尚建麗，邢琳琳

（西安建筑科技大學(xué) 材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055）

鋼渣粗骨料混凝土是指采用粒徑大于4.75mm的鋼渣替代天然骨料配制而成的混凝土.在鋼渣粗骨料滿足穩(wěn)定性的前提條件下，用其替代占混凝土達(dá)80%（體積分?jǐn)?shù)）的天然骨料，不僅對(duì)工業(yè)廢渣回收再利用有著重要意義，而且還可解決天然骨料面臨日漸枯竭的問題，為混凝土的可持續(xù)發(fā)展起著積極的推進(jìn)作用.

關(guān)于鋼渣作為骨料配制混凝土的研究已有一些報(bào)道[1－3]，但對(duì)鋼渣粗骨料界面過渡區(qū)的研究報(bào)道并不多見.本文以混凝土鋼渣粗骨料界面過渡區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合微觀測(cè)試手段，通過對(duì)天然骨料－水泥石界面及鋼渣骨料－水泥石界面的對(duì)比，為進(jìn)一步研究鋼渣混凝土提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)原材料及方案

1.1 原材料

水泥：陜西秦嶺牌P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表1；細(xì)骨料：涇陽產(chǎn)天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.71，中砂；天然骨料：碎石5～25mm連續(xù)級(jí)配，壓碎值1）本文涉及的壓碎值、水灰比等除特別說明外，均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為8.1%；鋼渣骨料：所用鋼渣經(jīng)壓蒸粉化率測(cè)試和混凝土試塊開裂驗(yàn)證符合穩(wěn)定性要求，5～20mm連續(xù)級(jí)配，壓碎值為12.1%，通過X射線熒光光譜分析（XRF）測(cè)得鋼渣粗骨料的化學(xué)組成見表2；減水劑：西安聚能特種工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑，減水率為18.3%.

表1 水泥的主要物理性能Table1 Main physical properties of cement

表2 鋼渣的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition（by mass）of steel slag%

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試件制備

以混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30為目標(biāo)，試件配合比m（水泥）∶m（砂）∶m（石）＝312∶672∶1 139，水灰比為0.52，減水劑摻量為1%.分別配制普通混凝土（A組）和鋼渣粗骨料混凝土（B組），其中鋼渣粗骨料混凝土中鋼渣以100%替代天然骨料.對(duì)A，B兩組混凝土試拌，進(jìn)行和易性檢測(cè)，坍落度達(dá)到50～90mm，分別將其裝入100mm×100mm×100mm試模成型，然后按28，60，90d齡期進(jìn)行標(biāo)養(yǎng).

抗壓強(qiáng)度用于表征混凝土的宏觀性能.按照GB／T 50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定，測(cè)定A，B兩組各齡期的抗壓強(qiáng)度.

1.2.3 顯微硬度測(cè)試

用切割機(jī)將兩組試件沿成型方向，在其中心切出厚度約為15mm的片狀試樣，其切面上應(yīng)包含骨料與水泥石的界面，經(jīng)粗磨、細(xì)磨后，在拋光機(jī)上拋光制成薄片.采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的HXD－1000顯微硬度儀（圖1）測(cè)定混凝土界面的顯微硬度.以骨料與水泥石的界面為基準(zhǔn)作1條法線，取法線與界面的交接點(diǎn)為測(cè)試顯微硬度的起始點(diǎn)，從骨料開始每隔10μm測(cè)其顯微硬度.

圖1 顯微硬度儀Fig.1 Micro－h(huán)ardness tester

1.2.4 SEM 測(cè)試

分別取包含骨料－水泥石界面的新鮮斷面，并制成約為1cm3的試樣，采用美國FEI公司生產(chǎn)的Quant 200型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)噴金處理后的試樣進(jìn)行骨料與水泥漿體界面的形貌觀察.

1.2.5 能譜分析

Quant 200型掃描電子顯微鏡自帶有X射線能譜儀（EDXA），用EDXA對(duì)骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)進(jìn)行微區(qū)元素分析，從骨料表面開始，沿水泥石基體方向進(jìn)行線掃描，獲得鈣硅質(zhì)量比（m（CaO）／m（SiO2））變化規(guī)律.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度

經(jīng)實(shí)測(cè)，A，B兩組混凝土的抗壓強(qiáng)度見表3.

如 100 JD 36×6中，100為適用于最小井徑100 mm，JD為深井多級(jí)泵，36 為流量（m3/h），6 為葉輪級(jí)數(shù)；

表3 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度Table3 Compressive strength of different ages concrete MPa

由表3可見，鋼渣骨料混凝土各個(gè)齡期強(qiáng)度均高于普通混凝土.通過分析可知，雖然鋼渣粗骨料自身強(qiáng)度低于碎石骨料強(qiáng)度（壓碎指標(biāo)差別），但是由于鋼渣表面粗糙，孔隙較多，實(shí)際水灰比有所降低，使得形成的界面黏結(jié)力較高.當(dāng)受到外力作用時(shí)，鋼渣粗骨料與水泥水化產(chǎn)物界面應(yīng)力梯度降低，從而提高了混凝土整體強(qiáng)度.

2.2 界面過渡區(qū)特征

A，B兩組試樣界面過渡區(qū)的顯微硬度多組平行點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知，在骨料部分，普通碎石各點(diǎn)顯微硬度值均較大于鋼渣骨料；A，B兩組試樣在緊靠界面處的硬度值均較高，但隨著距離的增加，硬度值隨之減小.A組試樣在距界面50μm處出現(xiàn)硬度低谷，其平均值約為22.59MPa，隨后其顯微硬度處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明此時(shí)已進(jìn)入水泥漿體部分；B組試樣在距界面40μm處呈現(xiàn)拐點(diǎn)，其顯微硬度平均值約為28.22MPa，之后處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖2 A，B試樣界面過渡區(qū)顯微硬度Fig.2 Micro－h(huán)ardness of ITZ for A，B samples

另外由圖2還可看出，鋼渣骨料－水泥石的界面過渡區(qū)的顯微硬度均高于碎石－水泥石過渡區(qū)，這表明鋼渣骨料與水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度大于碎石與水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度.分析可知，由于鋼渣中含有與硅酸鹽水泥熟料相似的礦物C2S，C3S，它們部分溶解后與水泥一同滲入孔隙內(nèi)，改善了骨料與水泥石的界面結(jié)構(gòu).同時(shí)鋼渣是多孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙摩擦力大，能較好地與水泥水化產(chǎn)物相結(jié)合，使水化產(chǎn)物能夠充分均勻地包裹鋼渣.

2.3 界面微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)28d碎石骨料和鋼渣骨料混凝土中骨料－水泥石界面區(qū)微觀形貌進(jìn)行觀察，其SEM照片如圖3所示.

圖3 A，B試樣界面過渡區(qū)SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photos in ITZ of A，B samples

為了更好地觀察試樣ITZ水化產(chǎn)物的形貌，分別將A，B兩組試樣的ITZ放大10 000倍，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察各自形貌特征，如圖4所示.

圖4 A，B試樣ITZ水化產(chǎn)物的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of hydration in ITZ of A，B samples（10 000×）

由圖4可以看出，A組界面過渡區(qū)水化產(chǎn)物較為疏松，上面附著少量未水化的水泥顆粒，且出現(xiàn)了少量孔洞；而B組試樣界面過渡區(qū)水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較密實(shí)，這表明鋼渣骨料與水泥石有較好的黏結(jié)能力.

2.4 EDXA檢測(cè)

用射線能譜分析儀（EDXA）分別對(duì)90d齡期A，B兩組試樣進(jìn)行半定量分析，以10μm作為掃描基準(zhǔn)，從骨料表面開始，沿著水泥石基體方向進(jìn)行線掃描.以骨料至水泥石方向上Si元素的突然變化點(diǎn)作為界面過渡區(qū)的起點(diǎn)[4]，分析鈣硅質(zhì)量比（m（CaO）／m（SiO2））變動(dòng)值，將 m（CaO）／m（SiO2）值從不穩(wěn)定至穩(wěn)定所經(jīng)歷的區(qū)間長度作為推斷界面寬度的依據(jù)，結(jié)果見表4.

表4 界面過渡區(qū)化學(xué)組成Table4 Chemical composition（by mass）of interfacial transition zone %

根據(jù)掃描結(jié)果可以計(jì)算出A，B兩組試樣在界面區(qū)的m（CaO）／m（SiO2），所得結(jié)果如圖5所示.

圖5 界面過渡區(qū)的m（CaO）／m（SiO2）值Fig.5 m（CaO）／m（SiO2）in interfacial transition zone

從m（CaO）／m（SiO2）變化中可以看出，A 組m（CaO）／m（SiO2）均大于B組試樣，表明天然骨料－水泥石界面區(qū)有較多CH存在.A組試樣m（CaO）／m（SiO2）值在距界面50μm之后逐漸下降，后趨于穩(wěn)定，由此可推斷，天然骨料－水泥石界面過渡區(qū)約為50μm；B組試樣 m（CaO）／m（SiO2）值在距界面40μm后趨于穩(wěn)定，說明鋼渣骨料－水泥石界面過渡區(qū)約為40μm，這與顯微硬度測(cè)試結(jié)果基本吻合.

3 結(jié)論

（1）以鋼渣100%替代碎石粗骨料配制的C30混凝土，其28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到55.6MPa，是普通碎石混凝土的1.1倍.在保證鋼渣骨料具有良好穩(wěn)定性的條件下，最大限度利用鋼渣骨料替代天然骨料是一條可行的技術(shù)途徑.

（2）鋼渣粗骨料混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度大于普通混凝土界面過渡區(qū)，這是由于鋼渣骨料表面粗糙，使其與水泥水化物結(jié)合力提高所致.

（3）鋼渣粗骨料混凝土界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)較密實(shí)，孔隙較少；普通骨料混凝土界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)較疏松且有少量孔洞.

（4）在鋼渣骨料－水泥石界面過渡區(qū)范圍內(nèi)，m（CaO）／m（SiO2）在距界面40μm 處趨于穩(wěn)定.測(cè)試表明，該界面過渡區(qū)寬度小于普通混凝土界面過渡區(qū)寬度（50μm）.

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