復摻鋼渣—石粉對混凝土力學性能的影響

袁晶晶，康洪震

(唐山學院 土木工程學院，河北 唐山 063000)

0 引言

我國作為鋼鐵產(chǎn)量大國，近年來排放的廢渣越來越多，但由于鋼渣成分波動較大，其中主要包括CaO和MgO等成分。新鋼渣含有的游離石灰可使其體積增大1～2倍[1]，從而導致鋼渣穩(wěn)定性較差，加之我國對鋼渣的開發(fā)利用起步較晚，鋼渣的綜合利用率僅為10%[2]。但鋼渣的耐磨性和抗壓性能較好，白敏等學者發(fā)現(xiàn)，鋼渣混凝土的抗壓強度和耐磨性都優(yōu)于普通混凝土[3]。姜從盛[4]等學者研究了鋼渣的穩(wěn)定性與耐磨性，結(jié)果表明存放半年的鋼渣是一種優(yōu)質(zhì)耐磨的礦質(zhì)集料。如果將鋼渣和水泥等混合材料用于建筑行業(yè)，將是對鋼渣的附加值充分利用的有效途徑。因此，其在路用材料和混凝土中的應用存在著巨大潛力。

隨著我國城市化進程的加快，混凝土的需求量不斷增加，能夠利用的天然河砂也越來越匱乏，機制砂的應用勢在必行。而機制砂在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生粒徑小于75 μm的石粉，國內(nèi)外相關試驗研究表明，石粉可以改善混凝土的顆粒級配，能夠填充孔隙并且促進水化反應，但如果含量過多也會對混凝土造成損傷[5]。如果這些廢料能夠廣泛應用在混凝土中，既能減輕環(huán)境污染又能降低生產(chǎn)機制砂的成本。

目前很多學者對鋼渣粉及機制砂中石粉含量對混凝土及膠體材料性能影響的研究較多，理論分析及試驗方法相對成熟。但對鋼渣作為粗骨料的應用研究較少。該項研究以一定摻量鋼渣及石粉的混凝土為試驗對象，通過研究其力學性能，為鋼渣及石粉的回收利用提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：冀東水泥P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標見表1。

表1 水泥主要技術指標

鋼渣：唐鋼一鋼軋廠轉(zhuǎn)爐渣，穩(wěn)定性滿足要求，粒徑為30 mm以下，其主要化學成分見表2。

表2 鋼渣化學成分/%

石粉：產(chǎn)自山東濟南某廠家，比表面積為340 m2/kg，細度(45 μm篩)7.8%，其主要化學成分見表3。

表3 石粉化學成分/%

粗集料：5～25 mm連續(xù)粒徑級碎石。

細集料：細度模數(shù)為2.5～2.8的中砂。

1.2 配合比

混凝土配合比設計需要滿足和易性和強度要求。邢琳琳等[6]學者在研究以鋼渣作為粗集料應用于混凝土中時發(fā)現(xiàn)，對于抗壓強度，以50%左右的摻量為最佳。張如林[7]學者在研究機制砂中石粉含量對混凝土抗壓強度的影響中得出石粉含量在10%左右時，混凝土的工作性能及力學性能達到最佳狀態(tài)。范德科[8]等對石粉改善混凝土的和易性及抗壓強度進行了研究，發(fā)現(xiàn)石粉含量在9%～12%時保水性和粘聚性較好，隨著石粉含量的增加，混凝土的強度有所下降。紀?；╗9]學者試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著石粉摻量從0%增大至20%時，自密實混凝土的強度隨著石粉摻量的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，當石粉摻量為10%時，對自密實混凝土的強度貢獻最大。故試驗依次采用15%、30%、45%和60%鋼渣等量替代碎石；以5%、10%和15%石粉等量替代水泥進行混凝土的拌合，按C30混凝土進行配合比設計，其基本配合比為：水膠比0.49，mc：ms：mG=1：1.467：2.785。

1.3 試驗方法

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)進行抗壓強度試驗。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組試件為3個，按照標準方法養(yǎng)護并分別測定3 d、7 d、28 d天齡期的抗壓強度。

2 試驗內(nèi)容及結(jié)果分析

2.1 單摻鋼渣對混凝土抗壓強度的影響

單摻鋼渣替代粗集料的混凝土抗壓強度結(jié)果見表4和圖1。

表4 單摻鋼渣混凝土抗壓強度

圖1 單摻鋼渣摻量對抗壓強度的影響

如表4和圖1所示，隨著鋼渣替代粗集料摻量的增加，混凝土的抗壓強度不斷增加，其強度值均高于空白組。查坤鵬[10]學者通過試驗發(fā)現(xiàn)C30的鋼渣混凝土的抗壓強度明顯高于普通混凝土，鋼渣的摻入會改變混凝土的內(nèi)部結(jié)構，強化了集料與漿體的界面過渡區(qū)。3 ～7 d齡期時，單摻鋼渣的混凝土強度增長率分別為25%、22%、20%和19%，均低于空白組31%，但隨著鋼渣替代量的增加，其增長率呈下降趨勢，分析原因主要是由于鋼渣的吸水率較大，使膠體材料用水量減小，導致早期強度增長放緩。7 ～28 d齡期時，鋼渣摻量為45%時抗壓強度最高，其強度增長率為最快，此階段水化反應基本完成，混凝土密實度較好，鋼渣與膠體材料粘結(jié)強度較高，鋼渣抗壓性能較好，對混凝土貢獻較大。但隨著鋼渣摻量提高，當達到60%時，鋼渣的吸水量繼續(xù)增加，但在等量替代粗集料時，由于鋼渣密度比碎石大，粗集料的減少導致材料的強度下降，從而導致混凝土抗壓強度低于45%摻量時的強度。

2.2 單摻石粉對混凝土抗壓強度的影響

單摻石粉替代水泥的混凝土抗壓強度結(jié)果見表5和圖2。

表5 單摻石粉抗壓強度

圖2 單摻石粉摻量對抗壓強度的影響

如表5和圖2所示，隨著石粉替代水泥用量的增加，混凝土的抗壓強度不斷降低。分析其主要原因為石粉為惰性材料，不參與水化反應，僅起到物理填充效應，石粉可填充水泥顆粒間縫隙，使自由水量增大，導致膠體材料的保水性變差，使其抗壓強度降低。在石粉摻量為10%以內(nèi)時，28 d抗壓強度略低于空白組。當摻量為15%時，其強度值下降較多。在石粉摻量為5%、10%和15%時，3～7 d齡期的抗壓強度增長值基本與空白組相當。因此，在一定石粉摻量下，對混凝土早期抗壓強度的增長影響不大。

2.3 復摻鋼渣及石粉對混凝土抗壓強度的影響

復摻鋼渣替代粗集料及石粉替代水泥的混凝土抗壓強度結(jié)果見表6和圖3～圖5。

表6 復摻鋼渣和石粉抗壓強度

圖3 復摻鋼渣和石粉摻量對抗壓強度的影響(鋼渣摻量為30%)

圖4 復摻鋼渣和石粉摻量對抗壓強度的影響(鋼渣摻量為45%)

圖5 復摻鋼渣和石粉摻量對抗壓強度的影響(鋼渣摻量為60%)

如表6所示，復摻鋼渣和石粉的混凝土3 d、7 d和28 d的抗壓強度，隨著石粉摻量的增加，其抗壓強度呈下降趨勢。由圖3和圖4可知，當鋼渣摻量為30%，石粉摻量為5%以及鋼渣摻量為45%，石粉摻量為5%時，混凝土齡期為3 d、7 d和28 d的抗壓強度與單摻鋼渣時基本持平，高于空白組。由圖3和圖5可知，鋼渣摻量為30%，石粉摻量為10 %時以及鋼渣摻量為60%，石粉摻量為5%時，混凝土抗壓強度與空白組基本持平。由此可見，在石粉低摻量情況下，對混凝土單摻鋼渣時的抗壓強度影響不大。分析其原因，石粉與水泥的填充效應使膠體材料的密實度增加，由于石粉摻量較少，增加的自由水量在粗集料周圍形成了濕度微區(qū)，維持了混凝土內(nèi)部的相對濕度，起到了促進水泥水化的作用，同時強化了混凝土中的鋼渣等粗集料與膠體材料的界面，使其界面的粘結(jié)強度增強，所以混凝土的抗壓強度變化不大。

由圖3～圖5可知，在鋼渣摻量為30%，石粉摻量為15%和鋼渣摻量為45%，石粉摻量為15%以及鋼渣摻量為60%，石粉摻量分別為10%、15%時，混凝土的抗壓強度比空白組低。由此可見，當石粉摻量較多時，摻入鋼渣的混凝土的抗壓強度提高的有利影響不能抵消石粉帶來的不利影響。

由表6可知，當鋼渣摻量為30%，復摻石粉為10%時，3～7 d齡期混凝土抗壓強度增長率最快。分析原因其一是適量石粉的摻入能夠加速C2S的早期水化作用，轉(zhuǎn)化而成的C3S是膠體材料早期強度的主要來源。其二，在復合摻量鋼渣為30%、石粉為10%的情況下，由于鋼渣的孔隙較多，水泥在水化作用下所形成的水化產(chǎn)物進入鋼渣內(nèi)部，加之石粉填充水泥顆粒的縫隙，這些膠體材料與鋼渣表面及內(nèi)部形成了類似“錨桿”的作用，所以加快了混凝土早期的抗壓強度。

3 結(jié)論

(1)以鋼渣等量替代粗集料可以提高混凝土的抗壓強度，其中以摻量為45%時抗壓強度增長率最高。

(2)以石粉等量替代水泥，當摻量為5%時可以提高混凝土的抗壓強度；當摻量繼續(xù)增加至10%、15%時，混凝土的抗壓強度下降。

(3)復摻鋼渣石粉時，隨著石粉摻量的增加，混凝土抗壓強度呈下降趨勢。當鋼渣摻量為45%，石粉摻量為5%時，混凝土抗壓強度最佳；當鋼渣摻量為30%，石粉摻量為10%時，混凝土齡期3～7 d抗壓強度增長率最快。