凝土的坍落度，影响混凝土的工作性能，且掺量越多影响程度越大.

3 力学性能

3.1 抗压强度

本文选用SYE-2000压力试验机对混凝土进行抗压强度试验，加载速率为0.5～0.8 MPa/s，试件的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，将不同钢渣掺量的混凝土试件在标养室内养生7、14、28 d后进行抗压强度试验［13-15］.四种钢渣水泥混凝土不同龄期抗压强度试验结果见图3.

图3 不同龄期混凝土抗压强度试验结果Fig.3 Test results of compressive strength of concrete at different ages

由图3可以得出，四种混凝土抗压强度均随着龄期的增加而增大，且相同龄期试件的抗压强度随钢渣掺量的增加逐渐增大；钢渣替代量为20%、40%、60%混凝土的7 d 抗压强度较未掺钢渣混凝土分别提高了4.19%、6.28%、8.16%，28 d抗压强度分别提高了4.99%、10.66%、12.93%. 这主要因为钢渣中具有水硬性胶凝作用的活性矿物质（C2S、C3S等），能提高集料与水泥石之间界面区的黏结性能，从而使混凝土的抗压性能得以增强. 同时由于钢渣集料的吸水率要高于碎石，以及钢渣集料界面的粗糙、多孔特征，使钢渣更容易吸收水分，混凝土中自由水分变少，有效的水胶比减小，从而钢渣混凝土的强度有所增加.

3.2 抗折强度

选用SHT-4106微机控制电液伺服万能试验机对混凝土进行抗折强度试验，加载速率为0.05～0.08 MPa/s，试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，将不同钢渣掺量的混凝土试件在标养室内养生14、28 d后进行抗折强度试验［16-18］. 四种钢渣水泥混凝土不同龄期抗折强度试验结果见图4.

图4 不同龄期混凝土抗折强度试验结果Fig.4 Experimental results of flexural strength of concrete at different ages

由图4可以得出，四种混凝土抗折强度均随龄期的增加而升高，且相同龄期试件的抗折强度随钢渣掺量的增加逐渐增大；钢渣替代量为20%、40%、60%混凝土28 d抗折强度较未掺钢渣混凝土分别提高了10.53%、21.05%、24.56%. 这主要因为钢渣的活性矿物质、粗糙的表面特征以及较大的吸水率促进钢渣混凝土抗折强度的增加.

4 耐久性能

4.1 抗冻性

本选用快速冻融试验法进行抗冻性试验，使用的仪器为GDR3-9 混凝土冻融试验机以及LC-647 型共鸣法数显动弹系数测定仪，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，试件在标养室内养护到28 d后开始试验，冻2.5 h，融化1.2 h为一次冻融循环［19-21］. 四种钢渣水泥混凝土经过50次、100次、150次冻融循环后相对动弹性模量及质量损失试验结果见图5、图6.

图5 相对动弹性模量试验结果Fig.5 Test results of relative dynamic modulus of elasticity

图6 质量损失试验结果Fig.6 Mass loss test results

由图5、图6可以得出，随着冻融循环次数的增加，四种混凝土相对动弹性模量均逐渐变小，质量损失均逐渐升高；相同冻融循环次数后随着钢渣替代量的增加混凝土相对动弹性模量逐渐增大，质量损失逐渐减小. 这主要因为钢渣中的活性矿物质C2S、C3S 以及铁铝酸盐具有水硬胶凝性，当钢渣表面发生水化反应时，钢渣颗粒就会和水泥浆体更紧密的包裹起来，形成致密的结构，减少了孔隙的产生.

4.2 抗氯离子渗透性

本文选用ZB-07S全自动真空饱水机和RCM-DAL 氯离子扩散系数测定仪对混凝土抗氯离子渗透性进行试验，试件尺寸为高度50 mm，直径100 mm的圆柱体［22-23］. 试验结束后，将试件切割成两个半圆柱体，并在断面处涂抹AgNO3指示剂，15 min后进行检测，四种钢渣水泥混凝土抗氯离子扩散系数试验结果见图7.

图7 抗氯离子扩散系数试验结果Fig.7 Test results of anti chloride diffusion coefficient

由图7 可以得出，随着钢渣掺量的逐渐增大，混凝土抗氯离子扩散系数逐渐下降，钢渣替代量为20%、40%、60%混凝土抗氯离子扩散系数较未掺钢渣混凝土分别降低了6.50%、12.07%、14.55%，表明钢渣的掺入能有效改善混凝土抗氯离子渗透能力. 这主要因为钢渣表面粗糙、多孔，在配制混凝土的过程中，水泥浆体逐渐渗入这些孔隙中，形成更为致密的混凝土结构.

5 结论

本文通过对钢渣水泥混凝土配合比设计，并进行工作性能、力学性能、耐久性能试验，得出以下结论：

1）随着钢渣等质量替代粗集料比例的增大，四种混凝土坍落度及1 h经时坍落度试验结果均逐渐变小，钢渣的掺入会降低水泥混凝土的工作性能，需考虑掺入合理的高性能减水剂来改善钢渣混凝土的工作性能.

2）随着钢渣等质量替代粗集料比例的增大，四种混凝土抗压强度及抗折强度逐渐增大，表明钢渣的掺入能够改善水泥混凝土的力学性能，但替代量超过40%时，增大幅度会降低.

3）随着钢渣等质量替代粗集料比例的增大，相同冻融循环次数后水泥混凝土相对动弹性模量逐渐增大，质量损失逐渐减小，抗氯离子扩散系数逐渐降低，表明钢渣的掺入能够改善水泥混凝土的耐久性能，但替代量超过40%时，改善幅度会降低.