鋼渣礦渣摻合料對(duì)混凝土配合比的影響

李志偉，陳征征

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

鋼渣和礦渣是工業(yè)生產(chǎn)中殘留的廢渣，廢渣的堆積會(huì)造成環(huán)境污染與資源浪費(fèi)，所以鋼渣和礦渣的再利用已成為研究的熱點(diǎn)之一。通過大量的實(shí)踐研究與理論分析可知若加以適當(dāng)?shù)奶幚砝?，鋼渣和礦渣可成為一種資源。鋼渣和礦渣當(dāng)中含有的化學(xué)成分使其具有一定的活性，在混凝土中摻入等量的鋼渣粉與礦渣粉，既可以減少水泥的用量、降低成本，還能夠在一定程度上完善混凝土的各項(xiàng)性能[1-2]。孫世國(guó)等[2]對(duì)鋼渣粉和粉煤灰對(duì)鋼渣混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了深入研究，實(shí)驗(yàn)表明摻入鋼渣粉能夠優(yōu)化混凝土的流動(dòng)性、延長(zhǎng)其凝結(jié)時(shí)間且使坍落度增大。費(fèi)帆等[4]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣與礦渣之比控制在4∶6左右時(shí)可以提升海工混凝土的力學(xué)性能。鄭瑋[5]研究得出當(dāng)水膠比一定時(shí)，礦灰比增加，混凝土坍落度增大，和易性得到改善。針對(duì)鋼渣和礦渣對(duì)混凝土坍落度的影響，課題組采用控制變量法，原始配合比恒定，改變摻合料占膠凝材料的比例，研究鋼渣和礦渣對(duì)混凝土配合比的影響，可為進(jìn)一步研究混凝土的抗凍性和抗?jié)B性提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：安徽海螺水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥；鋼渣：靈壽縣匯巖礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)的鋼渣粉；礦渣：S95級(jí)礦渣；粗集料：碎石，粒徑為5～25 mm，級(jí)配連續(xù)，石子表面干凈；細(xì)集料：河沙，級(jí)配良好；水：自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)采用C30混凝土，依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]的要求，對(duì)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，按照J(rèn)TG E30—2005《公路工程及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[7]中的水泥混凝土拌合物稠度實(shí)驗(yàn)方法即坍落度儀法進(jìn)行和易性實(shí)驗(yàn)。坍落度測(cè)試通過標(biāo)準(zhǔn)坍落度測(cè)試進(jìn)行，并且坍落度在10～30 mm才能滿足要求。實(shí)驗(yàn)儀器包括搗棒、塌落筒、漏斗、鏝刀、小鋼尺等，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)器材Fig.1 Experimental equipments

1.3 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)

普通混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟主要依照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》。依據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)的各種要求，水膠比為0.5，膠凝材料用量為370 kg/m3，用水量為185 kg/m3，砂率為35%，坍落高度為10～30 mm，基準(zhǔn)混凝土通過調(diào)試攪拌形成的混凝土配合比例如表1所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

(1)為了研究鋼渣礦渣復(fù)合摻合料對(duì)混凝土配合比的影響，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4組鋼渣和礦渣混合質(zhì)量占膠凝材料不同比例(10%、20%、30%、40%)的C30混凝土和1組空白實(shí)驗(yàn)，其中礦渣和鋼渣分別按照1∶0、6∶4、4∶6、0∶1的比例配制混凝土復(fù)合摻合料。

(2)根據(jù)表1中單位體積C30混凝土配合比所需的材料進(jìn)行稱量并攪拌。

由于鋼渣和礦渣對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響較大，所以首先按照摻合料占膠凝材料的40%進(jìn)行坍落度實(shí)驗(yàn)。將混凝土拌合物按規(guī)定放入規(guī)范的圓錐坍落度筒內(nèi)，填滿后用鏝刀刮平，垂直提起，整個(gè)過程控制在150 s內(nèi)。自重混凝土拌合物將會(huì)發(fā)生坍落現(xiàn)象，量出坍落度尺寸為31 mm，不在10～30 mm，不能滿足混凝土的流動(dòng)性，故對(duì)混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整。在水膠比恒定的條件下，適當(dāng)減少用水量，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定用水量為175 kg/m3，測(cè)得坍落度為28 mm，可滿足要求。坍落度筒提起后，只從底部分流出較少的稀水泥漿，表明混凝土的保水性較好，用搗棒輕輕敲擊倒塌的混凝土錐的一側(cè)，錐體逐漸下沉，表現(xiàn)出良好的黏聚力。最終得出單位體積C30混凝土的配合比，具體見表2。

表1 單位體積C30混凝土各材料用量Tab.1 Consumption of each material of unit volume C30 concrete kg/m3

表2 調(diào)整后單位體積C30混凝土所需材料用量Tab.2 Required amount of material per unit volume C30 concrete after adjustment kg/m3

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，鋼渣和礦渣含量越高，其混凝土流動(dòng)性越大，摻入40%摻合料等量代替膠凝材料的混凝土的和易性可滿足相關(guān)規(guī)范要求，摻入其他比例如0%、10%、20%、30%的鋼渣和礦渣也可滿足規(guī)范要求。

2 結(jié)果與分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可知，在原配合比恒定的條件下，滿足混凝土的和易性規(guī)定，摻入0%、10%、20%、30%、40%鋼渣和礦渣等量代替膠凝材料，得出了鋼渣和礦渣對(duì)混凝土和易性影響的最優(yōu)配合比,如表3所示。

表3 單位體積C30混凝土所需各材料用量Tab.3 Amount of each material required for C30 concrete per unit volume

摻入0%、10%、20%、30%、40%的鋼渣和礦渣等量代替膠凝材料，混凝土的塌落度關(guān)系如表4所示。

表4 不同比例摻合料等量代替膠凝材料的混凝土塌落度Tab.4 Collapse degree of concrete with different proportion admixtures equal amount of substitute cementing materials

2.1 鋼渣礦渣復(fù)合摻合料與混凝土的塌落度損失隨時(shí)間變化關(guān)系

表5 摻合料與混凝土坍落度損失的關(guān)系Tab.5 Relationship between admixtures and concrete collapse degree

由上述可知，隨著摻量的增大，混凝土的坍落度增大。在常溫狀態(tài)下，先按照占膠凝材料40%的鋼渣礦渣復(fù)合摻合料研究混凝土的損失，再加1組對(duì)照組，其摻合料與混凝土坍落度損失的關(guān)系見表5。由表5可知，不加入任何摻合料的混凝土坍落度損失隨時(shí)間減少，摻入40%的摻合料對(duì)混凝土坍落度損失的影響并不大。

2.2 鋼渣代替膠凝材料對(duì)混凝土坍落度的影響

混凝土坍落度隨摻合料的增加呈線性增加，流動(dòng)性滿足規(guī)范要求。通過實(shí)驗(yàn)觀察可知，隨著摻合料的減少，自底部析出的稀水泥漿減少，當(dāng)摻合料的比例為10%時(shí)，底部無稀水泥漿，混凝土的黏聚性較好。

2.3 礦渣代替膠凝材料對(duì)混凝土坍落度的影響

混凝土坍落度隨著摻合料的增加呈非線性增加，當(dāng)?shù)V渣占膠凝材料的0%～10%時(shí)，坍落度增加緩慢。通過實(shí)驗(yàn)觀察可知，隨著摻合料的減少，自底部析出的稀水泥漿減少，當(dāng)摻合料的比例為20%時(shí)，底部無稀水泥漿，混凝土的黏聚性良好。

2.4 不同比例鋼渣和礦渣代替膠凝材料對(duì)混凝土坍落度的影響

由表4可知，鋼渣和礦渣按照6∶4和4∶6比例的復(fù)合摻合料對(duì)混凝土坍落度的影響更大，當(dāng)復(fù)合摻合料占20%時(shí)相差最大。由此可見，鋼渣比礦渣對(duì)混凝土坍落度的影響略大。

3 結(jié)論

(1)在配合比相同的條件下，混凝土坍落度隨著摻入鋼渣和礦渣比例的增加呈非線性增加，鋼渣比礦渣對(duì)混凝土坍落度的影響更大。

(2)混凝土適當(dāng)摻入鋼渣和礦渣可減少用水量，并改善混凝土的和易性。

(3)在水膠比不變的情況下，鋼渣和礦渣復(fù)合摻合料的含量越高，含水量也越高，對(duì)混凝土的抗凍性也有一定影響。

(4)在常溫狀態(tài)下，適當(dāng)添加摻合料可以減少混凝土的損失。