钢渣用于制备耐磨混凝土的试验研究

马孟臣，饶 磊，刘自民，张耀辉，陈 娟，桂满城

（1.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽马鞍山243000；2.马鞍山马钢嘉华混凝土有限公司，安徽马鞍山243000）

钢渣是炼钢过程中产生的废渣，钢渣的排放量为钢产量的10%～15%[1]，2017年我国粗钢产量8.32亿t，钢渣约为1亿t。目前，欧美、日本等发达国家钢渣综合利用率在90%以上[2]，我国钢渣综合利用率不足30%[3]，大量钢渣没被利用且逐年累积，既占用宝贵的土地资源，还存在环保隐患。2018年1月1日起，《中华人民共和国环境保护税法》正式实施，规定固体废物钢渣每吨税额25元。因此急需开发钢渣大宗量、多途径、资源化利用方法，解决钢渣堆存的问题。饶磊等[4]进行风碎钢渣用于喷砂磨料的试验研究，通过对风碎钢渣、铜炉渣、PS球、石榴石的喷砂对比试验，证明风碎钢渣可用作喷砂磨料；孙世国等[5]利用钢渣粉替代水泥制备钢渣混凝土，对比分析钢渣混凝土与普通混凝土的强度，结果表明在相同配比条件下，钢渣混凝土的抗压强度比普通混凝土的大；丁庆军等[6]开展钢渣尾渣用于制备混凝土的实验研究，分析钢渣尾渣粒径、级配、掺量对混凝土耐磨性能的影响，结果表明，粒径为2.5～5 mm或1.25～5 mm的尾渣替代20%的河砂作混凝土的细集料，能够提高混凝土的耐磨性能，达35%以上。综述文献表明，目前学者对钢渣用于制备耐磨混凝土进行了初步研究。在此基础上，进一步研究钢渣掺加比例对混凝土耐磨性等性能的影响，且进行工程应用实践，为钢渣在耐磨混凝土的应用推广提供依据。

1 试验

1.1 原料

钢渣为风碎渣，其化学成分与相关性能见表1～3。P.O42.5水泥、Ⅰ级粉煤灰、S95级矿渣粉，黄砂为细度模数2.0的天然砂，粒径为5～31.5 mm的碎石，外加剂为引气减水剂。

表1 风碎渣的化学成分，w/%Tab.1 Chemical composition of air-granulated slag，w/%

2 风碎渣的粒度分布Tab.2 Particle size distribution of air-granulated slag

表3 风碎渣物理性能Tab.3 Physical properties of air-granulated slag

对于风碎渣，按照GB/T 1346hysic《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行沸煮安定性试验和压蒸安定性试验。其中用风碎渣制作的试饼经3 h、100℃沸煮后外观完整，表明风碎渣沸煮安定性合格。用风碎渣制作胶砂试件，在2.0 MPa压力下压蒸3 h，试件完整，具体试验结果见表4。由表4可看出，试件长度膨胀率0.06%，宽度膨胀率0.07%，高度膨胀率0.03%，满足GB/T 32546率果见表煮《钢渣应用技术要求》中压蒸膨胀率不大于0.80%的技术要求，压蒸安定性合格。

表4 风碎渣压蒸试验结果Tab.4 Experimental results of autoclave test of air-granulated slag

1.2 试验过程

混凝土等级选择C30，按照表5配比称量水泥、碎石、钢渣、黄砂、外加剂等原料，放入混凝土搅拌机，加水搅拌均匀后放入150 mm×150 mm×150 mm模具进行振动成型。将制作成形的立方体试件放在20℃水中养护28 d，取出放入TYE-2000A型压力试验机中，测量其抗压强度。

将养护28 d的混凝土立方体试件水平放置于耐磨试验机的夹具内，调平夹紧。将磨头放在试件磨面，使转轴下端的滚道正好压在磨头上。开启电源，磨头预磨30转后停机测量初始磨槽深度，磨头每转1 000转停机测量磨槽深度，直至磨头达5 000转或磨槽深度达1.5 mm以上结束，测量试件最终磨槽深度，计算耐磨度。以黄砂混凝土试验结果为基准，对比分析钢渣混凝土的耐磨性。另外，用448 kPa压缩空气将磨损介质碳化硅垂直喷吹到混凝土标准试件上，查看混凝土试件抵抗摩擦蚀损情况。

表5 钢渣混凝土试验配比Tab.5 Ratio of concrete with steel slag of test

2 试验结果与分析

2.1 钢渣掺量对混凝土强度和耐磨性的影响

对标准条件下养护至28 d的混凝土试件进行强度和耐磨性检测，结果见图1。由图1可看出：随着钢渣掺量的增加，混凝土28 d抗压强度逐渐增大；其耐磨性也随之逐步增大，钢渣替代黄砂的比例达到70%时(编号4)，混凝土耐磨性达到峰值。

图1 钢渣掺量对混凝土强度和耐磨性的影响Fig.1 Influence of steel slag addition on compressive strength and abrasion resistance of concrete

钢渣的X射线衍射(X ray diffraction，XRD)和扫描电镜(scanning electronic microscopy，SEM)分析结果见图2，3。由图2，3可知，钢渣主要矿物组成为硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、铁酸钙(C2F)及RO相。钢渣主要物相维氏硬度见表6[7]。

图2 风碎渣的XRD谱图Fig.2 XRD spectra of air-granulated slag

一般认为黄砂易磨指数为1，高炉渣为0.96，钢渣为0.7，易磨指数越低表明耐磨性越高。分析表6可知，钢渣易磨性差、耐磨性好主要是因为钢渣物相组成中RO相、C2F硬度高。RO相在高温高压条件下不发生水化反应[8-9]，在碱激发、高温激发的条件水化360 d，仍基本保持惰性[10]。

表6 钢渣的主要物相维氏硬度Tab.6 HV of the main steel slag phase

2.2 钢渣对混凝土内部界面结合的影响

混凝土配比编号4中，掺加70%钢渣混凝土的耐磨性最好。因此，对掺加70%钢渣的混凝土进行抵抗摩擦蚀损能力试验，试验结果见图4。从图4可看出：未掺加钢渣的混凝土在外力作用下，细集料的黄砂和粗骨料石子易分离而产生凹穴；对于掺加钢渣的混凝土，作为细集料的钢渣与粗骨料石子包裹密实，在外力作用下钢渣颗粒仍存在于混凝土中，没有从粗骨料石子中分离出去而产生凹穴现象。骨料和砂浆界面过渡区是混凝土中较薄弱的环节，其结构状况影响混凝土的强度和内部紧密程度[11]。钢渣含有与水泥矿物成分相同的硅酸二钙(C2S)和硅酸三钙(C3S)，钢渣在水泥碱激发条件下养护至一段时间后具有一定活性，能够与骨料石子形成牢固的C-S-H胶凝体，致使砂浆与集料过渡界面区结合紧密，提高了混凝土的抗磨性。

3 工程应用结果与分析

试验结果表明，钢渣取代黄砂能够提高混凝土的抗压强度和耐磨性。在钢渣100%取代黄砂试验结果的基础上，为提高经济效益，在混凝土配比中增加33%钢渣用量，把钢渣从660 kg/m3提高到880 kg/m3，配制钢渣混凝土，且于2010年4月铺设两段道路进行工程实践应用。未掺加钢渣的混凝土和钢渣混凝土的配比及其28 d抗压强度、耐磨性见表7。

从表7可看出，未掺加钢渣混凝土的抗压强度为45.1 MPa，钢渣混凝土的抗压强度为58.8 MPa，比未掺加钢渣混凝土的抗压强度提高30.4%，耐磨性提高28%。工程投入应用1 a后，两段混凝土路面在重载车辆的碾磨下都未出现裂缝、断层等情况，但钢渣混凝土路面完整性好于未掺加钢渣的混凝土路面，这是因为钢渣用于混凝土中能够与骨料石子形成牢固的C-S-H胶凝体，提高了混凝土的整体抗磨性。

4 结 论

1)随着钢渣替代黄砂掺量的增加，混凝土抗压强度逐渐增大，耐磨性也逐步提高。当钢渣替代黄砂的比例达70%时，混凝土耐磨性达到峰值。

2)钢渣主要物相组成为硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、铁酸钙(C2F)及RO相。其中RO相、C2F硬度高，而C2S、C3S具有潜在活性，在水泥激发条件下，能够与混凝土中的骨料石子进行水化反应，致使混凝土中的砂浆与集料过渡界面区的结合紧密，提高混凝土的耐磨性。

3)工程实践表明，钢渣作为细骨料的混凝土能够使混凝土抗压强度提高30%、耐磨性提高28%。