钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研究

[摘　要] 　本试验是用钢渣等体积全部替代石子配制钢渣混凝土，并与同强度等级的普通混凝土的多项力学性能和耐久性进行对比。试验结果表明，钢渣混凝土的抗压强度、抗弯强度、劈拉强度和耐磨性都明显优于普通混凝土，其抗冻性与普通混凝土近似相同，并且由于钢渣混凝土的吸水率小于普通混凝土，则其抗氯离子渗透性略好于普通混凝土，耐久性能满足要求，即钢渣混凝土的强度和耐久性总体来说要优于普通混凝土。

[关键词] 　钢渣； 　混凝土； 　力学性能；　耐久性

0 　引言

      钢渣是炼钢过程中，伴随产出的一定数量的工业副产品，被称为冶金工业的头号废渣，世界各国每生产1t 粗钢要产生约160kg 的钢渣。长期以来，钢渣作为废物抛弃，占用良田，污染环境，因此，各产钢国都已将钢渣利用的问题提到了重要议事日程，并投入了大量的人、财、物力进行开发和应用。目前，利用钢渣替代混凝土中的砂子掺到粉煤灰混凝土中作道路材料和将钢渣磨细来制作水泥等方面已有了相关报道。但用钢渣替代粗集料配置钢渣混凝土的研究并不多见，本文拟用钢渣等体积全部替代普通混凝土中的粗集料进行钢渣混凝土配制，并对其多项力学性能和耐久性进行试验研究。

1 　试验原材料

     本试验所采用的水泥是哈尔滨水泥厂生产的P· O 32.5 R 水泥。其物理性能指标见表1 。

　　本试验所采用的砂、石均符合《建筑用卵石、碎石》标准中Ⅰ类技术要求。本试验所采用的钢渣是阿城钢厂的转炉钢渣，存放期在两年以上。该钢渣是高温熔融状态下水淬急冷而形成的块状钢渣，呈黑色，质较轻(但比石子重) ， 气孔较多，粒度在30mm 以下。其化学成分详见表2 。

　　我们所采用的钢渣根据其化学成分计算得出碱度为1.27 ，即为低碱度渣。钢渣的物理力学性能见表3 。

　　钢渣的颗粒级配见表4 。

　　取粒径大于10mm 的块状钢渣1200g ，在(105 ± 5) ℃下烘干到恒重，然后对其吸水性进行测定。试验数据见表5 。

　　由表5 可绘出钢渣吸水率与时间的关系，见图1 。可以看出，在刚开始，钢渣的吸水性表现得很明显，尤其在前4 个小时中，钢渣的吸水量达到40g。慢慢地， 钢渣的吸水能力逐渐减弱，在水中浸泡12h 之后，钢渣的吸水性就不是很显著，在48h 之后，钢渣的吸水率就基本没有变化。本试验所采用的水是符合国家标准的生活饮用水。

2 　试验配比

     为了较好地对比出钢渣混凝土与普通混凝土在力学性质和耐久性上的差别，采用钢渣等体积全部替代普通混凝土中的粗集料进行对比性试验。由于钢渣混凝土的配制还没有一个成熟的配制方法，本试验是参照普通混凝土配合比进行的。试验的水灰比主要是依据所需混凝土的配制强度和水泥的实际强度确定的。在配制钢渣混凝土中，作为粗集料的钢渣为块状钢渣，与碎石相比，其表面非常粗糙， 远大于碎石，故钢渣作粗集料时混凝土拌合物的需水量比普通混凝土要大。为了确定出该混凝土的合理砂率，试验配制了同水灰比，不同砂率的五组钢渣混凝土，分别测定了其对应坍落度和28d 抗压强度。获得砂率为37 %时，坍落度达到最大值，同时测得混凝土的粘聚性和保水性良好。

     由上述分析，设计的强度等级为C30 的钢渣混凝土，其试验配合比为: 水灰比为0145 ， 用水量为200kg/m3 ， 水泥用量为444kg/ m3 ， 钢渣用量为1356kg/ m3 ，砂用量为730kg/ m3 。

3 　钢渣混凝土的力学性质试验结果及分析

　　本试验参照国家标准测得的对比混凝土的各项力学性质见表6 。

　　强度等级为C30 的普通混凝土和钢渣混凝土相对比，7d 抗压强度的差值不大，钢渣混凝土略高于普通混凝土，甚至近似相等：28d 以后，钢渣混凝土的抗压强度就明显高于普通混凝土， 大约高2MPa～3MPa 。可见，钢渣的掺入不仅没有降低混凝土的抗压强度，而且还略有提高。

      强度等级为C30 的普通混凝土与钢渣混凝土强度与龄期关系的对比见图2 。可以看出，在同样养护条件下钢渣混凝土后期强度增长较快。

　　强度等级为C30 钢渣混凝土的抗弯强度和劈拉强度均明显高于普通混凝土。这说明，钢渣的掺入， 大大改变了混凝土的内部结构，强化了混凝土中集料与水泥浆的界面过渡区，显著改善了混凝土的力学性能。就影响混凝土强度的因素而言，其中材料组成是影响混凝土强度的主要因素之一，而最主要的因素是集料与水泥石的界面。混凝土受力破坏一般都出现在集料与水泥石的分界面上，这就是常见的粘结面破坏的形式。在混凝土中，集料最先破坏的可能性很小，因为集料的强度一般均高于水泥石的强度。因而混凝土的强度主要取决于水泥石和界面的粘结强度， 而界面粘结强度又取决于水泥石的强度和集料的表面状况(粗糙程度、棱角的多少等) 、凝结硬化条件及混凝土拌合物的泌水性等。与石子相比，钢渣颗粒的表面很粗糙，粘结力较大，与水泥等拌和凝结硬化后， 钢渣集料与水泥石粘结很好，界面粘结强度很高，大于石子与水泥石的界面粘结强度。在测定钢渣混凝土的抗压、抗弯强度时，观察试件的断裂面，发现钢渣混凝土断裂基本都是发生在集料本身，而并非集料与水泥石的粘结界面。这就说明与石子相比，作为粗集料的钢渣由于其表面很粗糙，使集料与水泥石粘结较好，充分发挥了集料的骨架作用。

4 　钢渣混凝土耐久性试验及结果分析

4．1 　抗冻性测试

      本试验对强度等级为C30 的普通混凝土和钢渣混凝土进行了抗冻性试验，参照( GBJ 82 - 85)《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中抗冻性能试验的慢冻法进行。试件尺寸为100mm ×100mm × 100mm ，成型24 小时后脱模，试件经24d 标准养护后，在15 ℃～20 ℃的水中浸泡4d 后进行抗冻性的测试。把试件置入冷冻箱中，冷冻温度为- 15 ℃～ - 20 ℃，冷冻时间为4h 。冻结到规定时间后即可移入融解水槽，试件融解温度为15 ℃～ 20 ℃，融解时间为4h 。在试验过程中，要经常对冻融试件的外观进行观察和测量，如试件破损严重，其平均失重率超过5 %即可停止冻融循环试验，在混凝土试件达到规定的冻融循环次数后，即应进行强度损失率和质量损失率试验。混凝土的抗冻标号以同时满足强度损失率不超过25 % ，质量损失率不超过5 %时的最大循环次数来表示。本试验冻融循环进行了50 次。试验结果列于表7 。由表7 可以看出，钢渣混凝土的抗冻性能与普通混凝土几乎相同，说明满足混凝土抗冻性要求。

4.2 　抗渗性测试

      本试验采用清华大学研制的NEL 型渗透性快速检测系统测定强度等级为C30 的普通混凝土和钢渣混凝土的氯离子抗渗性。分别测试计算的数据为:普通混凝土的氯离子扩散系数为5.27 ×10 ^{- 8cm2/ s ，}钢渣混凝土的氯离子扩散系数为4.53 ×10 - ^{9cm2/ s ，}从而得出钢渣混凝土的抗氯离子渗透性要好于普通混凝土。

      为了说明上述结果，对强度等级为C30 的普通混凝土和钢渣混凝土的吸水率进行了测试，结果见表8 。

      由图3 可以看出，钢渣混凝土的吸水率小于普通混凝土。分析其原因是因为钢渣混凝土中集料与水泥石界面粘结好，使混凝土密实，透水性差。

4.3 　耐磨性测试

      钢渣混凝土做道路路面材料时，长期经受车辆荷载的往复作用，车轮对路面的冲击、挤压以及路面上坚硬物质的不断磨损，要求具有很强的耐磨能力，尤其在公路交通量迅猛增长，汽车超载现象相当严重的今天，对混凝土路面的耐磨性能要求更高。本试验根据ASTMC779 提供的旋转盘磨耗试验方法测定混凝土的耐磨性。试验采用的旋转盘磨耗试验方法，转数为600 转。分别测得的试验数据是：普通混凝土的质量损失率为10.98 % ，钢渣混凝土的质量损失率为7.64 %。可见，钢渣混凝土的耐磨性远大于普通混凝土。其原因为钢渣的表面粗糙，导致钢渣和水泥石之间界面的物理结合增强。另一方面，钢渣中金属铁形成颗粒骨架，少部分水泥熟料矿物镶嵌其中，水泥熟料的水化使钢渣颗粒与水泥浆体的界面粘结增强，混凝土磨损时，塑性断裂、脆性断裂和微观切削减少，耐磨性提高。

5 　结论

(1) 与普通混凝土相比，钢渣混凝土的各项力学性能均比较好。其中，在掺入钢渣后，混凝土的抗弯强度和劈拉强度有明显改善。

(2) 钢渣混凝土与普通混凝土的抗冻性近似相同，其吸水率小于普通混凝土，并且抗氯离子渗透性好于普通混凝土。

(3) 钢渣混凝土比起普通混凝土有着明显的优势。由于钢渣本身优良的耐磨性，使用其作粗集料配制的混凝土也具有良好的耐磨性。

总之，试验配制的钢渣混凝土经测试，其各项指标均符合普通混凝土的标准要求，甚至在很多方面还优于普通混凝土。同时，大量利用钢渣还可以改善环境、变废为宝，提高经济效益。可见，将钢渣混凝土用于各种建筑工程，将大量消耗现存的工业废料———钢渣，是一项很有前景的绿色工程。

[参考文献]

[1 ]许远辉，陆文雄，王秀娟. 钢渣活性激发的研究现状与发展[J ] . 上海大学学报(自然科) . 2004 ，10 (1) .

[ 2 ]M. Maslehuddin ，Alfarabi M. Sharif ，M. Shameem. Comparison of properties of steel slag and crushed limestone aggregate conretes. Construction and Building Materials. 2003 ， (17) :105 - 112.

[ 3 ]李建平，倪文，陈德平. 影响大掺量钢渣水泥强度的主要因素探讨[J ] . 矿物岩石. 2003 ，23 (4) .

[ 4 ]杜宪文. 钢渣应用于道路工程的研究[J ] . 东北公路. 2003 ，26 (3) .

[5 ]黄晓明，潘钢华，赵永利. 土木工程材料[ M] . 东南大学出版社， 2001.

[6 ]杨华明，张广业，钢渣资源化的现状与前景[ J ] . 矿产综合利用， 1999 ， (3) .

[作者简介] 　白敏，1980 年生，女，在读研究生。

[单位地址] 　陕西省西安建筑科技大学342 信箱(710055)

[联系电话] 　13571930553