钢渣砂替代机制砂的混凝土特性试验研究

劳显勋，蓝天助，黄彦鑫，兰素恋

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；3.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

钢渣是钢厂在炼钢过程中产生的副产物，其产量约为粗钢产量的12%～20%[1-2]。近年来，随着钢铁工业的不断发展，钢渣库存量逐年增加，2018年，我国钢渣的库存量已达17亿t之多[3]。钢渣砂是钢渣固体废弃物经过一定破碎、筛分等工艺加工而成的细集料，将钢渣做成细集料应用到工程领域，不仅在一定程度上可以提高钢渣利用率，缓解钢铁工业的额外压力，还可以减少碎石开采，保护生态环境。

近年来，国内外学者对钢渣集料的利用进行了一定的研究，并取得了一定的成果。徐兵等[4]研究了在上海某护岸工程中采用掺入钢渣粉、钢渣砂、钢渣粗集料的混凝土预制桩，结果表明，钢渣混凝土强度良好；于峰等[5]通过不同粒径钢渣砂替代普通砂的混凝土性能试验，得出了钢渣混凝土抗压强度与取代粒径呈正比，膨胀率与取代粒径成反比的结论；孙小巍等[6]研究了钢渣砂与石英砂混合后级配对水泥灌浆料性能的影响，研究结果表明混合骨料级配对灌浆料流动度影响较大，混合料堆积密度对抗压强度影响较大。

目前对钢渣砂在混凝土中的应用研究主要集中在掺钢渣砂后对混凝土强度和膨胀率的影响方面的研究，而对掺钢渣砂后的耐久性方面的研究较少，且不够系统。本文基于钢渣特性，针对不同钢渣砂掺量对混凝土工作性、强度、耐久性的影响进行研究，为钢渣砂在混凝土中的利用提供参考。

1 试验原材料

1.1 粗集料

粗集料采用三档，主要粒径为5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm花岗岩碎石，试验测定的物理力学指标如下页表1所示，碎石物理力学性能良好，各项指标满足《建筑用卵石、碎石》(GB-T14685-2011)[7]的要求。

1.2 细集料

细集料采用钢渣砂及机制砂。钢渣砂来源为防城港某钢铁厂陈化12个月的陈渣，钢渣砂颜色呈黑色；机制砂采用钦州某采石场以花岗岩为原材料经破碎加工而成的机制砂。按要求取样后对钢渣砂及机制砂的物理力学特性进行了试验分析。

1.2.1 钢渣砂

试验采用X荧光光谱半定量分析钢渣砂的化学成分，结果如下页表2所示，钢渣砂的化学成分与水泥接近，主要化学成分为CaO、Fe2O3、SiO2。钢渣砂的矿物相组成如下页表3所示，陈化12个月钢渣砂的主要矿相成分为CaCO3、Ca2Fe2O5、Ca2SiO4、Fe2O3以及RO相。

表1 粗集料主要物理力学指标表

表2 陈化12个月钢渣砂主要化学成分表(%)

表3 陈化12个月钢渣砂主要矿相成分表(%)

取一定的钢渣砂进行筛分试验。本试验采用的钢渣砂级配如表4所示，该钢渣砂细度模数为2.8，属于中砂。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)[8]，测定钢渣砂的其他基本指标如表5所示，与机制砂相比，钢渣砂的表观密度较大，是普通机制砂的1.28倍。

钢渣砂表面粗糙，且含有大量孔隙，筛分出2.36～4.75 mm的钢渣细集料，并参考粗集料的吸水率测定方法开展钢渣细集料的吸水率试验。试验研究表明，钢渣砂的吸水率随时间的增大而增大。如表6所示，0～1 h内钢渣砂的吸水率随时间快速增长，1～8 h内钢渣砂的吸水率逐渐减小，8 h后钢渣砂的吸水率趋于稳定。

表4 钢渣砂颗粒级配表

表5 钢渣砂基本指标表

表6 不同浸水时间下钢渣砂的吸水率表

1.2.2 机制砂

本试验采用机制砂为花岗岩经破碎加工而成，级配如表7所示。该机制砂细度模数为2.9，属于中砂。机制砂的物理力学指标如表8所示，物理力学性能良好，各项指标满足《建筑用砂》(GB 14684-2011)[9]的要求。

表7 机制砂颗粒级配表

表8 机制砂主要物理力学指标表

1.3 胶凝材料

1.3.1 水泥

本试验采用42.5级普通硅酸盐水泥，该水泥相关指标如表9所示。水泥的凝结时间满足混凝土用水泥标准，煮沸法安定性合格。

1.3.2 粉煤灰

试验所采用的粉煤灰为防城港某发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。粉煤灰技术指标如表10所示，各项指标满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2005)[10]规范使用要求。

表9 P.O42.5级水泥相关指标表

表10 粉煤灰相关指标表

1.4 减水剂

采用南宁市雨润建材化工有限公司的高效缓凝型减水剂，呈黄褐色，pH值为7.1，建议掺量为1%～2%，减水率为20%～27%。不同掺量下减水效果不同，掺量为1.5%时，减水率为25%。

2 不同钢渣砂掺量混凝土配合比

本次试验分别设置钢渣砂掺量为0、25%、50%、75%、100%，按《普通混凝土配合比设计方法》(JGJ55-2011)[11]设计C30钢渣混凝土。钢渣混凝土配置强度为38 MPa，根据碎石混凝土强度经验公式计算的钢渣混凝土水灰比为0.53，钢渣混凝土粗集料最大粒径为30 mm，坍落度按180 mm考虑，初步用水量为226 kg，掺了1.5%减水剂后用水量为170 kg。由于钢渣砂与花岗岩碎石及机制砂的表观密度相差较大，所以钢渣混凝土砂率采用体积比，参考普通混凝土砂率并结合经验确定钢渣混凝土体积砂率为37%，按绝对体积法计算公式(1)～(2)，得出不同等体积替换机制砂的钢渣砂混凝土配合比如表11所示。

(1)

(2)

式中：ms2——机制砂用量(kg/m3)；

mg——粗集料用量(kg/m3)；

ρc——胶凝材料密砂表观密度(kg/m3)；

ρg——粗集料表观密度(kg/m3)；

α——钢渣混凝土含气量百分数，不使用引气剂时为1。

表11 不同钢渣砂掺量的钢渣混凝土配合比表(kg/m3)

3 试验结果与分析

3.1 工作性

如图1所示为不同钢渣砂掺量混凝土坍落度曲线。分析图1可知，在其他条件相同的情况下，以等体积替换的方式掺入钢渣砂，随着钢渣砂掺量的不断增大，钢渣混凝土流动性有所降低。本试验所测得的100%钢渣砂掺量的混凝土坍落度比未掺钢渣砂的花岗岩机制砂混凝土坍落度小80 mm，可见，钢渣砂的掺入量对混凝土的流动性影响较大。究其原因主要是钢渣砂与花岗岩机制砂的特性有一定的差别，与花岗岩机制砂相比，钢渣砂表面粗糙，表面孔隙较多，且具有一定的吸水特性，所以湿润钢渣砂的用水量比湿润花岗岩机制砂的用水量大，且由于减水剂溶解在水中，钢渣砂在吸收混凝土自由水的同时，也会吸收一定的减水剂，在相同用水量及减水剂用量的条件下，掺钢渣砂混凝土的流动性比未掺钢渣砂混凝土的低。

图1 不同钢渣砂掺量混凝土坍落度曲线图

3.2 力学性能及耐久性

3.2.1 抗压强度

不同掺量钢渣砂混凝土抗压强度曲线如下页图2所示。分析图2可知，钢渣砂掺量对混凝土抗压强度有一定的影响。随着钢渣砂掺量的增加，钢渣砂混凝土7 d、14 d、21 d、28 d抗压强度呈现先增大后减小的趋势。当钢渣砂掺量为25%时，钢渣砂混凝土抗压强度最佳，相比未掺钢渣砂的机制砂混凝土，7 d和28 d抗压强度增大了1 MPa；当钢渣砂掺量为100%时，相比未掺钢渣砂的机制砂混凝土，7 d和28 d抗压强度分别减小了2.5 MPa、3 MPa。当钢渣砂掺量较小时，钢渣与机制砂混合，形成的混合砂级配更好，在一定程度上可以提高混凝土的密实度，且钢渣砂具有一定的吸水特性，掺加一定的钢渣砂后，钢渣砂可以吸收少量的混凝土的自由水，使钢渣砂混凝土的水灰比增大；但随着钢渣砂掺量的增大，钢渣砂与机制砂混合后的混合料细度模数减小，且钢渣砂表面粗糙、孔隙多、比表面积大，需要更多的水泥浆包裹砂的表面，而钢渣砂的压碎值比花岗岩机制砂低，所以，当钢渣砂掺量较大时，掺钢渣砂混凝土抗压强度降低。

图2 不同掺量钢渣砂混凝土抗压强度曲线图

3.2.2 抗拉强度

不同掺量钢渣砂混凝土抗拉强度曲线如图3所示。分析图3可知，钢渣砂掺量对混凝土抗拉强度影响与抗压强度类似。随着钢渣砂掺量的增加，钢渣砂混凝土7 d、14 d、21 d、28 d抗拉强度呈现先增大后减小的趋势。当钢渣砂掺量为25%时，钢渣砂混凝土抗压强度最佳；当钢渣砂掺量为100%时，相比未掺钢渣砂的机制砂混凝土抗拉强度小。

图3 不同掺量钢渣砂混凝土抗拉强度曲线图

3.2.3 抗冻性

钢渣砂混凝土的抗冻性参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082)[12]中的慢冻法开展试验，并结合强度损失率及质量损失率衡量钢渣砂混凝土的抗冻特性。如图4、图5所示为不同冻融循环条件下的不同掺量钢渣砂混凝土抗压强度损失率及质量损失率曲线。分析图4、图5可知，不同钢渣砂掺量的混凝土抗压强度损失率及质量损失率都随冻融循环次数的增加而增大，但在同一冻融循环次数条件下，不同钢渣砂掺量的混凝土抗压强度损失率及质量损失率变化较小，所以钢渣砂掺量对混凝土的抗冻性影响较小。

图4 不同冻融循环条件下的不同掺量 钢渣砂混凝土抗压强度损失率曲线图

图5 不同冻融循环条件下的不同掺量 钢渣砂混凝土质量损失率曲线图

3.2.4 抗渗性

钢渣砂混凝土的抗渗性参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082)中的电通量法开展试验，以6 h总电通量大小衡量钢渣砂混凝土的渗透性。如图6所示为不同掺量钢渣砂混凝土6 h总电通量试验结果。分析图6可知，钢渣砂掺量对混凝土抗氯离子渗透性有一定的影响，随着钢渣砂掺量的增加，钢渣砂混凝土电通量呈增大趋势，渗透性逐渐降低。当钢渣砂掺量为25%时，掺钢渣砂混凝土的电通量与未掺钢渣砂混凝土电通量接近，所以25%钢渣砂掺量的混凝土抗氯离子渗透性较好。钢渣砂与花岗岩机制砂材料不同，原材料对比研究显示，钢渣砂集料比花岗岩机制砂颗粒棱角多，表面孔隙更丰富，导致了掺钢渣砂的混凝土孔隙连通率相对增加，抗氯离子渗透力降低。

图6 不同掺量钢渣砂混凝土电通量试验结果柱状图

4 结语

混凝土是工程建设领域不可或缺的材料。本文采用花岗岩粗集料、钢渣砂、花岗岩机制砂、水泥、粉煤灰、减水剂为原材料，按不同比例以等体积替换的方式将钢渣砂掺入花岗岩机制砂混凝土中，并对混凝土的工作性、强度及耐久性进行了探讨，得出如下结论：

(1)对加工后的转炉钢渣砂进行物理化学分析显示，钢渣砂化学成分主要为CaO、Fe2O3、SiO2，主要矿相成分为CaCO3、Ca2Fe2O5、Ca2SiO4、Fe2O3以及RO相。钢渣砂表面粗糙，易吸水，质地坚硬，物理力学性能良好。

(2)按不同比例以等体积替换的方式掺入钢渣砂，随着钢渣砂掺量的不断增大，钢渣混凝土流动性有所降低，抗压强度和抗拉强度呈现先增大后减小的变化规律。

(3)等体积掺入钢渣砂后的混凝土随着钢渣砂掺量的增大，混凝土抗氯离子渗透性有所降低。当掺量较小时，降低幅度不明显，当掺量较大时，降低速率增大。抗冻性研究显示，钢渣砂掺量对混凝土抗冻性影响较小。