李金麗

(廣州市盛通建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司,廣東 廣州 510075)

0 引言

1 試驗

1.1 試驗原材料

本研究使用級配良好的石灰石粗骨料,堆積密度為1 630 kg/m3,最小粒徑5 mm,最大粒徑25 mm,比重為2.78,細度模數(shù)為6.1。細骨料使用天然河砂,堆積密度為1 645 kg/m3,比重為2.66,細度模數(shù)為2.6。細集料和鋼渣的累積篩余量結(jié)果如表1所示。細鋼渣的比重為3.19,高于砂的比重,因此鋼渣部分或全部取代砂會增加混凝土的密度。細鋼渣的化學(xué)分析如表2所示,可以看出,本文選取的鋼渣細集料CaO含量很低,火山灰活性較弱。

表1 細集料累積篩余量 %

表2 鋼渣細集料的化學(xué)成分 %

1.2 配合比設(shè)計和試件制備

為了研究低CaO鋼渣用作細骨料制備鋼渣混凝土的效果,以JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》為依據(jù),對所有鋼渣混凝土混合物進行了制備和調(diào)整,以獲得中等和易性,使坍落度保持在8～12 cm的水平,以防止離析并便于澆筑。試驗共設(shè)計了三種混凝土強度:25 MPa、35 MPa和45 MPa,設(shè)計了三種鋼渣取代率:15%、25%和35%,具體各摻合料摻量和水灰比如表3所示。設(shè)置了未摻鋼渣的普通混凝土為試驗對照組。

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019),對所有鋼渣混凝土拌合物進行坍落度試驗,測試所有混合物的和易性,測量所有新拌混凝土的密度。按照GB/T 50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》,制備100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,測試鋼渣混凝土在3 d、7 d、28 d和90 d的抗壓強度,研究齡期和鋼渣摻量對鋼渣混凝土抗壓強度的影響。

表3 鋼渣細集料混凝土試件配合比

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 鋼渣摻量對混凝土坍落度的影響

為了探討鋼渣細集料的摻入對混凝土拌合物和易性的影響,在各組混凝土拌和過程中測量混凝土混合料的坍落度。圖1顯示了混凝土坍落度與鋼渣摻量之間的關(guān)系。未摻鋼渣的普通混凝土坍落度平均值為12.4 cm,隨著鋼渣摻量從0%增加至15%、25%和35%,鋼渣混凝土的坍落度持續(xù)下降,分別減小了10.4%、20.25和27.3%,可以看出,隨著鋼渣用量的增加降低了混凝土的和易性。分析其原因,部分天然河砂被粒度更細、更吸水的材料所取代,導(dǎo)致鋼渣混凝土坍落度的降低。鋼渣摻量越高,混凝土的坍落度越低。另一方面,與普通砂粒相比,鋼渣具有更多的棱角,形狀不規(guī)則。因此,使用鋼渣作為細骨料會對混凝土的和易性產(chǎn)生負面影響,特別是當取代率超過15%時,在大摻量鋼渣混凝土制備時,建議摻加外加劑以改善混凝土的和易性。分析其原因,鋼渣中二氧化硅含量低,氧化鐵含量高。因此,與?；郀t礦渣相比,幾乎沒有火山灰活性,鋼渣的主要用途是作為骨料替代,鋼渣聚集體具有角狀結(jié)構(gòu),鋼渣之間更緊密的互鎖增加了混凝土拌合物流動時的阻力[8]。

圖1 鋼渣混凝土的坍落度 圖2 鋼渣混凝土的密度

2.2 鋼渣摻量對混凝土密度的影響

圖2顯示了鋼渣取代率與新拌混凝土密度增加量之間的關(guān)系。如預(yù)期一樣,因比重較重的鋼渣部分取代了比重較小的河砂,鋼渣在混凝土中的使用增加了混凝土的密度,且鋼渣摻量越多,混凝土的密度越大,鋼渣混凝土較未摻鋼渣的普通混凝土的密度增加量越大。隨著鋼渣摻量從15%增加至25%和35%,鋼渣混凝土較普通混凝土的密度分別增加了28.7 kg/m3、40.2 kg/m3和54.3 kg/m3,相對來說,鋼渣混凝土的密度的增加量很小,均小于10%,可將鋼渣混凝土仍視為正常密度混凝土。因為鋼渣成分中鐵含量高,鋼渣的密度值一般高于天然骨料,含有鋼渣的混凝土混合物的比重高于含有碎石灰石骨料的混凝土混合物,可用于生產(chǎn)重混凝土。

2.3 齡期對鋼渣混凝土抗壓強度的影響

下圖3為各組試件的抗壓強度和混凝土齡期之間的關(guān)系。從圖3中可以看出,各組混凝土的抗壓強度均隨齡期增加而增加。當鋼渣取代率為25%時,設(shè)計強度為25 MPa的鋼渣混凝土,3 d抗壓強度為17.2 MPa,隨著齡期增長為7 d、28 d和90 d,鋼渣混凝土的抗壓強度較3 d齡期時分別增加了41.2%、82.4%和97.1%,其中28 d抗壓強度為31.2 MPa。當鋼渣取代率為25%時,設(shè)計強度為35 MPa的鋼渣混凝土,3 d抗壓強度為25.1 MPa,隨著齡期增長為7 d、28 d和90 d,鋼渣混凝土的抗壓強度較3 d齡期時分別增加了41.0%、56.2%和73.7%,其中28d抗壓強度為39.2 MPa。當鋼渣取代率為25%時,設(shè)計強度為45 MPa的鋼渣混凝土,3 d抗壓強度為32.5 MPa,隨著齡期增長為7 d、28 d和90 d,鋼渣混凝土的抗壓強度較3 d齡期時分別增加了35.4%、46.2%和61.5%,其中28 d抗壓強度為47.5 MPa。

當鋼渣取代率為35%時,設(shè)計強度為25 MPa的鋼渣混凝土,3 d抗壓強度為18.4 MPa,隨著齡期增長為7 d、28 d和90 d,鋼渣混凝土的抗壓強度較3 d齡期時增加了38.5%～73.9%。當鋼渣取代率為35%時,設(shè)計強度為35 MPa的鋼渣混凝土,3 d抗壓強度為25.8 MPa,隨著齡期增長為7 d、28 d和90 d,鋼渣混凝土的抗壓強度較3 d齡期時分別增加了35.7%～62.0%。當鋼渣取代率為35%時,設(shè)計強度為45 MPa的鋼渣混凝土,3 d抗壓強度為28.2 MPa,隨著齡期增長為7 d、28 d和90 d,鋼渣混凝土的抗壓強度較3 d齡期時分別增加了34.8%～59.6%。

圖3 鋼渣混凝土抗壓強度與齡期的關(guān)系

將鋼渣混凝土與未摻鋼渣的普通混凝土對比,可以發(fā)現(xiàn)含鋼渣的混凝土在早期表現(xiàn)出較高的抗壓強度。設(shè)計強度為25 MPa的鋼渣混凝土在7 d抗壓強度較未摻鋼渣的混凝土高出33.3%～44.4%,設(shè)計強度為35 MPa的鋼渣混凝土在7 d抗壓強度較未摻鋼渣的混凝土高出34.6%～44.2%,但在設(shè)計強度為45 MPa的鋼渣混凝土的7 d抗壓強度較未摻鋼渣的混凝土較為接近,在鋼渣摻量為15%和25%時,鋼渣混凝土較普通混凝土的7 d抗壓強度高出4.2%～5.5%,在鋼渣摻量為35%時,反而較普通混凝土的7 d抗壓強度低1.3%。

由圖3(c)可以看到,在設(shè)計強度為45 MPa時,礦渣取代率為35%時,在3 d、7 d、28 d和90 d的抗壓強度均低于正?；炷粱旌衔?分別減少了7.6%、1.3%、6.7%和10.0%,相對來說,鋼渣取代率較低時,鋼渣混凝土在7 d、28 d和90 d的抗壓強度越高。

2.4 鋼渣摻量對鋼渣混凝土抗壓強度的影響

下圖4為鋼渣混凝土抗壓強度與鋼渣摻量的關(guān)系,圖4(a)和圖4(b)分別為7 d和28 d齡期。由圖(a)可以看出,設(shè)計強度為25 MPa和35 MPa時,均在15%鋼渣取代率時有最高的抗壓強度,分別較普通混凝土高44.4%和44.25%,但在設(shè)計強度為45 MPa時,在25%鋼渣取代率時有最高的抗壓強度,7 d抗壓強度最高達到44.2 MPa。由圖(b)可以看出,鋼渣混凝土28 d抗壓強度與鋼渣摻量的關(guān)系呈現(xiàn)類似的結(jié)果。設(shè)計強度為25 MPa時,在15%鋼渣取代率時有最高的抗壓強度,較普通混凝土高26.9%,在設(shè)計強度為35 MPa和45 MPa時,在25%鋼渣取代率時有最高的抗壓強度,分別較普通混凝土高13.6%和5.6%。在35%大鋼渣摻量情況下,鋼渣混凝土的抗壓強度均有一定程度的下降,在設(shè)計強度為45 MPa時,7 d和28 d抗壓強度均低于未摻鋼渣的普通混凝土。

圖4 鋼渣混凝土抗壓強度與鋼渣摻量的關(guān)系

分析其原因,鋼渣比河砂具有更高的抗壓強度,同時,由于礦渣棱角較多,其表面結(jié)構(gòu)比河砂更粗糙,過渡區(qū)更強,混凝土拌合物與鋼渣之間的粘附力增加,由于鋼渣的填料效應(yīng)和粘結(jié)性,從而增加了抗壓強度[9]。當鋼渣取代細骨料超過一定量時,由于礦渣的角狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的可加工性降低,反而會使抗壓強度降低。

3 結(jié)語

本文研究了鋼渣對混凝土性能的影響,以揭示鋼渣取代率與混凝土性能變化的關(guān)系,對各組鋼渣混凝土的性能進行了比較,可得到以下結(jié)論:

(1)隨著鋼渣摻量增加,鋼渣混凝土的坍落度持續(xù)下降,較未摻鋼渣的普通混凝土可減小10.4%～27.3%,降低了混凝土的和易性。

(2)鋼渣摻量從15%增加至25%和35%,鋼渣混凝土較普通混凝土的密度增加了28.7～54.3 kg/m3。

(3)鋼渣部分取代砂可使混凝土的抗壓強度有一定程度的提高,較未摻鋼渣的普通混凝土28d抗壓強度提高5.6%～26.9%。鋼渣取代率為15%、25%時,對混凝土抗壓強度提升效果較佳,且混凝土設(shè)計強度等級越低,鋼渣對抗壓強度改善的效果越顯著。

(4)在混凝土配合比設(shè)計中使用鋼渣作為部分細骨料對混凝土的抗壓強度有積極影響;因此,將適量鋼渣摻入混凝土是合理可行的,同時可緩解鋼鐵工業(yè)在生產(chǎn)過程中對環(huán)境所造成的的不利影響。