钢渣石混凝土的性能试验研究

顾赛捷

中交浚浦建筑科技（上海）有限公司 上海

摘 要：近几年来，我国钢铁工业废旧排放存在很大的问题，废旧排放不仅减少了工业经济发展效率，还需要大量的堆场进行存放，从而导致资源的浪费。要想迅速提高当前的状况，就需要加大对钢渣的回收和重复利用。

本论文以钢渣石为试验基础，替换传统碎石粗骨料，制备混凝土试样，通过检测数据进行试验研究分析。采用不同取代率等质量代替碎石，试配钢渣砼，并对钢渣砼与普通砼在工作性、抗压性、抗碳化性三方面进行比较，给出最佳的替换率。

关键词：钢渣石；混凝土；性能

1 前言

随着我国经济的迅速发展，大规模的基础设施建设越来越多，混凝土的使用量逐步增大，目前仍然是采用最为广泛的材料。混凝土之所以被广泛应用的两个主要原因：可塑性较强，可以在模板中自然流动；成本相对可靠，便于操作。

正由于我国现行的基础建设日益扩大，导致天然砂石等资源每年消耗都在上升。如果可以在混凝土中使用废渣资源，不但可以有效的保护环境，还可以降低天然砂石的用量。这样不仅能解决环境污染问题，还可以为钢渣再利用提供一种新的方法。

钢渣的物理化学性质，它的硬度很大，具有一定的胶凝活性，利用其中的硅酸钙成分，制作成掺合料代替水泥，但由于钢渣的粉化成本很高使得很难全面的推广和应用。如果可以利用钢渣石作为传统的混凝土石子骨料，让性能可以满足国家规范的相关要求，将进一步扩大钢渣的利用率，从而进一步扩大绿色新型混凝土的应用领域。

2 原材料及相关特性

2.1水和水泥

混凝土一般采用水泥当做胶凝材料，水泥遇水发生水化反应，通过胶凝硬化达到强度。水泥强度的选取直接关系到混凝土的性能。如果水泥强度太高，则会计算出的水泥用量较少，凝胶材料就会减少，无法在混凝土中形成充分的凝结力；反之，水泥用量过大，水化的热量过大，混凝土内部的应力增多，甚至会造成混凝土的结构破坏，也会降低混凝土的耐久性。

根据标准，在常规的配合比设计中，水泥强度与混凝土抗压强度之比应控制在1.1-1.6，在此基础上，水泥采用P.O.42.5的普通硅酸盐水泥，水泥强度为46MPa，由上海长源散装水泥有限公司供应。本试验研究拌合用水为普通自来水。

2.2黄砂

黄沙是一种普通混凝土细骨料，它与水、水泥融合在一起，形成水泥砂浆，充填粗骨料间的空隙。本次试验所用河砂为中砂，从芜湖市场进行采购。根据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006），对其细度模数、表观密度、含泥量、空隙率进行检测。表观密度2580kg/m³；总含泥量2.6%；泥块含量0.8%；氯离子含量0.012%，所有性能均满足规范要求。

2.3碎石

混凝土粗骨料碎石起到填充作用，水泥砂浆与其相结合，对混凝土的抗压性能起到关键作用。粗骨料本身的性能质量对混凝土有着相当大的影响，选取合适的集料显得非常重要，需要考虑粗骨料的粒径、形态和强度等关键因素。本次试验所用粗集料是舟山金鑫矿业投资有限公司的天然碎石，使用振动筛进行粒径筛分，粒径控制在5-20mm。并将筛分后的碎石选取粗细质量比为7:3的级配。根据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）检测碎石，检测表观密度为2580kg/m³；含泥量为0.8%；泥块含量为0.4%；压碎指标为3%；针片状颗粒含量为7%，所有性能均满足规范要求。

2.4钢渣石

2.4.1钢渣石来源

本试验使用的钢渣石来自于上海宝钢建材，钢渣颗粒采用热闷工艺。对样品两次送样检测，经过检测得出结果，其化学成分满足要求。

2.4.2钢渣石筛分及检验

钢渣石的表面比较粗糙，依据标准对其进行筛分，筛取粒径为5~10mm和10~20mm的钢渣石，备用作为混凝土碎石的代替物。

因为钢渣与碎石的形成与成分存在很大的差别，以现行《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）对钢渣石的相关性能进行检验，主要包含压碎指标和吸水率。

1.压碎指标检验

（1）仪器设备如下：压力试验机，量程2000kN；天平，称量10kg，感量1g；受压试模。（2）试验步骤：对粒径在5mm~20mm的钢渣石进行筛分，颗粒中去除针片状。一次性称取3kg，精确至1g。钢渣石分层装入模具，振动模具让其密实。将模具放在压力试验机上，压力机调节合适的量程，按照1kN/s的速度进行加载，加到200kN稳定5s，然后再从压力机上拿下模具。收集钢渣石后，使用2.36mm孔径的方孔筛进行筛分，称量剩余质量，精确至1g。（3）压碎指标计算：按照公式Qe=（G1-G2）/G1*100计算，Qe为压碎指标、G1为试样质量、G2为剩余质量。经过筛分后剩余钢渣石质量为2807g，根据规范评判标准计算，压碎指标为6.4%，判断为I类。

2.钢渣石吸水率检验

（1）仪器设备如下：鼓风干燥箱，温控在（105±5）℃；天平，称量10kg，感量1g；方孔筛，孔径为4.75mm；（2）试验步骤：依据规定的标准取样。钢渣石泡入水中24h后取出，擦干其表面的水，使用天坪称出质量。然后放在鼓风干燥箱中进行烘干，温度保持在105℃。待样品质量不再减少时取出，并称量计算。（3）吸水率计算：粒径5mm至16mm钢渣石，饱和干试样质量为2987g，烘干后试样质量为2914g，吸水率为2.5%。粒径16mm至26.5mm钢渣石，饱和干试样质量为3017g，烘干后试样质量为2927g，吸水率为3.1%。均满足规范要求。

3 钢渣石混凝土的配合比设计

3.1普通混凝土配合比设计

3.1.1混凝土配制抗压强度

以C30混凝土强度等级为设计标准，混凝土强度标准差取5.0，计算配置强度fcu，o≥38.2MPa。

3.1.2水灰比

水灰比除了要按照强度进行计算外，还需要考虑对耐久性能的影响，需要满足规范要求的最大值。水灰比的最大值应满足《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的规定，当混凝土应用于二b类环境中时，C30强度等级的最大水灰比不得超过0.50，故设置水灰比为0.48。

3.1.3单位用水量

当水灰比选取为0.48时，根据混凝土拌合物流动性的要求，配合比设计坍落度为110mm，单位用水量取220kg。

3.1.4单位水泥用量：

单方混凝土的水泥用量按照计算的单方用水量和水灰比确定，水泥用量为458kg。

3.1.5确定砂率以及粗、细集料用量

（1）确定砂率：砂率选取32%，由试验测试确定。（2）粗、细集料用量：假定单方混凝土拌合物的质量选取为2400kg，则砂石的总量=2400-220-458=1722kg，则砂的用量占32%为551kg，碎石用量为1171kg。其中5-10mm碎石占比30%，取351kg；10~20mm碎石占比70%，取820kg。

综上所述，混凝土初步配合比：水泥458kg、砂551kg、5-10mm碎石351kg、10-20mm碎石820kg、水220kg。

3.2钢渣石混凝土配合比

根据普通混凝土配合比设计方法，参照确认钢渣石混凝土配合比。配合比中的钢渣石用量采用等质量代替法确认。初步设计钢渣石代替碎石的比例共4种，含量为25%、50%、75%和100%，其中粒径为5~10mm和10~20mm钢渣混合的比例为30:70。

表3.1各掺量配合比汇总表

4 钢渣石混凝土的性能试验

4.1 钢渣石混凝土的工作性能

为了确保混凝土的综合性能符合要求，对拌合物的粘聚性、流动性及保水性这3种性能进行综合考量。一般采用坍落度测试的方法评判流动性；一般采用观感目测的方法对粘聚性和保水性进行评价。

4.1.1 试验方法及结果

选取容量为60L的混凝土搅拌设备。按照配合比先将水、水泥、河砂放于搅拌机中，开动搅拌机搅拌30s，再加入细骨料和粗骨料搅拌3～5分钟，搅拌均匀后测量坍落度，然后在30min和60min后再次测量坍落度，记录好相关数据。试验结果：P0配合比的初始塌落度为110mm、30min后105mm、60min后98mm；P1配合比的初始塌落度为105mm、30min后96.5mm、60min后87.5mm；P2配合比的初始塌落度为98mm、30min后87.5mm、60min后74.5mm；P3配合比的初始塌落度为95mm、30min后83.5mm、60min后64mm；P4配合比的初始塌落度为86mm、30min后71.5mm、60min后50.5mm。

4.1.2 试验结果分析

从数据结果可以看出：在相同的时间点，各组拌合物的坍落度随着钢渣石的代替量的增大而减小，坍落度从大到小的顺序为P0＞P1＞P2＞P3＞P4。根据30min、60min记录的塌落度数据：在0～30min时间段，P0组的坍落度损失率为4.5%；P1组的损失率为7.9%；P2组的损失率为10.5%；P3组的损失率为12.2%；P4组的损失率为16.9%。在0～60min时间段，从大到小的顺序为P4＞P3＞P2＞P1＞P0，P4的坍落度损失率为42.3%，P3的损失率为32.5%，P2的损失率为24.2%，P1的损失率为16.7%，P0的损失率为10.9%。从数据结果中可以看出在钢渣石掺量为25%时，60min坍落度损失率相对较低。

根据以上数据得出，混凝土的坍落度随着掺量的增加而降低。钢渣石掺量的提高，导致混凝土坍落度的损失逐步增加。

4.2钢渣石混凝土抗压性能

4.2.1试验方法

用试拌的混凝土制作15组标准尺寸的立方体抗压试块，24小时后拆模放在标准养护箱内进行养护。养护临期在7d，14d和28d时，拿出试件测量尺寸，然后计算试件的承压面积A。将混凝土试块放于压力机上，按照0.7MPa/s的速度进行加载。最后，记录破坏极限荷载F。抗压强度fcu=F/A。

4.2.2试验现象与结果分析

（1）试验现象：

在整个加载过程中：初期，试块试件无明显变化；在加荷的过程中，在试块的边角处逐渐开始出现斜向的裂缝；随着荷载的持续增加，裂缝数量开始增加至试块破坏。

图4.1 抗压强度试块形态

（2）结果分析：

通过检测数据得出不一样的养护龄期在不同的掺量下，混凝土的抗压强度结果为，PO试块7d强度27.5MPa、14d强度30MPa、28d强度40MPa；P1试块7d强度27.7MPa、14d强度30.3MPa、28d强度39.5MPa；P2试块7d强度30.2MPa、14d强度31.7MPa、28d强度34.8MPa；P3试块7d强度25.5MPa、14d强度29MPa、28d强度33.8MPa；P4试块7d强度25.3MPa、14d强度29MPa、28d强度32.2MPa。

表4.1 抗压强度对比

从数据可以看出：

(1)随着养护临期的增加，不同掺量的钢渣石混凝土的抗压强度都有所提高。

(2)28d的养护时间，普通混凝土的抗压强度都是大于钢渣石混凝土的强度。28d的养护时间，所有钢渣石混凝土抗压强度都超过了30MPa，满足强度的要求。28d的养护时间，当钢渣石掺量为25%时对混凝土的抗压强度性能影响最小。

(3)7d和14d养护临期时，P0P3>P4，掺量为50%的钢渣石P2强度最大，由数据得出随着钢渣石掺量的增加，抗压强度先是增加后又减小；当养护临期为28d时，P0>P1>P2>P3>P4，得出随着钢渣石掺量的增加，抗压强度逐渐降低。

4.3钢渣石混凝土抗碳化性能

混凝土暴露在自然环境中会受到多种化学侵蚀，而碳化侵蚀是最普遍的。混凝土的碳化主要由空气中的CO₂渗入到混凝土中，与混凝土中偏碱性材料进行反应，从而使相关材料的碱性下降。

4.3.1试验方法

用试拌的混凝土制作20组标准尺寸的立方体试块，24小时后拆模放在标准养护箱内进行养护。标准养护28d后拿出试件，放入干燥箱中烘干48h。烘干后将不同掺量的试件放在温度为20℃、湿度为70%、CO₂浓度为20%的碳化箱内。当养护至3d、7d、14d和28d时拿出试件。使用压力机将试块拉开，将浓度为1%的酚酞酒精溶液均匀喷洒至试件表面，干燥后测出有颜色部位到试件边缘的最长距离。

图4.2 碳化深度试块形态

4.3.2试验结果分析

通过试验检测，不同碳化临期的结果为：P0试块3d碳化深度16mm、7d为17mm、14d为19mm、28d为20mm；P1试块3d碳化深度13mm、7d为14mm、14d为17.5mm、28d为19.5mm；P2试块3d碳化深度9mm、7d为12.5mm、14d为17mm、28d为20.5mm；P3试块3d碳化深度9mm、7d为17mm、14d为20mm、28d为23mm；P4试块3d碳化深度12mm、7d为17mm、14d为24mm、28d为27mm。

表4.2 碳化深度对比

从数据中可以看出：

（1）各组试件的碳化深度数据随着时间的增加而增加。

（2）3d时间碳化深度从大到小的顺序为P0＞P1＞P4＞P2＞P3；7d时间顺序为P0＞P3＞P4＞P1＞P2；14d时间顺序为P4＞P3＞P0＞P1＞P2；28d时间顺序为P4＞P3＞P2＞P0＞P1。

（3）钢渣石混凝土的碳化深度在养护前期时比普通混凝土小，抗碳化性能好；随着钢渣掺量的提高，抗碳化性能先是升高后又降低。

（4）钢渣石混凝土的碳化深度在养护后期随着钢渣掺量的提高，抗碳化性能先是升高后又降低。

（5）根据数据分析，钢渣石掺量为25%时性能体现更好。

5 结论

本次试验的5组混凝土，一组普通混凝土，四组钢渣石混凝土，掺量分别为25%、50%、75%、100%。通过对其工作性、力学性、耐久性的试验研究，主要得到以下结论：

（1）通过坍落度试验发现：钢渣石代替碎石，混凝土的流动性会随着钢渣石掺量的提高而降低。

（2）通过抗压强度试验发现：钢渣石代替碎石，混凝土的抗压强度在养护前期会随着掺量的提高先升高后降低；在养护后期会随着掺量的提高而降低；当达到28d时钢渣石混凝土强度均满足要求，其中掺量为25%的抗压强度优于其他掺量。

（3）通过抗碳化试验发现：钢渣石代替碎石，混凝土的抗碳化性能在养护前期较普通混凝土表现更好；同时会随着掺量的提高，抗碳化性能先升高后降低；在养护后期会随着掺量的提高逐渐降低；其中掺量为25%的抗碳化性能优于其他掺量。

参考文献

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