不同水膠比條件下鋼渣混凝土力學(xué)性能研究

摘要：鋼渣是常見的廢棄物，如果不能合理回收利用會對環(huán)境造成污染。因此為了研究鋼渣廢棄物制備混凝土材料的可行性，本文采用試驗的方式對不同水膠比條件下鋼渣混凝土的力學(xué)性能進行分析，結(jié)果表明：合理添加外加劑可以使鋼渣混凝土性能與普通混凝土接近，利用鋼渣廢料制備混凝土具有可行性?；炷林苽鋾r應(yīng)選擇較小的水膠比和適量的鋼渣為宜。以上研究可為類似混凝土工程提供參考。

關(guān)鍵詞：水膠比；鋼渣混凝土；抗壓強度；干縮值；碳化深度

中圖分類號：TU52""""""""" 文獻標(biāo)志碼：A

為了防止廢棄鋼渣造成環(huán)境污染，可以將鋼渣代替混凝土中部分水泥，以改善混凝土的力學(xué)性能，因此學(xué)者們對鋼渣混凝土的力學(xué)性能進行多方面研究。林東等[1]對鋼渣骨料在混凝土中的應(yīng)用進行研究，研究結(jié)果表明：混凝土摻入適量的鋼渣，會明顯增強混凝土的抗壓強度，但會降低混凝土的工作性能，混凝土水膠比越大，其抗壓強度越大。杜濱等[2]研究了鋼渣碳化工藝對混凝土抗壓強度的影響，研究結(jié)果表明：鋼渣混凝土經(jīng)過碳化后，其抗壓強度明顯高于普通混凝土。張仁巍等[3]對高強鋼渣混凝土工作性能和抗壓強度進行研究，研究結(jié)果表明：當(dāng)混凝土適量摻入鋼渣時，可制成C60的高強鋼渣混凝土，在水膠比較小的條件下，隨著鋼渣摻量增加，鋼渣混凝土的坍落度和抗壓強度減少。

根據(jù)以上學(xué)者對鋼渣混凝土的抗壓強度、碳化性能進行研究，本文總結(jié)了鋼渣混凝土的力學(xué)性能，并深入研究了混凝土的耐久性能。通過在不同水膠比，不同鋼渣摻量條件下，對堿性氧爐鋼渣混凝土進行抗壓強度、干縮性能和碳化性能試驗，分析了不同養(yǎng)護齡期時的混凝土的力學(xué)性能。

1材料與方法

1.1試驗材料

本次試驗原料采用硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，滿足《通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》（GB175—2007）的相關(guān)規(guī)定。鋼渣采用經(jīng)過磨細(xì)處理的堿性氧爐鋼渣，密度為462kg/m3。試驗采用鋼渣的化學(xué)組成構(gòu)成和含量見表1。

試驗用混凝土的粗骨料粒徑為5mm～25mm的石灰石碎骨料。采用天然河砂作為細(xì)集料，細(xì)度模數(shù)為2.8。外加劑選擇聚羧酸系超塑化劑（PS），對混凝土的流動性質(zhì)進行調(diào)整。試驗設(shè)計了兩種混凝土，其水膠比（W/B）分別為0.6與0.4，初始坍落度為16cm～19cm。兩種混凝土的混合比見表2和表3。

1.2試驗方法

本次試驗選擇長度×寬度×高度分別為100mm×100mm×100mm的混凝土試件，將其置于20℃與95%相對濕度的環(huán)境中進行養(yǎng)護。當(dāng)養(yǎng)護時間分別達到3天、1周、4周和90天時，依次對混凝土抗壓強度進行測取。

當(dāng)進行干燥收縮試驗時，選擇長度、寬度和高度分別為100mm、100mm和515mm的試件進行干燥收縮試驗，將試件置于20℃與95%相對濕度的養(yǎng)護環(huán)境中，連續(xù)養(yǎng)護3天，濕度變成65%，同時在試件兩邊設(shè)置收縮測量元件，分別對第3天、第一周、第四周和90天混凝土的收縮量進行檢測。

首先將試樣置于20℃與65%相對濕度養(yǎng)護條件下，依次養(yǎng)護3天與4周時間，其次進行3天和4周的碳化處理，最后在對試件的碳化情況進行測量。

2結(jié)果與分析

2.1水膠比不變條件下混凝土抗壓強度

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得出在水膠比不變條件下，鋼渣對混凝土抗壓強度性能的影響曲線，如圖1、圖2所示，當(dāng)水膠比為0.6與0.4時的混凝土抗壓強度性能受鋼渣的影響，隨著鋼渣含量增加，混凝土抗壓強度會降低，而且更早階段的混凝土抗壓強度受影響更大。對兩種水膠比情況而言，養(yǎng)護3天后的混凝土抗壓強度降幅都比鋼渣置換量要多，同時，鋼渣含量為48%的混凝土養(yǎng)護3天后的抗壓強度很低，早期階段的鋼渣活性明顯不如水泥，水泥的早期水化速度因摻入鋼渣而減慢。如圖1所示，當(dāng)水膠比為0.6時，如果鋼渣摻量等于32%或48%，那么養(yǎng)護90天后的鋼渣混凝土的抗壓強度明顯不如一般的混凝土。如圖2所示，當(dāng)水膠比為0.4時，增加養(yǎng)護時間能夠提升鋼渣混凝土的抗壓強度，使其與一般混凝土接近。

圖3為鋼渣混凝土的相對抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化情況，根據(jù)抗壓強度與純水泥情況下的抗壓強度之比計算相對抗壓強度。圖3表明，增加養(yǎng)護時間能夠提升鋼渣混凝土的相對抗壓強度。而且，摻入鋼渣的混凝土經(jīng)過三天時間的養(yǎng)護后，其抗壓強度上升速度要比純水泥混凝土更快。同時，與水膠比為0.6的情形相比，當(dāng)水膠比為0.4時，具備32%或48%鋼渣比例的混凝土的抗壓強度更大。由此可見，對水膠比比較小的情況來說，鋼渣會降低混凝土的抗壓強度，通過加深鋼渣的反應(yīng)程度，能夠增加混凝土抗壓強度。鋼渣在直接影響混凝土后期強度的同時，還會產(chǎn)生間接性的影響，鋼渣反應(yīng)對水的需求比較低，因此增加水膠比能夠加深水泥后期的水化程度。相關(guān)研究指出，當(dāng)水膠比較小時，鋼渣能夠產(chǎn)生更明顯的間接影響，這是水膠比較低情況下鋼渣混凝土抗壓強度比較高的成因，因此僅需要少數(shù)水化產(chǎn)物填充混凝土的孔隙。

2.2水膠比不變條件下混凝土干縮性能

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可得出在水膠比不變條件下，鋼渣對混凝土干縮性能的影響曲線。在水膠比為0.6與0.4的情況下，鋼渣混凝土的干燥收縮率性能隨齡期的變化，如圖4、圖5所示。

圖4顯示，不同鋼渣含量混凝土在養(yǎng)護90天后的干縮量相差不多，鋼渣含量為0即純水泥情況對應(yīng)的干縮量最少。同時，與純水泥混凝土相比，鋼渣含量較高的混凝土在養(yǎng)護40天內(nèi)的干縮量變化最大。對水膠比和鋼渣含量均較高的情況來說，因為粘結(jié)料的水化過程比較緩慢，早中期會失去比較多的水分，所以會導(dǎo)致鋼渣混凝土的干縮量快速增加。與圖4中的混凝土相比，圖5因為對應(yīng)的水膠比較?。?.4），所以鋼渣混凝土在養(yǎng)護90天后的干縮量比較小。此外，由圖5可知，不同鋼渣含量的混凝土在干縮量變化走勢方面具有共性，當(dāng)養(yǎng)護時間相同時，對應(yīng)的干縮量相差不大，這說明對水膠比較小的混凝土來說，鋼渣含量的影響幾乎可以忽略。

2.3水膠比不變條件下混凝土碳化深度性能

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可得在水膠比不變的條件下，鋼渣對混凝土碳化深度性能的影響曲線。經(jīng)過20℃和95%相對濕度條件養(yǎng)護3天后的鋼渣混凝土在加速碳化條件中放置4周后的碳化深度情況，如圖6所示。

圖6顯示，對水膠比較低的鋼渣混凝土來說，其對應(yīng)的碳化深度也比較低，具備較小水膠比的混凝土強度更高且孔隙結(jié)構(gòu)更多，因此能夠提高其抗碳化水平。綜合來講，當(dāng)水膠比恒定時，提高鋼渣含量能夠加深鋼渣混凝土的碳化深度。當(dāng)水膠比為0.6時，混凝土在鋼渣置換比例為15%時對應(yīng)的碳化強度輕微上升。然而鋼渣置換比例等于32%或48%情況下的混凝土碳化深度明顯增加。當(dāng)水膠比為0.4時，混凝土碳化強度受鋼渣的影響更小。

經(jīng)過4周標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件養(yǎng)護和加速碳化條件作用后，鋼渣混凝土的碳化深度見表4。

對比表4與圖6能夠得到，增加初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護時間能夠提高鋼渣混凝土的抗碳化能力。延長初始養(yǎng)護時間能夠增加鋼渣混凝土的密實度，有助于防止二氧化碳滲透到混凝土里。在水膠比為0.6的情況下，16%與32%的鋼渣置換比例基本上無法改變混凝土的碳化深度，而48%的鋼渣置換比例能夠提升混凝土的碳化深度。同時，由圖1可知，經(jīng)過4周的初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后，水膠比為0.6，鋼渣含量為48%的混凝土的抗壓強度為15. 1MPa，不到純水泥混凝土的1/3。因此，鋼渣含量為48%的混凝土對應(yīng)的抗壓強度較低，容易發(fā)生二氧化碳向混凝土滲透的情況，且對應(yīng)的碳化深度比較高。當(dāng)水膠比等于0.4時，不同鋼渣含量的混凝土的碳化強度均處于極低的水平，說明這種水膠比情況下的鋼渣混凝土防碳化的能力很強。

3結(jié)論

在不同水膠比條件下，本文通過對堿性氧爐鋼渣混凝土進行力學(xué)性能和耐久性能研究，并分析了鋼渣混凝土的抗壓強度、干縮性能及碳化深度性能，得到以下結(jié)論。1）混凝土中鋼渣的摻量越高，鋼渣混凝土的抗壓強度越低。當(dāng)水膠比為0.4時，養(yǎng)護90天后的鋼渣混凝土的抗壓強度與普通混凝土接近。干縮值變化減少，隨著齡期增加，鋼渣混凝土的干縮值基本相近。2）水膠比較低的混凝土的碳化深度較小，鋼渣混凝土中摻入的鋼渣越多，其碳化深度越大。當(dāng)水膠比為0.4時，與水膠比0.6的鋼渣混凝土相比，其碳化深度較小。3）混凝土制備時應(yīng)選擇較小的水膠比和適量的鋼渣。由于混凝土的性能與原材料性質(zhì)有關(guān)，因此在應(yīng)用中，需要結(jié)合項目實際驗證研究結(jié)論。

參考文獻

[1]林東，葉門康，詹國良等. 鋼渣骨料在混凝土中的應(yīng)用研究[J]. 廣東建材，2020，36（9）：13-15.

[2]杜濱，尹鳳交，王壽權(quán)，等. 鋼渣碳化工藝對混凝土抗壓強度的影響[J]. 山東化工，2020，49（16）：43-44，53.

[3]張仁巍，林君，黃晶晶，等. 高強鋼渣混凝土工作性能和抗壓強度的試驗研究[J]. 常州工學(xué)院學(xué)報，2020，33（3）：1-4.