鋼渣微粉與粉煤灰復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土力學(xué)性能與耐鹽凍性的影響

韓 凝

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

鋼渣是煉鋼廠在冶煉粗鋼時(shí)所排放的固體廢棄物。因其冶煉方式的不同，鋼渣的特性也有所不同，我國(guó)主要以轉(zhuǎn)爐鋼渣為主。近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，用鋼量逐漸增加，隨之而來(lái)的鋼渣排放量也逐年增加，2016年鋼渣的產(chǎn)量約為0.65～1.2億t，尚未利用的鋼渣存放量高達(dá)10億t。2018年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為9.28億t，當(dāng)年的鋼渣排放量為1.39億t[1]。

在我國(guó)，鋼渣目前可用于返回經(jīng)循環(huán)、水泥混凝土摻和料、筑路以及建材方面，利用率僅為22%[2]。我國(guó)鋼渣在建筑材料中的應(yīng)用主要為回填、道路、水泥熟料等[3]。鋼渣中含有金屬鐵，鐵的氧化物含量高，具有耐磨性好、抗壓強(qiáng)度高、抗凍性能好等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于道路混凝土材料中具有先天優(yōu)勢(shì)[4]。

本文選用了經(jīng)磨細(xì)后的鋼渣微粉，研究其單摻以及與粉煤灰復(fù)合作業(yè)對(duì)道路用混凝土力學(xué)性能、耐鹽凍性能的影響。其中鹽凍性能的考察溶液為3.5%是基于文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上。楊全兵等人研究了混凝土的鹽凍破壞機(jī)理[5-7]，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算證明了濃度為2%～6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaCl溶液將產(chǎn)生最大的結(jié)冰壓，從而形成最嚴(yán)重的混凝土鹽凍破壞。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：海螺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；鋼渣微粉：山西太鋼哈斯科科技有限公司產(chǎn)，比表面積為434 m2/kg，水泥與鋼渣微粉的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 水泥與鋼渣的化學(xué)組成

表2 水泥的物理力學(xué)性能 MPa

1.2 試驗(yàn)方法

a）物理力學(xué)性能 依據(jù)水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）（GB/T17671—1999）進(jìn)行制樣與測(cè)試。力學(xué)參數(shù)為抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。

b）耐鹽凍性能 采用快凍法進(jìn)行測(cè)試，采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082—2009）。快速凍融裝置應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土抗凍試驗(yàn)設(shè)備》JG/T243的相關(guān)規(guī)定。力學(xué)參數(shù)為動(dòng)彈性模量。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

本文研究鋼渣微粉不同摻量下，混凝土力學(xué)性能、耐鹽凍性能的變化；以及在鋼渣微粉用量固定的基礎(chǔ)上，復(fù)摻不同比例的粉煤灰，研究其復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土力學(xué)性能、耐鹽凍性能的變化。具體配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 細(xì)石混凝土配合比設(shè)計(jì)（鋼渣微粉+粉煤灰）

2 力學(xué)性能與耐鹽凍性試驗(yàn)

依據(jù)表3配合比進(jìn)行制樣，待養(yǎng)護(hù)齡期結(jié)束后，進(jìn)行力學(xué)性能與耐鹽凍性能的測(cè)試。力學(xué)性能指標(biāo)為抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。耐鹽凍性能指標(biāo)為動(dòng)彈性模量的變化率（正值為提高，負(fù)值為降低）。

注：before表示混凝土經(jīng)受凍融前抗折強(qiáng)度值；after表示混凝土經(jīng)受75次凍融試驗(yàn)后抗折強(qiáng)度值。

2.1 鋼渣微粉對(duì)混凝土力學(xué)性能與耐鹽凍性能的影響

圖1 鋼渣粉摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖1所示為鋼渣微粉摻量變化對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。由圖1可見(jiàn)，在未進(jìn)行凍融試驗(yàn)前，混凝土的抗折強(qiáng)度隨著鋼渣微粉摻量的增加逐漸降低。在摻量為15%時(shí)，衰減的速率開(kāi)始減緩。在經(jīng)受75次凍融試驗(yàn)后，混凝土的抗折強(qiáng)度隨鋼渣微粉摻量的變化與初始值的變化是不同的。隨著鋼渣微粉摻量的逐漸增加，抗折強(qiáng)度先增長(zhǎng)后降低，在摻量為10%的時(shí)候，達(dá)到了最高值。除不摻鋼渣微粉的基準(zhǔn)混凝土外，其他混凝土的抗折強(qiáng)度經(jīng)受凍融循環(huán)試驗(yàn)后，均有所提高。

圖2 鋼渣粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2所示為鋼渣微粉摻量變化對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果，在未進(jìn)行凍融試驗(yàn)前，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣微粉摻量的增加逐漸降低。在鋼渣微粉摻量為5%時(shí)，有0.5 MPa的增長(zhǎng)。在經(jīng)受75次凍融試驗(yàn)后，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鋼渣微粉摻量的變化與初始值的變化是相似的。隨著鋼渣微粉的摻量逐漸增加，抗壓強(qiáng)度先增長(zhǎng)后降低，在摻量為15%的時(shí)候，達(dá)到了最高值。鋼渣微粉的摻量為10%、15%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度值在經(jīng)受凍融循環(huán)試驗(yàn)后，有所提高。

圖3 鋼渣粉用量變化對(duì)混凝土彈性模量變化的影響

圖3為鋼渣微粉摻量變化對(duì)混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)時(shí)彈性模量的影響結(jié)果。在經(jīng)受25次、50次凍融循環(huán)后，彈性模量的變化不存在明顯的變化規(guī)律，但在經(jīng)受75次凍融循環(huán)后，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)生了較大變化，彈性模量均高于未經(jīng)受凍融循環(huán)前。

2.2 鋼渣微粉與粉煤灰復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土力學(xué)性能與耐鹽凍性能的影響

圖4 鋼渣粉與粉煤灰復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖4、圖5所示為鋼渣微粉與粉煤灰復(fù)摻對(duì)混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。在鋼渣用量一定的前提下，隨著粉煤灰用量的增加，抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化是一致的，均在粉煤灰用量為10%時(shí)，達(dá)到最高值，這一點(diǎn)在經(jīng)受凍融前后基本也是一致的。

圖5 鋼渣粉與粉煤灰復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 鋼渣粉與粉煤灰復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量變化的影響

圖6為鋼渣微粉與粉煤灰復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)時(shí)動(dòng)彈性模量的影響結(jié)果。在經(jīng)受25次、50次凍融循環(huán)后，動(dòng)彈性模量均在粉煤灰用量10%為低值。但在經(jīng)受75次凍融循環(huán)后，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)生了較大變化，動(dòng)彈性模量均高于未經(jīng)受凍融循環(huán)前。

3 結(jié)論

a）隨著鋼渣微粉摻量的增加，抗折強(qiáng)度逐漸下降；抗壓強(qiáng)度僅在用量為5%時(shí)，有近0.5 MPa的提高。在經(jīng)歷75次的凍融循環(huán)試驗(yàn)后，鋼渣微粉對(duì)混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)發(fā)生了較大變化，抗折強(qiáng)度在10%時(shí)、抗壓強(qiáng)度在15%時(shí)達(dá)到了最高值。鋼渣微粉的用量變化對(duì)凍融循環(huán)過(guò)程中（25次、50次）彈性模量的影響不具有規(guī)律性，但在75次后，規(guī)律明顯，隨著鋼渣微粉用量的增加，彈性模量也逐漸增加。

b）在鋼渣微粉用量為5%的基礎(chǔ)上，復(fù)摻粉煤灰對(duì)抗折、抗壓強(qiáng)度的影響基本是一致的，均在粉煤用量為10%時(shí)，達(dá)到高值。在經(jīng)歷75次的凍融循環(huán)試驗(yàn)后，復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土力學(xué)性能、凍融循環(huán)中彈性模量的影響與之前是一致的。

c）鋼渣微粉與粉煤灰復(fù)合效應(yīng)有助于改善混凝土的力學(xué)性能與耐鹽凍性能。