碳化鋼渣集料制備透水混凝土*

吳昊澤，徐東宇

（1.山東省水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗站；山東濟南250022；2.濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點實驗室，山東濟南250016）

0 前言

鋼渣是煉鋼工業(yè)中所產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，由于鋼渣早期水化活性低、安定性不良，鋼渣的應用受到限制[1-3]。應用碳化養(yǎng)護，可以快速將CO2固化儲存在鋼渣中[4]，有效改善其安定性不良等問題[5-7]，應用碳化鋼渣可制備人造集料[8-9]。近幾年來，我國對透水混凝土展開了廣泛研究和應用[10]。透水混凝土具有孔隙大、透水率高、抗凍性等特點，可以在極端天氣下加快城市排水和地下水循環(huán)[11]。現(xiàn)有的透水混凝土因石子骨料之間的孔隙導致混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，后期易發(fā)生收縮斷裂，從而影響了混凝土的力學性能和耐久性[12]。本課題利用碳化鋼渣制備集料，研究不同摻量下碳化鋼渣集料替代石子骨料對透水混凝土抗壓強度、孔隙率、透水率及抗凍性的影響，

1 試驗

1.1 原材料

水泥：山東山水集團生產(chǎn)P·O42.5，密度3.07g/cm3，初凝和終凝時間分別為180min和270min，3d和28d抗壓強度分別為24.8MPa及55.1MPa；粉煤灰：濟南黃臺電廠生產(chǎn)F類Ⅱ級，密度2.77 g/cm3，比表面積434m2/kg，燒失量4.84%；粗集料：平安建設混凝土攪拌站用石灰?guī)r碎石，粒徑4.75～9.5mm，連續(xù)級配，表觀密度2.59g/cm3，堆積密度1.46g/cm3，壓碎指標9.7%，針片狀含量8.7%，孔隙率35.7%，吸水率0.8%；鋼渣：齊河永鋒鋼鐵集團生產(chǎn)，熱悶磁選后，經(jīng)鄂破、篩分得粒徑4.75～9.5 mm，連續(xù)級配；聚羧酸減水劑：固含量42%，減水率26%；水：自來水。

應用Burke S8熒光分析儀檢測原材料的主要化學成分，其結(jié)果見表1。

表1 原材料的主要化學成分 %

1.2 實驗方法

在粒徑4.75～9.5 mm鋼渣顆粒表面，按液固比0.15kg/kg進行噴水（水中溶有5%的自制碳化增強劑CNH40），在相對濕度70%～90%的反應釜中通入CO2濃度為30%～40%的鋼廠配套石灰窯尾廢氣，進行鋼渣集料碳化養(yǎng)護360 min。按GB/T14685—2011《建設用卵石、碎石》測定鋼渣集料性能；應用Burke D8 Advance XRD和日立S-2500 SEM測定鋼渣碳化前后的礦物組成及微觀形貌。

參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》和CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》設計碳化鋼渣集料透水混凝土，混合料采用“水泥裹石法”[13]進行攪拌成型。按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定試件28d抗壓強度；按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試試件工作性能；采用浸水質(zhì)量法進行孔隙率測試；按照CJJ/T135—2009測試試件透水系數(shù)；抗凍性采用快速凍融循環(huán)法（設置溫度：-5～5℃，循環(huán)周期：2.5h，循環(huán)次數(shù)：50次）。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳化鋼渣集料性能

按照標準測定鋼渣集料性能，表2為測試結(jié)果。與原鋼渣相比，碳化鋼渣集料的表觀密度、堆積密度分別增加了6.84%及7.25%；針片狀含量變化不大；孔隙率、吸水率和壓碎指標分別降低了20.45%，55.34%及36.39%。與石灰?guī)r碎石相比，碳化鋼渣集料的表觀密度和堆積密度為碎石的1.27和1.42倍，針片狀含量比碎石高3.14%，孔隙率和吸水率為碎石的84.42%及88.75%。

表2 碳化鋼渣集料性能

分別取未處理鋼渣和碳化鋼渣集料粉磨過篩，進行XRD及SEM觀測。圖1為XRD圖譜，從圖中高的背底可以看出其含有一定量的玻璃體。碳化鋼渣集料碳酸鹽的衍射峰增強較為明顯，而Ca(OH)2衍射峰基本消失，C2S、C3S等礦物的衍射峰強度消減，說明這些礦物經(jīng)反應生成了碳酸鹽。圖2為SEM照片，與未處理鋼渣相比，存在大量顆粒狀晶體結(jié)晶。由于鋼渣礦物組成的原因（含金屬成分高），鋼渣集料表觀密度和堆積密度均高于石灰?guī)r碎石，而鄂破、篩分的生產(chǎn)工藝致使鋼渣集料針片狀含量的增高。但經(jīng)碳化處理，鋼渣中碳酸鹽礦物的結(jié)晶生成，鋼渣集料更加致密，導致與未處理鋼渣相比孔隙率和吸水率下降較為明顯，壓碎值有較大幅度提高，但其壓碎值相較于石灰?guī)r碎石仍有不足。采用硫酸鈉溶液法測試測試堅固性，碳化鋼渣集料質(zhì)量損失為2.7%，與石灰?guī)r碎石（2.4%）相差不大。

2.2 透水混凝土性能

碳化鋼渣集料透水混凝土水膠比采用0.30，外加劑摻量2.0%，其配合比見表3。A02與A01相比，28d抗壓強度降低1.54 MPa，凍融循環(huán)后強度損失率增加了1.2%，其他性能性差不大，因此用A02試件作為對比空白樣（即采用粉煤灰內(nèi)摻15%）。

圖1 碳化鋼渣集料XRD圖譜

圖2 碳化鋼渣集料SEM照片

表3 碳化鋼渣集料透水混凝土配合比 kg/m3

表3是碳化鋼渣集料透水混凝土抗壓強度，隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從10%至50%遞增，抗壓強度降低率依次為20.24%,29.96%,42.51%、47.73%及51.01%，碳化鋼渣集料組抗壓強度降低率依次為4.45%,15.38%,30.36%,36.44%及41.29%。由于碳化致使鋼渣集料致密性提高，壓碎值得以改善，用碳化鋼渣集料配制的透水混凝土抗壓強度明顯較好。當處理鋼渣顆粒取代碎石的量達到10%時，抗壓強度已低于20MPa，替代量達到30%時，強度已低于15MPa；而碳化鋼渣集料取代碎石的量達到20%，透水混凝土強度為20.9MPa。

表3 試件28d抗壓強度 MPa

由表4可見，相對于空白樣，加入鋼渣集料均能提高孔隙率，這一方面是由于針片狀含量較多，另一方面是由于鋼渣集料表面致密度較碎石較差。隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從10%至50%遞增，孔隙率提高率依次為5.52%，7.97%，9.81%，12.88%及15.95%，碳化鋼渣集料組孔隙率變化率依次為-1.22%，0，5.52%，4.29%及9.81%。對于孔隙率的提高，碳化鋼渣集料不如未處理鋼渣顆粒，甚至在替代量10%時，孔隙率略有降低。

表4 試件孔隙率 %

透水系數(shù)的透水混凝土的重要性能。表5是碳化鋼渣集料透水混凝土透水系數(shù)，隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從10%至50%遞增，透水系數(shù)提高率依次為8%，12%，20%，16%及24%，碳化鋼渣集料組透水系數(shù)提高率依次為12%，12%，16%，16%及24%。鋼渣集料的加入有利于透水系數(shù)的提高，當碳化鋼渣集料取代量達到20%時，透水系數(shù)達到了2.8 mm/s，但透水系數(shù)的增加并沒有與替代量呈現(xiàn)出線性關(guān)系，這說明透水系數(shù)并不完全取決于孔隙率。

表5 試件透水系數(shù) mm/s

表6為為凍融循環(huán)質(zhì)量和強度損失變化，在質(zhì)量損失方面，與空白樣相比，碳化鋼渣集料透水混凝土變化較小，這從一方面說明其耐久性良好，而隨著未處理鋼渣顆粒取代碎石的量從10%至50%遞增，質(zhì)量損失依次為空白樣的1.43，1.65，1.73，1.76及1.95倍。在強度損失方面，當碳化鋼渣集料取代量為10%和20%時，與空白樣的強度損失幾乎相同，而隨著取代量進一步增大，呈現(xiàn)上升趨勢；而未處理鋼渣顆粒的強度損失較高（替代20%時，強度損失就已經(jīng)達到了15.6%）。

表6 試件抗凍性 %

3 結(jié)語

（1）研究用碳化集料代替普通集料，制備透水混凝土。利用XRD和SEM觀測集料表面的礦物組成和微觀形貌。

（2）通過碳化預處理，鋼渣集料的孔隙率、吸水率和壓碎指標分別降低20.45%，55.34%及36.39%，集料的性能得到部分優(yōu)化。

（3）研究不同粗骨料替代量時，碳化鋼渣集料對透水混凝土的工作性能、力學性能和耐久性的影響，碳化鋼渣集料在透水混凝土中的合理替代20%碎石時，透水混凝土28 d抗壓強度21.9 MPa，孔隙率16.3%，透水系數(shù)2.8 mm/s，凍融循環(huán)質(zhì)量和強度損失率分別為3.6%和10.1%。