矿渣碎石压碎值对混凝土抗压强度的影响

时间：2024-12-29

姚增远（攀枝花钢城集团有限公司，四川攀枝花 617000）

0 前言

攀钢本部每年要处理300多万t高钛型高炉渣，其中大部分通过热泼冷却后加工成矿渣碎石和渣砂作为建材使用。但在实际操作过程中受攀钢生产节奏及雨季的影响造成高钛型高炉矿渣冷却速度不能够完全受控，从而使得生产出的矿渣碎石压碎值指标波动范围较大，质量不够稳定，存在部分矿渣碎石的压碎值达不到内部质量标准要求，使得在后续混凝土的应用中存在一定的质量不确定性。

为此成立了专门的课题组，研究在同等条件下，不同压碎值的高钛型矿渣碎石对各种强度等级混凝土力学性的影响。从而得出高钛型矿渣碎石压碎值的变化对混凝土力学性（抗压强度）的影响规律，以确定出高钛型矿渣碎石压碎值的最大允许上限及使用范围，为今后的生产加工使用提出指导性意见。

1 试验

1.1 原料

1.1.1 矿渣碎石

本次试验所选用的矿渣碎石是在矿渣加工生产过程中，有针对性的对不同等级压碎值的矿渣碎石进行收集而得，并按照碎石的粒度级配要求进行配料，以保证试验数据的准确性和对比性。主要收集了6种不同压碎值的矿渣碎石以备试验所用，其具体主要指标见表1。

表1 试验用矿渣碎石主要指标

矿渣碎石压碎值大小主要取决于高炉渣翻渣后的自然冷却时间及热泼时的冷却速度，若翻渣后自然冷却时间越长，热泼时高炉渣冷却速度越慢，则生产的矿渣碎石压碎值越高。另外，矿渣碎石压碎值还与其破碎加工后的颗粒形状有关，若片状、针状碎石较多，其压碎值也会降低[1-2]。

1.1.2 渣砂

本次试验所选用的渣砂为高钛重矿渣中砂，其具体技术指标见表2

表2 试验用高钛重矿渣中砂

1.1.3 水泥

试验用水泥为攀枝花钢城集团瑞丰水泥公司生产的P·O 42.5和P·O 52.5普通硅酸盐水泥，其中52.5水泥用于C70混凝土试验中。其相关理化指标检测见表3。

表3 试验用水泥相关检测结果

1.1.4 粉煤灰

试验用粉煤灰采用攀枝花宝利源公司生产的Ⅱ级粉煤灰。其主要化学成分和物理性能指标检测见表4。

表4 粉煤灰相关指标

粉煤灰作为混凝土掺合料主要是为了降低水泥用量，并满足混凝土的胶凝材料需要，调整混凝土的施工性能。

1.2 确定试验配合比[3]

本项目按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中的配合比设计要求，并根据全矿渣混凝土生产实际经验选择相关设计参数，最终设计出不同强度等级的试验混凝土配合比。具体试验配合比,见表5。

表5 本试验不同强度等级混凝土配合比 kg/m3

试验过程中，碎石采用试验选取的不同压碎值矿渣碎石进行对比，其他原料保持不变。

1.3 试验方法

1.3.1 矿渣碎石压碎值检测方法[4]

矿渣碎石的压碎值是其强度衡量的一种间接方法，其试验方法参照《建设用卵石、碎石》标准进行。

首先将需检测的矿渣碎石风干后，采用方孔筛筛分出9.5 mm～19 mm的颗粒3kg以备检测试验；然后将试样放入圆模内置于压力机上，按照1kN/s速度均匀加载至200kN，并稳压5s后卸载；再用2.36mm方孔筛筛分掉被压碎的细粒，并称取筛上试样质量，精确至1g；最后按照公式（1）计算压碎值。

式中：Qe—压碎值指标，%；G1—试样质量，g；G2—压碎试验后筛余的试样质量，g。

1.3.2 混凝土试块制备及养护方法[5]

本试验混凝土试块制备及养护方法参照《普通混凝土力学试验方法标准》要求进行。

首先按照试验设计的配合比配制不小于40 L的混凝土，试验所用碎石、渣砂、水泥等各材料均以质量计量，精确度控制在±0.5%内；然后按照碎石、水泥、粉煤灰、渣砂、水和外加剂的顺序依次加入搅拌机中搅拌60s；再将搅拌好的试验混凝土放入已涂好脱模剂的150mm×150mm×150mm模具中并在振动台上振动成型，再修整试样表面平整；然后将试样和模具放入标准养护室中养护24h以上方可脱模；脱模后应继续将试件在标准养护室内养护至试验要求龄期。标准养护室温度要求为20±2℃，相对湿度为95%以上。

1.3.3 抗压强度测定

本试验混凝土抗压强度检测方法，严格按照《普通混凝土力学试验方法标准》进行检测。

首先将标准养护条件下养护到期的试件取出，然后在自然条件下使试件表面水晾干后进行抗压强度检测；试验机为数显可控压力机，试验过程中要求应连续均匀地加荷，当混凝土强度等级≥C30且＜C60时，按照0.5～0.8MPa/s加载，当混凝土强度等级≥C60时，按照0.8～1.0MPa/s加载；当试件破坏压力显示下降时，应立即记录破坏荷载，并按照公式（2）计算检测试件的抗压强度。

式中：fcc—混凝土立方体试件抗压强度，MPa；F—试件破坏荷载，N；A—试件承压面积，mm2；

试验混凝土最终强度值的确定按照下列规格执行：

（1）三个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值（精确至0.1 MPa）；

（2）三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的l5%时，则直接取中间值作为该组试件的抗压强度值；

（3）如最大值和最小值与中间值的差均超过中间值的15%，则该组试件的试验结果无效。

2 结果与分析

2.1 C30强度等级混凝土试验

由图1的数据分析，C30强度等级的混凝土试块7d抗压强度随着矿渣碎石压碎值的增加，呈现逐渐下降的趋势，但下降幅度不明显，这主要是因为混凝土早期强度主要由界面强度所决定，骨料强度对其影响较小；28d和60d的抗压强度在矿渣碎石压碎值为20%时达到最大，随后逐渐降低，且28d抗压强度值均大幅超过标准要求的30MPa以上，这主要与试验配合比设计时相关参数的选取有关，在实际生产过程中可根据搅拌站具体情况进行相应调整。

图1 C30混凝土不同龄期抗压强度对比图

由该结果表明，在同等条件下，混凝土中矿渣碎石的强度（压碎值）对混凝土的耐压强度有一定影响，当碎石的压碎值大于20%以上时，会对C30混凝土强度造成一定的影响，但仍满足C30混凝土强度等级标准要求，故在进行配合比设计时需适当考虑矿渣碎石的压碎值超标对其强度影响的作用。

2.2 C50强度等级混凝土试验

由图2的数据分析，对于C50较高等级混凝土试块7 d、28 d和60 d龄期抗压强度均随着矿渣碎石压碎值的增加而呈现下降的趋势，其中28 d抗压强度表现尤为明显；28 d抗压强度在矿渣碎石压碎值为22%时降值达到最大；60 d后期强度比28 d强度平均增加6 MPa，这主要是由于矿渣碎石不同于天然碎石，其内部存有一定数量的半开气孔可以储存部分水分及浆液，而28 d标准养护期后该部分水分仍然能够继续参与水化反应，从而可进一步增加混凝土试块的强度。

图2 C50混凝土不同龄期抗压强度对比图

C50强度等级混凝土抗压强度随着矿渣碎石压碎值的增大而有所降低，当矿渣碎石的压碎值在22%时降低幅度最大，但仍能满足强度等级要求。考虑到混凝土的安全性及质量保证，建议在C50较高等级混凝土中使用矿渣碎石时，当矿渣碎石压碎值大于22%时需慎用，必须使用时需采取相关措施以保证混凝土质量。

2.3 C70强度等级混凝土试验

由图3的数据分析，通过横向对比C70高强度等级混凝土试块的7 d抗压强度，在随着矿渣碎石压碎值增加时，其强度逐渐降低，但不明显，这主要是因为混凝土的初期强度主要由水泥水化产生的强度所决定，而矿渣碎石强度对其影响相对较小。28 d和60 d龄期的抗压强度在矿渣碎石压碎值超过20%时开始明显下降，并达不到C70强度等级要求的抗压强度，在矿渣碎石压碎值达到24%时达到最低值。这主要是由于对于高强度混凝土，其28 d以上的龄期抗压强度不仅仅是由混凝土中的界面强度所决定，同时也受混凝土中骨料的密实度及骨料的强度所影响。通过对28 d龄期试块断面的观察分析，发现试块其断面处有部分矿渣碎石直接被压断，分为两半（见图4），而对于压碎值相对较大的矿渣碎石，其碎石内部空隙较多，故其抗压强度也就越低[6]。

图3 C70混凝土不同龄期抗压强度对比图

图4 28 d龄期试块抗压强度检测后断面图

考虑到C70强度等级混凝土一般主要用于重要部位的结构部件，28 d的标准抗压强度受矿渣碎石的强度影响较大，且在矿渣碎石压碎值超过20%以上时其28 d标准抗压强度已达不到国标要求值，故建议在C70强度等级的混凝土中严禁使用压碎值大于20%的矿渣碎石。