钢渣细集料掺量对混凝土力学性能及碳化性能影响研究

丁 昕 张 伟

（1.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250000；2.山东中坚工程质量检测有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

混凝土是目前建筑工程中最常用的建筑材料之一，其中作为细集料的砂在混凝土中消耗量巨大。目前，部分学者已发现天然砂可以用不同的废料代替，并在利用废弃物的同时改善混凝土塑性、和易性，可提高混凝土强度和耐久性。石东升[1]以掺量50%、100%高炉矿渣部分取代水泥掺入混凝土中研究其对矿渣混凝土抗压强度的影响，研究发现，当代砂率为50%时，其抗压强度略高于石英砂高性能水泥基材料。田雨泽[2]、侯景鹏[3]研究了铁矿石尾矿部分替代细骨料的混凝土和易性，研究发现在混凝土中，粉煤灰和钢渣最优替代率均为30%时，可提高混凝土的力学性能，与普通混凝土相比，混凝土抗压强度可提高3.8%。同时，在混凝土中用钢渣粉代替天然河砂，对混凝土的力学性能也有一定提升。

该文探究将磨细钢渣粉作为细骨料部分替代天然细骨料的可行性，研究其对混凝土力学性能的影响，以期为减少钢铁废弃物对环境的不利影响提供可借鉴的方法，减少混凝土材料中天然细骨料的用量，节约自然资源。

1 试验

1.1 试验原材料

该文使用PO42.5R 普通硅酸盐水泥，其主要性能指标检测值见表1。天然河砂最大粒径为4.75mm，相对密度为2.67，堆积密度为1650kg/m3，细度模数为2.7。天然粗骨料最大粒径为12.5mm，相对密度为2.75，堆积密度为1610kg/m3，细度模数为6.2。

表1 水泥主要性能参数

钢渣细集料选用中部城市某钢铁厂的废弃钢铁废料，并将其磨细、筛分处理为钢渣细集料，筛除粒径大于5mm 的颗粒，钢渣的相对密度为3.55，堆积密度为2168kg/m3，细度模量为2.3。钢渣细集料颗粒粒径分布具体情况见表2。钢渣细集料的堆积密度与天然河砂的堆积密度有一定差异，在混凝土硬化后会对混凝土的密度有所影响[4]。

表2 钢渣细集料颗粒粒径分布

1.2 配合比设计和试件制备

试验配合比以JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》为依据，配合比设计应达到混凝土所需的和易性，以防止离析并便于浇筑，具体各掺合料掺量和水灰比见表3。该文研究了6 种钢渣细集料掺量：0%、6%、12%、18%、24%和30%等质量代替天然细骨料河砂。

表3 钢渣细集料混凝土试件配合比

混凝土坍落度试验是衡量混凝土稠度，以评估新拌混凝土和易性的试验方法。根据GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》制备用于抗压强度试验的54个100mm×100mm×100mm 的立方体和用于抗折试验的54 个100mm×100mm×500mm的棱柱体试件。在钢渣细集料混凝土标准养护7d、14d 和28d 后对试样进行力学强度测试，测得龄期为7d、14d和28d 的钢渣混凝土的抗压强度和弯曲强度。根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中相关规定分别进行龄期为7d、14d 和28d 的钢渣混凝土的碳化试验。

2 试验结果和分析

2.1 坍落度

为了探讨钢渣细集料的掺入对混凝土拌合物和易性的影响，在各组混凝土拌和过程中测定混凝土混合料的坍落度。未掺入钢渣细集料的S0 组混凝土的坍落度为65mm，在人工搅拌时混凝土拌合物较干，坍落度较小，虽然流动性较差，但保水性和黏聚性较好。随着钢渣细集料掺量的增加，钢渣细集料混凝土的坍落度持续减少，但钢渣细集料混凝土的和易性仍在可接受范围内。将各组混凝土坍落度值与钢渣细集料掺量的关系绘制成曲线，如图1 所示。

图1 钢渣细集料混凝土的坍落度

2.2 力学性能

试验中每组3 个试件计算所得结果见表4，可见各组试件力学强度均随龄期而增长。S1、S2、S3、S4、S5 组混凝土前7d 内强度增长速率大于普通混凝土，但14d 内抗压强度增长速率小于普通混凝土，14d 内抗折强度增长速率与普通混凝土基本相同。

表4 钢渣细集料混凝土的力学强度

2.2.1 抗压强度

不同龄期的钢渣细集料混凝土的抗压强度如图2 所示。混凝土强度随着钢渣细集料掺量的增加呈先增大、后变小的趋势。钢渣细集料掺量为6%时的抗压强度最高，因此，在混凝土中使用6%的钢渣细集料对混凝土抗压力学性能的提升效果最好。分析其原因，水泥水化过程中产生的水化产物氢氧化钙对钢渣细集料的水化进程有促进作用，可使其产生二次水化。二次水化产物在混凝土中与水泥进行紧密结合，从而使混凝土的抗压强度有一定增加[5]。当钢渣细集料的掺量超过最优掺量时，反而对水泥的水化过程有不利影响，会使混凝土抗压强度下降。

图2 不同龄期的钢渣细集料混凝土的抗压强度

2.2.2 抗折强度

不同龄期的钢渣细集料混凝土的抗折强度如图3 所示。不同龄期的混凝土抗折强度随着钢渣细集料的掺入呈先增加、后变小的趋势。在混凝土中使用12%的钢渣细集料对混凝土抗折力学性能的提升效果最好，掺量超过12%时反而会造成抗折强度下降。

图3 不同龄期的钢渣细集料混凝土的抗折强度

2.2.3 折压比

用抗折强度与抗压强度之间的比值即折压比来衡量混凝土抗压强度与抗折强度间的关系，折压比也能从一定程度上反映混凝土的抗裂能力，是反映混凝土韧性的关键参数。当折压比较大时，对应混凝土的韧性较好、抗裂性能较强。反之，当折压比较小时，对应的混凝土韧性较差、抗裂性能也较差[6]。

分析具体数据，龄期为7d 的S1 组混凝土和S2 组混凝土折压比分别为0.0732 和0.0773，比S0 组混凝土折压比降低了12.1%和7.2%。龄期为7d 的S3 组、S4 组和S5 组混凝土折压比比S1组混凝土折压比增加了27.7%、48.0%和41.1%。龄期为14d 的钢渣细集料混凝土的折压比均比未掺钢渣细集料的S0 组混凝土折压比大。钢渣细集料掺量为6%、12%、18%、24%和30%的混凝土比S0 组混凝土折压比分别增加了0.8%、1.9%、45.8%、54.4%和67.2%。龄期为28d 的S1 组混凝土折压比为0.0763，比龄期为28d 的S2组、S3 组、S4 组和S5 组混凝土折压比增加了20.5%、23.2%、49.9%和32.0%。混凝土折压比变化规律较一致，一般均会随着钢渣细集料掺量的增加而增大。龄期为7d 和28d 的钢渣混凝土折压比均在钢渣细集料掺量为24%的情况下达到最大，而14d 龄期的钢渣细集料混凝土折压比在钢渣掺量为30%的情况下有最大值，此时钢渣细集料混凝土韧性最好、抗裂性能最强。

2.3 耐久性能

该文对各组钢渣细集料混凝土进行耐久性能分析，并进行加速碳化试验，以研究不同掺量的钢渣细集料对混凝土耐久性能的影响。随着碳化时间的增加，钢渣细集料混凝土的碳化深度逐渐增加。随着钢渣细集料掺量的增加，在相同碳化时长情况下，钢渣细集料混凝土的碳化深度先降低、后增加。分析不同钢渣细集料掺量对混凝土碳化深度的影响。6%掺量的钢渣细集料混凝土的碳化深度最小，抗碳化性能最优。不同碳化时间的钢渣细集料混凝土分别比未掺加钢渣细集料的普通混凝土的碳化深度减少了21.2%、13.8%和26.4%。分析其原因，适当掺量的钢渣细集料加入混凝土后，可以改善混凝土的密实性，对二氧化碳的传输也起到一定的阻碍作用，可提升混凝土的抗碳化性能。当钢渣细集料的掺量超过最优掺量时，反而会造成混凝土密实度下降，同时水化反应引起氢氧化钙的总量变少，加快了二氧化碳的传输，对混凝土的耐久性能会产生不利影响[7]。

3 结论

该文研究了钢渣细集料在不同掺量条件下对混凝土和易性、力学性能和抗碳化性能的影响，得出如下结论：1）钢渣细集料的掺入减少了坍落度，使混凝土拌合物流动性变差，但保水性和黏聚性较好。2）钢渣细集料混凝土的力学强度随着钢渣细集料掺量的增加呈先增大、后变小的变化趋势。28d 龄期的钢渣细集料混凝土在6%掺量时的抗压强度最优，比未掺钢渣细集料的普通混凝土28d 抗压强度提高了11.2%。28d 龄期的钢渣细集料混凝土在12%掺量时的抗折强度最优，比未掺钢渣细集料的普通混凝土28d 抗折强度提高了19.2%。龄期为28d 的钢渣混凝土的钢渣细集料掺量为24%时，折压比达到最大，此时钢渣细集料混凝土韧性最好、抗裂性能最强。3）掺入适量钢渣细集料的混凝土的碳化深度比普通混凝土有一定下降，最优钢渣细集料的掺量为6%，此时混凝土的抗碳化性能最佳。4）在混凝土中掺入钢渣细集料能制备出一种新型复合混凝土，可尝试在实际工程中进行推广使用。