鋼渣摻量對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性及其他性能的影響

鋼渣摻量對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性及其他性能的影響摘要：以鋼渣等質(zhì)量替換混凝土中的天然碎石，進(jìn)行鋼渣水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)，對(duì)比分析了鋼渣混凝土和普通混凝土在浸水膨脹率、力學(xué)性能和抗凍性能等方面的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著鋼渣摻量的增加，浸水膨脹率也在逐步變大當(dāng)摻量達(dá)到70%以上的時(shí)候，浸水膨脹率會(huì)超過2%；當(dāng)鋼渣摻量在50%的時(shí)候，其28d的抗壓強(qiáng)度值最大達(dá)到31.18MPa；當(dāng)鋼渣摻量超過50%的時(shí)候，在經(jīng)歷了50次凍融循環(huán)后，試件的質(zhì)量損失率超過了5%。所以，綜合考慮鋼渣等質(zhì)量替換粗集料的合理比例為50%，而且在實(shí)際應(yīng)用過程中，也應(yīng)該采取一些措施對(duì)鋼渣進(jìn)行預(yù)處理以達(dá)到穩(wěn)定其體積安定性的目的。關(guān)鍵詞：鋼渣；配合比；浸水膨脹率；抗壓強(qiáng)度；抗凍性0、引言在我國(guó)“碳中和”、“碳達(dá)峰”的環(huán)保政策壓力下，我國(guó)鋼鐵企業(yè)積極推動(dòng)清潔生產(chǎn)，鋼渣綜合利用不斷增強(qiáng)［1］。鋼渣的強(qiáng)度、密度等性能優(yōu)于天然石料，是較為理想的混凝土骨料［2］。然而在實(shí)際工程中，未經(jīng)處理的鋼渣直接在實(shí)際工程中應(yīng)用常常存在體積安定性不良的隱患。而鋼渣同時(shí)還具有耐磨、抗滑、堿度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以具有在公路路基中代替天然碎石較大規(guī)模使用的潛力。這樣就能在公路發(fā)展的同時(shí)保護(hù)環(huán)境，同時(shí)還能帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益1、原材料性能研究1.1水泥：選用普通硅酸鹽水泥P?O52.5，經(jīng)過測(cè)試3d和28d的抗壓強(qiáng)度分別為32.1MPa和55MPa,滿足規(guī)范的要求，且安定性合格。1.2鋼渣本實(shí)驗(yàn)選用的鋼渣的主要技術(shù)指標(biāo)見表1，主要化學(xué)成分見表2表1鋼渣的主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)指標(biāo)堆積密度/（g/cm3）表觀吸水率/%針片狀含量/%密度/（g/cm3）壓碎值/%檢測(cè)結(jié)果1.752.966.032.54.48技術(shù)要求±1.35±2.5<260.543.16<15表2鋼渣的主要的化學(xué)成分化CSFMTMAS學(xué)成TOC\o"1-5"\h\zaO iO2 e2O3 gO iO2 nO l2O3 O3分含4 1 1 5 4 4 3 0量2.06 9.9 8.55 .5 .43 .42 .16 .56由表2可知，鋼渣中CaO、SiO2、Fe2O3的含量較高，這些與水泥的化學(xué)成分類似，所以鋼渣具有一定的水化膠凝材料的性能。1.3集料粗集料為碎石，壓碎值為14.8%。細(xì)集料采用的是表觀密度為2.8g/cm3,細(xì)度模數(shù)為0.4的機(jī)制砂。1.4粉煤灰：選用的粉煤灰等級(jí)為I級(jí)，表觀密度為2.6g/cm3，含水量為0.52%1.5配合比設(shè)計(jì)按照要求，鋼渣分別以0%、30%、50%、70%、100%等質(zhì)量替代碎石進(jìn)行鋼渣混凝土的配合比設(shè)計(jì)，五種混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。表3混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果/（kg?m_3）0.37.12300%500%.59.59.59.820.3.8542.17.4..820.3.85427.5.6..82.854227840.37.12300%500%.59.59.59.820.3.8542.17.4..820.3.85427.5.6..82.85422784鋼膠凝材料（kg）粗集料組 水.水 砂渣取號(hào) 膠比（L）（kg）石鋼代率水粉子渣泥 煤灰（kg）（kg）G7.59020.317.2.9.700%.821.85425357G1020.317.1210000%.59.821.85420.12、試驗(yàn)方法將鋼渣用于道路路基和基層材料等工程，以浸水膨脹率作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)該試驗(yàn)具體方法參照《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》(GB/T24175-2009)進(jìn)行⑶。將制備好的試件放入恒溫水浴箱中，保持水面高過試件頂面2-3cm，在試件頂面架上測(cè)量變形的百分表，立即讀取并記錄百分表上的初始讀數(shù)l0(mm)。加熱水浴箱中的水，在升溫到(90±2)°C后，溫度控制在這個(gè)區(qū)間內(nèi)持續(xù)6小時(shí)，最后停止加熱，讀取并記錄百分表上的讀數(shù)—(i為1，2，…，10，單位：mm)。每天記錄1次，連續(xù)測(cè)10d后才取出試件。試驗(yàn)期間，試件及架在其上面的百分表不能移動(dòng)位置。混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)，將不同的鋼渣摻量制備成100*100*100mm的立方體混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)14d和28d，然后開展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)］出?；炷恋膬鋈谘h(huán)試驗(yàn)，將不同的鋼渣摻量制備成100*100*400mm的長(zhǎng)方體混凝土試件在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)到28d后開始試驗(yàn)，凍2.5h，融化1.2h為一次凍融循環(huán)，凍融次數(shù)為25次和50次。應(yīng)用KDR-V型混凝土快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)和NELD-DTV型動(dòng)彈模量測(cè)定儀進(jìn)行鋼渣混凝土的快速凍融試驗(yàn)⑸。3、鋼渣體積安定性劣化的機(jī)理國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，引起鋼渣體積膨脹主要原因是游離氧化鈣(f-CaO)和游離氧化鎂(f-MgO)在水化反應(yīng)后生成的Ca(0H)2和Mg(OH)2。在水化反應(yīng)的開始階段生成的Ca(OH)2和Mg(OH)2多是無(wú)定形或小晶體形態(tài)，但在煉鋼過程中f-CaO、f-MgO在1600C以上的高溫煅燒，隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行導(dǎo)致其礦物結(jié)晶良好，晶體也在逐漸變大、結(jié)構(gòu)愈發(fā)致密，從而不斷擠壓周圍其他的水化產(chǎn)DL2 ］ 4 5DL2 ］ 4 5G7t?IdIJ齡則(d)-u.U5物，引起硬化，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生局部膨脹壓力和結(jié)構(gòu)不均勻，最終導(dǎo)致材料膨脹開裂［6］。4、試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析4.1浸水膨脹率圖2摻量為0%圖2摻量為0%浸以浸水膨脹率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別測(cè)試了不同摻量的鋼渣混凝土試件在(90±2)°C的水浴鍋中，每天浸水后對(duì)應(yīng)的浸水膨脹率，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1不同鋼渣摻量在90C條件下的浸水膨脹率■由圖1可知，五種不同摻量試件的浸水膨脹率均在0%-2%這個(gè)區(qū)間內(nèi)，而且隨著鋼渣摻量的增加以及浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，其浸水膨脹率均有所升高。圖4摻量為50%浸水10d后的表面圖 圖5摻量為70%浸水10d后的表面圖通過圖2-圖5不同的鋼渣摻量浸水加熱10d后的表面圖可以發(fā)現(xiàn)，鋼渣摻量為0%的混凝土試件的表面沒有任何變化，摻量為30%的試件的表面只是產(chǎn)生了很微小的裂縫，當(dāng)摻量為50%的試件表面產(chǎn)生了比較長(zhǎng)而細(xì)的裂縫，然而當(dāng)摻量達(dá)到了70%，試件出現(xiàn)了較大的裂縫和爆點(diǎn)。因此，如果我們要將鋼渣大量的應(yīng)用到路基工程中，可以考慮選用鋼渣摻量為50%的這一組。4.2抗壓強(qiáng)度(X 惑 范 (X 惑 范 ￥g LOM-眾3>囲m睥型加幌L&L4I?宀■MM)蟲農(nóng)同V}五種不同摻量試件的不同齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6不同鋼渣摻量的試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果通過觀察圖6曲線圖可以看到，隨著鋼渣摻量的增加，抗壓強(qiáng)度整體呈一個(gè)上升的態(tài)勢(shì)，而且任何一組摻加了鋼渣的試件的強(qiáng)度均比未摻加鋼渣的試件的強(qiáng)度大。隨著齡期從14d延長(zhǎng)到28d,五組試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了32%、25.4%56.4%、31.9%、35.9%，其中增長(zhǎng)幅度最大的一組是鋼渣摻量為50%的這組。而且通過圖6的28d齡期抗壓強(qiáng)度這條曲線可以看到鋼渣摻量為50%的這組試件的強(qiáng)度值最大，達(dá)到了31.18MPa，比強(qiáng)度值排在第二的鋼渣摻量為30%試件高了2.52MPa。因此，由圖6可知，向混凝土中加入鋼渣，會(huì)提升試件整體的抗壓強(qiáng)度。這主要是因?yàn)殇撛谋砻娲植诙嗫?，水泥的水化產(chǎn)物可以深入到鋼渣的孔隙之中，

能夠增強(qiáng)鋼渣與水泥石之間的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而提高試件整體的密實(shí)度，從而提高試件的抗壓強(qiáng)度。但是隨著鋼渣取代率的增加，鋼渣體積安定性的劣化開始顯現(xiàn)使得試件的強(qiáng)度開始降低。因此，鋼渣取代碎石制備混凝土試件時(shí)，取代率最宜為50%。4.3抗凍性a 30 50 7Q 100啊渣按a 30 50 7Q 100啊渣按量俚）五組試件經(jīng)過25次、50次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果見圖7、圖8。圖7不同鋼渣摻量的試件的質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果由圖7可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，五組試件的質(zhì)量損失率都升高了。在25次凍融循環(huán)的時(shí)候，質(zhì)量損失率很低幾乎都在1%以下，只有摻量在70%的時(shí)候質(zhì)量損失率達(dá)到了1.87%。然而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次時(shí)，質(zhì)量損失(I 卻 旳 加 KOW(I 卻 旳 加 KOW釦3075TO率幾乎都逼近5%,甚至在鋼渣摻量為70%和100%時(shí)質(zhì)量損失率超過了5%。圖8不同鋼渣摻量的試件的相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果由圖8可以得到，凍融循環(huán)次數(shù)從25次達(dá)到50次后，雖然五個(gè)不同摻量試件的相對(duì)動(dòng)彈模量均發(fā)生了不同程度的下降。但是相對(duì)動(dòng)彈模量在經(jīng)歷了50次凍融循環(huán)后其值均在60%以上。綜上我們得到當(dāng)鋼渣摻量為50%的時(shí)候，替代率的效果最佳。這主要是因?yàn)殇撛懈缓琒iO2和CaO,具有一定的水化活性。水化作用產(chǎn)生的C-S-H起到了一個(gè)包裹封閉作用，使得鋼渣表面變?yōu)榉忾]的小孔，使試件的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)。因此,抗凍性得到了一定的提升。5、結(jié)論通過對(duì)五組不同摻量鋼渣的試件進(jìn)行浸水膨脹率測(cè)試,發(fā)現(xiàn)隨著鋼渣摻量的增加,浸水膨脹率也在逐漸變大,鋼渣安定性不良得以顯現(xiàn)。若要將鋼渣大量應(yīng)用到實(shí)際工程中,務(wù)必提前對(duì)鋼渣采取措施抑制其體積膨脹。五組不同摻量鋼渣的試件抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增大,但到了鋼渣摻量為50%的時(shí)候，其28d的抗壓強(qiáng)度也達(dá)到了一個(gè)峰值，轉(zhuǎn)而隨著摻量的增加，其強(qiáng)度在逐漸下降。表明適宜的鋼渣摻入量能夠有效的提升混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。雖然五組不同摻量鋼渣的試件隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量均有所變小，質(zhì)量損失都提升了，但是數(shù)值均在抗凍性的規(guī)范內(nèi)。因此鋼渣的摻入能夠有效的改善混凝土的耐久性能。參考文獻(xiàn)蔣正武，尹軍?可持續(xù)混凝土發(fā)展的技術(shù)原則與途徑[J].建筑材料學(xué)報(bào),2016,19(06):957-963.林志偉，顏峰，郭榮鑫，馬倩敏.富水環(huán)境下鋼渣骨料體積膨脹行為及抑制方法研究現(xiàn)狀綜述[J].硅酸鹽通報(bào),2019,38(01)中冶集團(tuán)建筑研究總院.GB/T24175-2009鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法[