鋼渣對混凝土安定性的影響及評價

葉雁飛,馬偉克,申振偉,張 浩,,4

(1.寶武環科(湛江)資源循環利用有限公司,廣東 湛江 524000;2.安徽工業大學 建筑工程學院,安徽 馬鞍山 243032;3.安徽工業大學 冶金工程學院,安徽 馬鞍山 243032;4.冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室,安徽 馬鞍山 243002)

0 引言

我國是鋼鐵生產大國,也是鋼渣排放大國,隨著煉鋼工業的發展,鋼渣排放量逐年增加[1-2]。我國排放的鋼渣70%以上是轉爐鋼渣,其化學成分及礦物組成與硅酸鹽水泥熟料很接近,因而在混凝土生產中具有很大的應用潛力[3-5]。

日本的鋼渣利用率達100%,其中有22%用于道路工程,40.7%用于建筑工程,19.3%用于回爐燒結料,8%用于深加工原材料,5.9%用于水泥原材料,1.1%用于肥料,3%用于回填料。德國的鋼渣利用率達98%,其中30%配入燒結和高爐再利用,50%用于土建,18%用于農肥[6-9]。美國的鋼渣利用率超過98%,其中38%用于筑路,美國的8條主要鐵路線均用鋼渣作鐵路道渣[10-11]。俄羅斯的鋼渣有效利用率為40%,其中35.1%用于建筑材料[12]。瑞典向熔融鋼渣中加入碳、硅和鋁質材料,在達到回收金屬的目的后,再將鋼渣用于水泥生產。加拿大將處理過的鋼渣用于道路建設[13-15]。由上可見,美國、德國、日本等發達國家將鋼渣主要應用于水泥、混凝土、道路材料等領域。我國上海市的鋼渣綜合處理率達100%,但是僅10%用于生產水泥的生料配料和混合料、粉磨生產超細鋼渣粉以及用作集料制備透水混凝土。這是因為鋼渣不僅成分復雜,且f-CaO含量較高,穩定性差,體積膨脹會導致混凝土構件破壞,極大限制了鋼渣在建筑材料中的應用,同時我國鋼渣安定性測試方法及標準還不夠完善[16-18]。

本文以鋼渣生產的鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石為研究對象,依據YB/T 4228-2010《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》測試鋼渣砂、鋼渣石以及鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石復合對混凝土安定性的影響,通過研究鋼渣用于混凝土后的壓蒸膨脹率及其試件狀態,確定混凝土的安定性評價標準。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

水泥為安徽海螺集團有限責任公司的P·O 42.5水泥,其基本性能見表1;礦粉為安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司的S95礦粉;粉煤灰為馬鞍山鋼鐵股份有限公司熱電廠的二級粉煤灰;中砂為馬鞍山馬鋼嘉華商品混凝土有限公司的攪拌站粗砂和細砂按質量比1∶1配成的混合砂,其篩分結果見表2;碎石為馬鞍山市遠大商品混凝土有限公司的攪拌站碎石,其篩分結果見表3;鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石分別為寶武環科(湛江)資源循環利用有限公司400目轉爐滾筒渣粉、0.075～4.75 mm轉爐滾筒渣砂和4.75～26.5 mm轉爐滾筒渣石,其化學成分見表4,f-CaO質量分數、沸煮膨脹值和壓蒸粉化率見表5;水為自來水,標準砂取自廈門艾思歐標準砂有限公司。

表1 P·O 42.5水泥基本性能

表2 中砂和鋼渣砂的篩分結果

表3 碎石和鋼渣石的篩分結果

表4 鋼渣的化學成分 單位:%

表5 鋼渣的f-CaO質量分數、沸煮膨脹值和壓蒸粉化率

1.2 試驗方法

鋼渣砂替代中砂的混凝土配合比見表6。按膠凝材料(P·O 42.5水泥、礦粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水的質量比為360∶50∶1 050∶180,鋼渣砂分別以10%、20%、30%、40%、50%的比例替代中砂,成型尺寸為25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土試件,經2.0 MPa壓力壓蒸后測試其壓蒸安定性。鋼渣石替代碎石的混凝土配合比見表7。按膠凝材料(P·O 42.5水泥、礦粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水的質量比為360∶750∶1 050∶180,鋼渣石分別以10%、20%、30%、40%、50%的比例替代碎石,成型尺寸為25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土試件,經2.0 MPa壓力壓蒸后測試其壓蒸安定性。

表6 鋼渣砂替代中砂的混凝土配合比

表7 鋼渣石替代碎石的混凝土配合比

鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土配合比見表8。按膠凝材料(P·O 42.5水泥、礦粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水質量比為360∶750∶1 050∶180,鋼渣粉以25%的比例替代礦粉,鋼渣砂分別以30%、40%、50%的比例替代中砂,鋼渣石分別以20%、30%、40%的比例替代碎石,成型尺寸為25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土試件,經2.0 MPa壓力壓蒸后測試其壓蒸安定性。

表8 鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土配合比

1.3 性能測試

依據YB/T 4228-2010《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》測試鋼渣砂、鋼渣石,以及鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石復合對混凝土安定性的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 鋼渣砂替代中砂對混凝土安定性的影響

表9為鋼渣砂替代中砂的混凝土壓蒸安定性測試結果。由表9可知:隨著鋼渣砂替代中砂率的升高,試件的壓蒸膨脹率實測值增大,并且試件的破損情況加重;當鋼渣砂替代中砂率高于40%時,試件出現潛在的安定性不良危險;當鋼渣砂替代中砂率為50%時,試樣GZS5出現斷裂。因此,鋼渣砂替代中砂率小于30%時混凝土的壓蒸安定性較好,而在鋼渣砂替代中砂率小于20%時,試樣GZS1、GZS2的壓蒸安定性良好。

表9 鋼渣砂替代中砂的混凝土壓蒸安定性測試結果

2.2 鋼渣石替代碎石對混凝土安定性的影響

表10為鋼渣石替代碎石的混凝土壓蒸安定性測試結果。由表10可知,隨著鋼渣石替代碎石率的升高,試樣的壓蒸膨脹率實測值呈現先升高后降低最后急劇升高的趨勢;同時結合表10與表9可以看出,鋼渣石替代碎石試樣的壓蒸安定性遠弱于鋼渣砂替代中砂試樣的壓蒸安定性,這是因為鋼渣石的粒徑大于鋼渣砂的粒徑,大粒徑的鋼渣更易形成“渣包鐵”結構,增大鋼渣組成成分的不均勻性,導致試樣出現局部膨脹,雖然試樣整體壓蒸膨脹率實測值不大,但是剝落與斷裂狀態隨著鋼渣石替代碎石率的升高而變得愈來愈嚴重[17-18]。

表10 鋼渣石替代碎石的混凝土壓蒸安定性測試結果

從表10中還可以看出,雖然GZR1-GZR5的壓蒸膨脹率實測值均小于0.8,但是當鋼渣石替代碎石率高于40%時試件破損嚴重,說明壓蒸膨脹率不能作為評價安定性的唯一指標,試件狀態也可作為評價安定性的重要指標。

2.3 鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石復合對混凝土安定性的影響

表11為鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土壓蒸安定性測試結果。由表11可知,ZD3和ZD9的試件均出現斷裂、ZD5的壓蒸膨脹率實測值最高,上述試樣中鋼渣石替代碎石率均高于30%,且鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和均不低于105%。ZD1試樣狀態最好,其中有2個試件完好無損、1個試件2處點剝落,該試樣中鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為75%,是表11中鋼渣替代礦粉、中砂和碎石最少的試樣。

表11 鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土壓蒸安定性測試結果

從表11中還可以看出,ZD2、ZD6和ZD8試樣狀態較好,均有完好無損的試件,上述試樣中鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為85%～95%,且鋼渣砂替代中砂率大于鋼渣石替代碎石率。ZD4和ZD7試樣既不存在完好無損狀態,也不存在斷裂狀態,上述試樣中鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為85%～95%,且鋼渣砂替代中砂率不高于鋼渣石替代碎石率。綜上所述,當混凝土配合比中鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為75%～95%,且鋼渣砂替代中砂率高于鋼渣石替代碎石率時,試樣的混凝土壓蒸安定性良好。

2.4 鋼渣用于混凝土的壓蒸安定性評價方法

GB/T 24763-2009《泡沫混凝土砌塊用鋼渣》、GB/T 24764-2009《外墻外保溫抹面砂漿和粘結砂漿用鋼渣砂》和YB/T 4228-2010《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》等相關標準中明確了壓蒸安定性評價方法為“試件完整且壓蒸膨脹率不大于0.80%,為體積安定性合格,反之為不合格”。結合表9、表10和表11進行綜合分析可知:首先,GZS1-GZS5、GZR1-GZR5和ZD1-ZD9試樣中不存在斷裂狀態的試件壓蒸膨脹率實測值最高為0.17%,因此相關標準中壓蒸膨脹率標準值小于0.8%是否合理有待商榷;其次,相關標準中要求經壓蒸后的試件狀態為“完整”,但是沒有明確“完整”的定義;再次,試件中鋼渣替代礦粉、中砂和碎石率與安定性不存在明顯的線性關系,只有替代率過高時壓蒸后試件才出現斷裂狀態;最后,經壓蒸后試件的壓蒸膨脹率實測值大小與安定性好壞程度無直接關系。綜上所述,僅僅依據相關標準中壓蒸膨脹率實測值判定鋼渣用于混凝土的安定性是否合格不盡合理,因此根據表9-表11的測試結果,可以結合壓蒸膨脹率和試件狀態綜合評價鋼渣用于混凝土的安定性(見表12)。

表12 鋼渣用于混凝土的安定性評價方法

3 結論

a.混凝土配合比中當鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為75%～95%,且鋼渣砂替代中砂率高于鋼渣石替代碎石率時,鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土壓蒸安定性良好。

b.單條試件安定性評價標準為:當出現斷裂時,試件不合格;當大損傷數≥2處時,試件不合格。

c.3條試件安定性評價標準為:當壓蒸平均膨脹率實測值>0.15%時,混凝土安定性不合格;當壓蒸平均膨脹率實測值≤0.15%且有單條試件不合格時,混凝土安定性不合格。