袁晶晶，康洪震

(唐山學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

0 引言

我國(guó)作為鋼鐵產(chǎn)量大國(guó)，近年來(lái)排放的廢渣越來(lái)越多，但由于鋼渣成分波動(dòng)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(dǎo)致鋼渣穩(wěn)定性較差，加之我國(guó)對(duì)鋼渣的開(kāi)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(xué)者發(fā)現(xiàn)，鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐磨性都優(yōu)于普通混凝土[3]。姜從盛[4]等學(xué)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(duì)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(yīng)用存在著巨大潛力。

隨著我國(guó)城市化進(jìn)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(lái)越匱乏，機(jī)制砂的應(yīng)用勢(shì)在必行。而機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粒徑小于75 μm的石粉，國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究表明，石粉可以改善混凝土的顆粒級(jí)配，能夠填充孔隙并且促進(jìn)水化反應(yīng)，但如果含量過(guò)多也會(huì)對(duì)混凝土造成損傷[5]。如果這些廢料能夠廣泛應(yīng)用在混凝土中，既能減輕環(huán)境污染又能降低生產(chǎn)機(jī)制砂的成本。

目前很多學(xué)者對(duì)鋼渣粉及機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土及膠體材料性能影響的研究較多，理論分析及試驗(yàn)方法相對(duì)成熟。但對(duì)鋼渣作為粗骨料的應(yīng)用研究較少。該項(xiàng)研究以一定摻量鋼渣及石粉的混凝土為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)研究其力學(xué)性能，為鋼渣及石粉的回收利用提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：冀東水泥P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

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(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 鋼渣化學(xué)成分/%

石粉：產(chǎn)自山東濟(jì)南某廠家，比表面積為340 m2/kg，細(xì)度(45 μm篩)7.8%，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 石粉化學(xué)成分/%

粗集料：5～25 mm連續(xù)粒徑級(jí)碎石。

細(xì)集料：細(xì)度模數(shù)為2.5～2.8的中砂。

1.2 配合比

混凝土配合比設(shè)計(jì)需要滿足和易性和強(qiáng)度要求。邢琳琳等[6]學(xué)者在研究以鋼渣作為粗集料應(yīng)用于混凝土中時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于抗壓強(qiáng)度，以50%左右的摻量為最佳。張如林[7]學(xué)者在研究機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響中得出石粉含量在10%左右時(shí)，混凝土的工作性能及力學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。范德科[8]等對(duì)石粉改善混凝土的和易性及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石粉含量在9%～12%時(shí)保水性和粘聚性較好，隨著石粉含量的增加，混凝土的強(qiáng)度有所下降。紀(jì)海花[9]學(xué)者試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著石粉摻量從0%增大至20%時(shí)，自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度隨著石粉摻量的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)石粉摻量為10%時(shí)，對(duì)自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大。故試驗(yàn)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(jìn)行混凝土的拌合，按C30混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其基本配合比為：水膠比0.49，mc：ms：mG=1：1.467：2.785。

1.3 試驗(yàn)方法

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組試件為3個(gè)，按照標(biāo)準(zhǔn)方法養(yǎng)護(hù)并分別測(cè)定3 d、7 d、28 d天齡期的抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

2.1 單摻鋼渣對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

單摻鋼渣替代粗集料的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表4和圖1。

表4 單摻鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度

圖1 單摻鋼渣摻量對(duì)抗壓強(qiáng)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(qiáng)度不斷增加，其強(qiáng)度值均高于空白組。查坤鵬[10]學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)C30的鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯高于普通混凝土，鋼渣的摻入會(huì)改變混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了集料與漿體的界面過(guò)渡區(qū)。3 ～7 d齡期時(shí)，單摻鋼渣的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)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(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，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(dǎo)致早期強(qiáng)度增長(zhǎng)放緩。7 ～28 d齡期時(shí)，鋼渣摻量為45%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，其強(qiáng)度增長(zhǎng)率為最快，此階段水化反應(yīng)基本完成，混凝土密實(shí)度較好，鋼渣與膠體材料粘結(jié)強(qiáng)度較高，鋼渣抗壓性能較好，對(duì)混凝土貢獻(xiàn)較大。但隨著鋼渣摻量提高，當(dāng)達(dá)到60%時(shí)，鋼渣的吸水量繼續(xù)增加，但在等量替代粗集料時(shí)，由于鋼渣密度比碎石大，粗集料的減少導(dǎo)致材料的強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度低于45%摻量時(shí)的強(qiáng)度。

2.2 單摻石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

單摻石粉替代水泥的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表5和圖2。

表5 單摻石粉抗壓強(qiáng)度

圖2 單摻石粉摻量對(duì)抗壓強(qiáng)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(qiáng)度不斷降低。分析其主要原因?yàn)槭蹫槎栊圆牧?，不參與水化反應(yīng)，僅起到物理填充效應(yīng)，石粉可填充水泥顆粒間縫隙，使自由水量增大，導(dǎo)致膠體材料的保水性變差，使其抗壓強(qiáng)度降低。在石粉摻量為10%以內(nèi)時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度略低于空白組。當(dāng)摻量為15%時(shí)，其強(qiáng)度值下降較多。在石粉摻量為5%、10%和15%時(shí)，3～7 d齡期的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)值基本與空白組相當(dāng)。因此，在一定石粉摻量下，對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)影響不大。

2.3 復(fù)摻鋼渣及石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

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

表6 復(fù)摻鋼渣和石粉抗壓強(qiáng)度

圖3 復(fù)摻鋼渣和石粉摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響(鋼渣摻量為30%)

圖4 復(fù)摻鋼渣和石粉摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響(鋼渣摻量為45%)

圖5 復(fù)摻鋼渣和石粉摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響(鋼渣摻量為60%)

如表6所示，復(fù)摻鋼渣和石粉的混凝土3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度，隨著石粉摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。由圖3和圖4可知，當(dāng)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(shí)，混凝土齡期為3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度與單摻鋼渣時(shí)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(shí)以及鋼渣摻量為60%，石粉摻量為5%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度與空白組基本持平。由此可見(jiàn)，在石粉低摻量情況下，對(duì)混凝土單摻鋼渣時(shí)的抗壓強(qiáng)度影響不大。分析其原因，石粉與水泥的填充效應(yīng)使膠體材料的密實(shí)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(duì)濕度，起到了促進(jìn)水泥水化的作用，同時(shí)強(qiáng)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(qiáng)度增強(qiáng)，所以混凝土的抗壓強(qiáng)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(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度比空白組低。由此可見(jiàn)，當(dāng)石粉摻量較多時(shí)，摻入鋼渣的混凝土的抗壓強(qiáng)度提高的有利影響不能抵消石粉帶來(lái)的不利影響。

由表6可知，當(dāng)鋼渣摻量為30%，復(fù)摻石粉為10%時(shí)，3～7 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)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(qiáng)度的主要來(lái)源。其二，在復(fù)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度，其中以摻量為45%時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高。

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

(3)復(fù)摻鋼渣石粉時(shí)，隨著石粉摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)鋼渣摻量為45%，石粉摻量為5%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最佳；當(dāng)鋼渣摻量為30%，石粉摻量為10%時(shí)，混凝土齡期3～7 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最快。