李曉峰 杜云寶 張曉波

(1.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.太原高盛混凝土有限責(zé)任公司，山西 清徐 030400； 3.山西華建建筑工程檢測(cè)有限公司，山西 太原 030031)

0 引言

鋼渣是鋼鐵企業(yè)用石灰石礦物提取鐵礦石中雜質(zhì)而大量形成的廢渣，煉鋼的原理是通過(guò)石灰石、炭等與金屬氧化物在1 500 ℃～1 700 ℃的高溫中反應(yīng)，還原出各類(lèi)鐵碳合金，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程概括為脫碳、脫硫、脫磷和脫氧。目前我國(guó)煉鋼的工藝有氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐法(BOF)和電弧法(EAF)兩種，其中以轉(zhuǎn)爐法為主，2017年我國(guó)轉(zhuǎn)爐排渣量約為8 000萬(wàn) t，綜合利用率9%，大量的鋼渣堆積占用了耕地，鋼渣中的重金屬離子，堿金屬離子和粉塵等會(huì)向水和空氣中釋放，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染?；炷聊壳笆俏覈?guó)最大宗的建材產(chǎn)品，2017年我國(guó)混凝土總量約24億m3，混凝土對(duì)骨料的需求量近達(dá)到29億m3，而砂石等天然骨料隨著國(guó)家環(huán)保及禁止亂開(kāi)亂挖政策的嚴(yán)格要求，市場(chǎng)價(jià)格漲幅約200%，每立方米平均價(jià)格達(dá)到130元左右，如能合理利用鋼渣骨料代替部分天然骨料，混凝土單方成本能降低43元左右，再解決固廢的同時(shí)，極大地降低混凝土成本，一舉兩得。

相關(guān)研究表明，鋼渣的物理力學(xué)性能與天然碎石接近，是一種潛在建筑材料，其含有硅酸二鈣、硅酸三鈣等礦物，具有一定的水硬活性，因其煅燒溫度較高，俗稱(chēng)——“過(guò)燒硅酸鹽熟料”，這些優(yōu)點(diǎn)為鋼渣在混凝土工程中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但是與天然骨料相比，鋼渣中含有一定量的游離氧化鈣與游離氧化鎂(方鎂石)，這些成分遇水或混凝土水化用水后會(huì)發(fā)生體積膨脹的化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂破壞，因此鋼渣的安定性能成為其能否大面積作為混凝土骨料應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本文主要把鋼渣骨料的體積穩(wěn)定性作為首要研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定鋼渣骨料混凝土的物理性能及耐久性結(jié)果，尋求有效可行的使用之路。

1 材料與方法

1.1 原材料

1)鋼渣：采用美錦鋼廠自然處理鋼渣，沖擊破碎、篩分后備用，粗骨料粒徑5 mm～25 mm，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)2.8，堆積密度1 830 kg/m3，為保證本次研究鋼渣骨料的適用性，選用低堿度(CaO/(SiO2+P2O5)的橄欖石渣、鎂硅鈣石渣，其水化活度低。因鋼渣在自然環(huán)境中與外界空氣、水、陽(yáng)光接觸后發(fā)生陳化反應(yīng)，逐漸趨于穩(wěn)定，選取四種不同陳化時(shí)間的鋼渣作為研究材料，其物理性能如表1所示，化學(xué)組成如表2所示。

2)水泥：采用山西雙良鼎新水泥有限公司P.O42.5級(jí)水泥，其性能見(jiàn)表3，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3)粉煤灰：太原二電廠濕排2級(jí)粉煤灰；表觀密度1.96 g/cm3。

4)礦粉：太鋼礦粉，S95級(jí)，比表面積430 cm2/kg。

5)外加劑：山西黃河新型化工有限公司產(chǎn)聚羧酸泵送劑，液態(tài)，摻量2.0%。

6)拌合用水：潔凈飲用水。

7)天然骨料：太原鎮(zhèn)城碎石5 mm～25 mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2.66 kg/m3，石灰石機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)2.8，堆積密度1 530 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)方法

1)鋼渣化學(xué)分析。按照YB/T 140—2009鋼渣化學(xué)分析方法進(jìn)行f-CaO，f-MgO含量分析，壓碎指標(biāo)按照J(rèn)GJ 52—2006普通混凝凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定四個(gè)不同陳化齡期的鋼渣中f-CaO，f-MgO含量及壓碎指標(biāo)。

2)壓蒸粉化率試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 24175—2009鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將三種不同陳化齡期的鋼渣各取粒徑在4.75 mm～9.5 mm之間的鋼渣顆粒800 g，分別制成3個(gè)渣樣，烘干后，稱(chēng)取質(zhì)量m0，置于壓蒸釜中，在壓力為2.0 MPa，溫度為216 ℃的條件下壓蒸3 h，取出烘干過(guò)1.18 mm篩，稱(chēng)量篩下鋼渣質(zhì)量m1，壓蒸粉化率求算公式為：

f=(m1/m0)×100%。

取三個(gè)試樣的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，精確至0.1%。

3)浸水膨脹率試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 24175—2009鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，按照該規(guī)范要求制作最大干密度試樣3個(gè)，放入浸水膨脹率試驗(yàn)裝置，水浴加熱，溫度90 ℃±3 ℃下保持6 h，如此持續(xù)循環(huán)10 d，浸水膨脹率γ求算公式為：

γ=[(d10-d0)/120]×100。

其中，γ為浸水膨脹率，%；120為試件原始高度，mm；百分表的終讀數(shù)，%。

取三個(gè)試樣的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，精確至0.1%。

4)鋼渣骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)。按照J(rèn)GJ 55—2011混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，摻加20%一年陳化期的美錦鋼渣骨料，以C30，C40，C50混凝土為研究對(duì)象，混凝土坍落度控制在180 mm±30 mm，具體配合比見(jiàn)表1。

5)鋼渣骨料混凝土物理性能及耐久性。按照GB/T 50081—2016普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)及JGJ/T 193—2009混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

6)鋼渣骨料混凝土有害性判定。依據(jù)GB/T 50344—2004建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中附錄B進(jìn)行，如出現(xiàn)以下3個(gè)情況，即判定有害，不合格:

a.有2個(gè)或2個(gè)以上沸煮試件出現(xiàn)開(kāi)裂、疏松和崩潰的現(xiàn)象；

b.芯樣試件抗壓強(qiáng)度變化率大于30%；

c.僅有一個(gè)薄片試件出現(xiàn)開(kāi)裂、疏松和崩潰現(xiàn)象，并有一個(gè)芯樣抗壓強(qiáng)度變化率大于30%。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)表 kg

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣中游離氧化鈣及氧化鎂含量及其規(guī)律的研究

鋼渣中游離氧化鈣與氧化鎂與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)工程式見(jiàn)表2，同時(shí)帶來(lái)體積的極大膨脹，對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以對(duì)鋼渣中游離氧化鈣和游離氧化鎂的控制是必要的，通過(guò)對(duì)三種不同陳化齡期的鋼渣中游離氧化鈣和氧化鎂的化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出在自然狀態(tài)下，熱潑鋼渣中游離氧化鈣及游離氧化鎂與空氣中的水分緩慢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一年后鋼渣中游離氧化鎂消解量約為50%以上，游離氧化鎂消解量約為20%，氧化鎂的消解速度較慢，這與游離氧化鎂晶相較大，在水化中形成Mg(OH)2薄膜減弱下一步水化。

表2 f-CaO，f-MgO反應(yīng)工程式

表3 不同陳化時(shí)間鋼渣f-CaO，f-MgO含量表

2.2 鋼渣陳化齡期對(duì)鋼渣壓蒸粉化率及浸水膨脹率的影響

鋼渣陳化齡期對(duì)鋼渣壓蒸粉化率及浸水膨脹率也是對(duì)鋼渣安定性的表征方法，三種不同陳化齡期的鋼渣的壓蒸粉化率及浸水膨脹系數(shù)見(jiàn)表4，由表4可見(jiàn)，隨著鋼渣陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣壓蒸粉化率及浸水膨脹率在逐漸降低，一年陳化期美錦鋼廠鋼渣壓蒸粉化率為3.1%，浸水膨脹率為1.5%，均滿足規(guī)范要求。

表4 鋼渣壓蒸粉化率及浸水膨脹率表

2.3 鋼渣骨料對(duì)鋼渣骨料混凝土力學(xué)性能的影響

鋼渣骨料在混凝土內(nèi)部膨脹時(shí)會(huì)產(chǎn)生微裂縫，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，游離氧化鈣及游離氧化鎂含量在合理范圍內(nèi)的鋼渣骨料混凝土，因鋼渣骨料具有微膨脹性且外型不規(guī)則易咬合好、含泥量低，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的提高是有利的。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 鋼渣骨料混凝土力學(xué)性能及耐久性試驗(yàn)表

2.4 鋼渣骨料混凝土耐久性的研究

通過(guò)對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼渣骨料混凝土抗?jié)B性及抗凍性的試驗(yàn)結(jié)果(如表5所示)可以看出，3組試件表現(xiàn)出的抗?jié)B性與抗凍性發(fā)展規(guī)律類(lèi)似，這是由于鋼渣本身的微膨脹性、外觀易咬合性，同時(shí)鋼渣表面中的硅酸二鈣、硅酸三鈣也參與了混凝土水化反應(yīng)，增加了混凝土的致密性，從而提高了混凝土的耐久性。

2.5 鋼渣摻量的變化對(duì)鋼渣骨料混凝土性能的影響

從表6中不同摻量鋼渣骨料的鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度及壓蒸安定性來(lái)看，鋼渣粗骨料摻量15%，鋼渣細(xì)骨料摻量30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度提高較多，鋼渣細(xì)骨料產(chǎn)量達(dá)到50%時(shí)，混凝土壓蒸安定性出現(xiàn)了掉砂、膨脹率過(guò)大的質(zhì)量問(wèn)題，這與鋼渣骨料中游離氧化鈣和游離氧化鎂含量較高的白色顆粒物普遍存在有關(guān)，所以鋼渣骨料完全替代天然骨料來(lái)配制混凝土難度較大，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)也較高。

表6 不同摻量鋼渣骨料的鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度及壓蒸安定性試驗(yàn)結(jié)果表

3 結(jié)語(yǔ)

1)隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，美錦自然冷卻鋼渣內(nèi)部的游離氧化鈣及游離氧化鎂含量逐漸減少，游離氧化鈣消解速度大于氧化鎂，一年期鋼渣中游離氧化鈣含量一般均小于3.0%，如果是中堿度或高堿度鋼渣需要高度關(guān)注內(nèi)部的游離氧化鈣及游離氧化鎂含量。

2)鋼渣代替部分天然骨料配制混凝土需要將鋼渣陳化處理，用壓蒸粉化率和浸水膨脹性來(lái)表征鋼渣體積安定性是有效的。

3)體積安定性好的鋼渣骨料因其具有微膨脹性且外型不規(guī)則易咬合好及水泥石水化界面緊密，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及耐久性是有利的。

4)合適的鋼渣骨料摻量能提高混凝土的致密性，過(guò)量的摻加鋼渣骨料一定程度上會(huì)導(dǎo)致混凝土破壞，是有害的，使用前應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)增加檢驗(yàn)批次。

5)把鋼渣作為混凝土骨料使用在我國(guó)尚屬于起步階段，許多科學(xué)數(shù)據(jù)需要眾多行業(yè)專(zhuān)家共同研究實(shí)踐來(lái)完成，未來(lái)鋼渣作為混凝土骨料的應(yīng)用一點(diǎn)會(huì)很成熟、很廣泛。