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        鋼渣替換混凝土骨料的力學(xué)性能影響綜述

        2024-03-28 09:00:09陶銳睿沈奇罕鄭歆沈嘉坤方睿奇曾梓軒
        安徽建筑 2024年1期
        關(guān)鍵詞:混凝土研究

        陶銳睿,沈奇罕,鄭歆,沈嘉坤,方睿奇,曾梓軒

        (合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

        0 引言

        鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè),在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工程建設(shè)和穩(wěn)定就業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。目前我國鋼鐵年產(chǎn)量達(dá)10 億t,約占全球年總產(chǎn)量的50%,穩(wěn)居世界第一。然而,鋼渣作為煉鋼過程中的主要副產(chǎn)物,對環(huán)境的污染問題也日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計,我國當(dāng)前鋼渣年產(chǎn)量達(dá)1.2 億t,鋼渣固廢累計儲量已超20 億t,形成大量堆積,嚴(yán)重侵占農(nóng)地資源,污染生態(tài)環(huán)境。我國“十一五”發(fā)展規(guī)劃就曾指出,鋼渣的綜合利用率應(yīng)達(dá)86%以上,基本實(shí)現(xiàn)零排放。然而目前對鋼渣的綜合利用率僅20%~30%,遠(yuǎn)低于規(guī)劃要求和發(fā)達(dá)國家利用的平均水平[1]。

        鋼渣材料成分與水泥熟料具有一定的相似性,并具有強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性強(qiáng)等特性,為其在混凝土中的應(yīng)用提供了諸多可能。同時,我國混凝土材料消耗巨大,采用鋼渣制備混凝土,將有效減小自然資源消耗,降低建筑活動碳排放量,對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、建成“美麗中國”具有重大戰(zhàn)略意義。

        鑒于鋼渣的材料特性和建筑用混凝土消耗現(xiàn)狀,為提高鋼渣的綜合利用率,近年來科學(xué)界和工程界陸續(xù)開展了使用鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料的嘗試,并對鋼渣替換粗細(xì)骨料的混凝土材料力學(xué)性能進(jìn)行了研究。然而,目前國內(nèi)外針對鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料對其力學(xué)性能的作用效益認(rèn)識尚未統(tǒng)一,嚴(yán)重影響其在實(shí)際工程中的推廣和應(yīng)用。為此,本文擬基于現(xiàn)有研究,明確鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料對其力學(xué)性能的影響效果,開展不同鋼渣替換率下混凝土材料的適用性分析,為鋼渣混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

        1 鋼渣替換粗骨料混凝土的材料性能研究綜述

        目前鋼渣混凝土的制備主要是通過鋼渣替換混凝土聚合物中的砂(細(xì)骨料)、石(粗骨料),其材料性能的研究主要包括抗壓、抗拉、抗折和干縮性能等關(guān)鍵參數(shù)。

        1.1 抗壓性能

        對于鋼渣替換粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度,劉華山[2]研究出隨著鋼渣對粗集料替換率的提高,混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大,且隨著齡期的增加,替換率越高的混凝土抗壓強(qiáng)度提高越大,結(jié)果表明最佳替換率為50%。孫越華[3]研究了在早期,一定比例的鋼渣石摻入會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。而隨著齡期的增長,鋼渣對強(qiáng)度越有利。其分析得出造成以上現(xiàn)象的原因可能是高摻量鋼渣的活性低于骨料,在前期會抑制強(qiáng)度的增長。此前,Kumar 等[4]研究得出替換率為40%時,混凝土水膠凝含量和水灰比較大,粘結(jié)強(qiáng)度較高,混凝土強(qiáng)度提高幅度最大。當(dāng)鋼渣替代率超過40%時,鋼渣粗骨料吸水量過多,水膠凝材料含量減小,與骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度有所降低,導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度逐步降低。

        1.2 抗拉性能

        楊晨等[5]通過對不同替換率下的鋼渣混凝土長期劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)其增長明顯,綜合抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)以取代率50%為最佳。劉金玉[6]和喬從偉[7]通過對比鋼渣石取代混凝土和普通混凝土的抗拉表現(xiàn)并綜合后期表現(xiàn),建議鋼渣石取代普通混凝土中碎石的比例為50%。

        1.3 抗折性能

        於林鋒等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)鋼渣混凝土抗折強(qiáng)度隨著鋼渣粗骨料替換率的增大,呈現(xiàn)出先增大后較小的趨勢,最佳替換率約為40%~50%。同時,鋼渣混凝土抗折強(qiáng)度隨著混凝土齡期的提高而增長,28d 抗折強(qiáng)度提高約30%。這是因?yàn)殇撛橇媳砻娴臐撛诨钚院痛植诙容^高,隨著齡期增長,水泥砂漿與鋼渣粗骨料表面持續(xù)反應(yīng)、結(jié)合,進(jìn)而提高其抗折強(qiáng)度。

        1.4 彈性模量

        在彈性模量方面,劉金玉[6]研究發(fā)現(xiàn)混凝土彈性模量隨著鋼渣石取代率的提高呈增加的趨勢,究其原因可能是由于鋼渣石自身的彈性模量較普通碎石大,進(jìn)而隨著替代率的提高,持續(xù)增大鋼渣石混凝土的彈性模量。

        1.5 收縮性能

        針對鋼渣物理性能,鋼渣替換骨料的混凝土體積收縮率也是研究的一個重點(diǎn)。對此,楊晨與劉華偉[5]、邢琳琳[9]和尚建麗等[10]分別進(jìn)行了有關(guān)混凝土收縮的試驗(yàn)研究,通過設(shè)置不同鋼渣粗骨料替換率試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),各組試件隨著齡期的增加,收縮率呈現(xiàn)增加趨勢。各組試件增長率大致相同,但其中以鋼渣粗骨料替換率為50%的試件收縮率最小。分析得出,由于鋼渣表面粗糙多孔,吸水率遠(yuǎn)高于碎石,使得內(nèi)部儲存較多水分。因此,鋼渣在混凝土內(nèi)部可適當(dāng)調(diào)整其濕度分布,在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)混凝土的自養(yǎng)護(hù)。隨著齡期的增長,內(nèi)部水分不斷釋放,保持了混凝土的內(nèi)部濕度,進(jìn)而提高了混凝土的抗收縮性,并且當(dāng)鋼渣替換率為50%時,混凝土收縮率最小。

        2 鋼渣替換細(xì)骨料混凝土的材料性能研究綜述

        2.1 抗壓性能

        韓艷麗[11]采用鋼渣作細(xì)骨料替代混凝土中的天然骨料,試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)替代混凝土中的天然細(xì)骨料可使早期抗壓強(qiáng)度增大的同時,后期強(qiáng)度也能穩(wěn)定發(fā)展。此外,隨著細(xì)骨料替代率的增長,其強(qiáng)度增長率明顯高于普通混凝土。研究發(fā)現(xiàn),鋼渣替換混凝土細(xì)骨料的最佳替代率為50%左右。Qasrawi 等[12]研究了抗壓強(qiáng)度為25~45MPa 的混凝土,其細(xì)骨料由部分或全部鋼渣替換。結(jié)果表明,當(dāng)鋼渣替換細(xì)骨料比例為30%~50%時,混凝土抗壓強(qiáng)度隨骨料替換率的增長出現(xiàn)明顯提升,提升幅度約為10%~30%。但當(dāng)鋼渣細(xì)骨料替換率超過50%時,混凝土抗壓強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降趨勢。

        2.2 抗拉性能

        關(guān)于鋼渣替換細(xì)骨料對于混凝土抗拉強(qiáng)度的影響,Qasrawi 等[12]對其進(jìn)行了研究,當(dāng)鋼渣細(xì)骨料替換率為30%~50%時,各齡期的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到普通混凝土抗拉強(qiáng)度的1.4~2.4倍,其中以鋼渣替換細(xì)骨料比例為50%的混凝土抗拉強(qiáng)度最大。而當(dāng)鋼渣替換率低于30%時,通過黃俠[13]和Qasrawi 等[12]對鋼渣替代混凝土中細(xì)骨料的研究分析表明,此時鋼渣混凝土抗拉強(qiáng)度與普通混凝土相近。

        2.3 抗折性能

        關(guān)于抗折強(qiáng)度的分析,韓艷麗[11]配置了鋼渣替換細(xì)骨料(即鋼渣砂)置換率10%~60%的普通硅酸鹽水泥混凝土,按照3d、7d、28d 的自然養(yǎng)護(hù)齡期測試其抗折強(qiáng)度,探究其最佳替換率。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)鋼渣細(xì)骨料替換率為40%~50%時,其抗折強(qiáng)度最為穩(wěn)定,略高于普通混凝土。然而,當(dāng)鋼渣砂的替換率達(dá)到60%時,鋼渣混凝土的抗折強(qiáng)度不及普通混凝土。

        2.4 彈性模量

        除了混凝土強(qiáng)度外,鋼渣砂替換混凝土細(xì)骨料還會對混凝土有其它方面的影響。對于彈性模量的研究,李斌等[14]通過對鋼渣細(xì)骨料替換的分析試驗(yàn)得出,鋼渣混凝土的彈性模量隨鋼渣摻量的增大逐漸增大。但當(dāng)鋼渣摻量超過30%時,鋼渣替換細(xì)骨料對混凝土彈性模量的影響開始減小。當(dāng)鋼渣摻量為20%時,混凝土初始彈性模量達(dá)到最大值。

        2.5 收縮性能

        在鋼渣替換細(xì)骨料對體積收縮率的影響中,A. M. Rashad[15]結(jié)合前人研究表示目前對于鋼渣替換骨料的收縮性能尚無統(tǒng)一定論,約有53.33%的研究報告表示鋼渣替換骨料混凝土的收縮率減小,而約有40%的現(xiàn)有研究報告表示鋼渣替換骨料加劇了混凝土的收縮。

        綜上所述,多數(shù)學(xué)者研究得出現(xiàn)階段鋼渣替換細(xì)骨料的最佳替換率為40%~50%,但部分學(xué)者研究得最佳替換率為20%~30%,具體最佳替換率的參考數(shù)據(jù)有限,仍需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。

        3 結(jié)論

        本文通過對當(dāng)前鋼渣替換混凝土骨料研究現(xiàn)狀調(diào)研,分析了鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料對其力學(xué)性能的影響效果,進(jìn)而明確鋼渣替換混凝土骨料的適用性,獲得以下結(jié)論。

        ①分析表明,采用鋼渣替換混凝土粗骨料時,其替換率在40%~50%時,可以得到相對更好的抗壓、抗拉、抗折及收縮特性。而鋼渣粗骨料混凝土彈性模量隨著鋼渣替換率的增大可持續(xù)增大。

        ②采用鋼渣替換混凝土細(xì)骨料時,相關(guān)研究表明,鋼渣替換細(xì)骨料比例同樣在40%~50%左右時可達(dá)到較好的抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度。但其彈性模量是鋼渣替換細(xì)骨料比例在20%時最佳。此外,針對鋼渣替換細(xì)骨料對混凝土彈性模量的影響目前仍未形成一致結(jié)論,尚待進(jìn)一步研究。

        ③基于調(diào)研分析可知,鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料的比例控制在20%~50%時,具有相對良好穩(wěn)定的力學(xué)性能,實(shí)際工程可參考此比例使用。

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