用钢渣代替河砂作为细集料配制自密实混凝土的性能试验研究

肖明华

吉安市质量技术监督检测中心 江西吉安 343000

自密实混凝土的发展极大地改变了混凝土的成型方法，并且使得混凝土具有更好的质量。同时，随着天然砂尤其是优质河砂资源的日趋匮乏及环境保护的加强，亟待需要找一种可以替代河砂做细集料的原材料。钢渣是炼钢后排除的废渣，对环境具有不好的影响，但是其质地坚硬，可以部分用来替代河砂作为细集料拌制混凝土。本文研究了钢渣部分取代河砂对自密实混凝土力学性能和耐久性的性能，为钢渣在自密实混凝土的应用提供技术支撑。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：分宜海螺水泥有限责任公司P·O 42.5普通硅酸盐水泥，3d抗压强度为25.7MPa ，28d抗压强度为50.6MPa。（2）粉煤灰：井冈山华能电厂F类Ⅱ级粉煤灰，细度（45μm筛筛余）25.1%，密度2.32g/cm3，需水量比94.1%。（3）钢渣：新余钢铁厂钢渣，细度模数2.73，密度2.50g/cm3，粒径范围0.16－5mm，化学组成如表1所示。（4）粗集料：吉安县油田5.00－25.00mm连续级配花岗岩碎石，表观密度2710kg/m3，压碎指标值8.0%。（5）细集料：赣江天然河砂，表观密度为2620kg/m3，细度模数为2.7，粒径范围0.16－5mm。（6）减水剂：某公司聚羧酸高性能减水剂，固含量18.3wt%，减水率28.4%。（7）配合比：28d龄期C30强度等级设计，分别用0wt%、10wt%、20wt%和30wt%的钢渣替代部分河砂，配合比组成见表2。

1.2 试验方法

流变性：混凝土坍落扩展度、V型漏斗试验和L型箱试验根据JGJ/T 283-2012技术规范进行。

力学性能：混凝土抗压强度测试根据GB/T 50081-2002标准进行，试件尺寸为150mm×150mm×150mm ，分别测定标准养护7d、28d、90d和180d龄期混凝土的抗压强度。

抗硫酸盐侵蚀试验：用试件尺寸为150mm×150mm×150mm，标准养护56d后，将试块移入到（80± 5）°C的烘箱中放置48h，然后开始浸泡SO42—溶液（用5% Na2SO4溶液配制而成），进行干湿循环，平均每次干湿循环时间为48h，干湿循环次数n=0，30，60，90，120次。试验结果以抗压耐蚀系数来评定，计算公式如下：

式中：Kf —抗压强度耐蚀系数； fcn—经过n次SO42—干湿循环侵蚀后试件的抗压强度值；fc0为标准养护试件的抗压强度值。

表1 钢渣的化学组成(wt%)

表2 试验混凝土配合比

表3 钢渣对SCC流变性能的影响

2 结果与讨论

2.1 流变性能

表3给出了S0－S30组SCC的流变性能参数对比。可以看出，随着钢渣掺量的增加，SCC的扩展时间、V型漏斗流过时间和间隙通过性等参数呈逐渐增大的趋势，说明钢渣对SCC的流变性能产生了负面作用，这主要是因为：与天然河砂相比，钢渣具有较大的吸水性且与集料之间具有较大的摩擦力，因此钢渣作为细集料会造成新拌混凝土流变性能变差。

图1 钢渣掺量对自密实混凝土不同养护龄期抗压强度的影响

2.2 力学性能

图1是自密实混凝土不同养护龄期的抗压强度随钢渣掺量变化曲线。从纵向看，各组混凝土的抗压强度随着养护龄期的增加都呈现不断增加的趋势。从横向看，掺入铁渣的S10、S20和S30各试验龄期抗压强度值相比纯河砂S0组混凝土均有所增长，其中28d龄期抗压强度增长率分别为11.4%、13.5%和8.1%，表明钢渣的加入增大了自密实混凝土的抗压强度，提高了混凝土体系的密实性。且随着钢渣掺量的增多，自密实混凝土的抗压强度先增大后降低，S20的各龄期抗压强度值最大，当钢渣掺量增大或降低时，抗压强度值均减小，表明钢渣掺量为20wt%-30wt%的自密实混凝土力学性能最好。原因在于：相比天然河砂而言，钢渣颗粒表面粗糙多孔，增大了钢渣颗粒与水泥浆体之间的胶结力和摩擦力，有利于两者更好的粘结。另外，钢渣粒径、细度模数略小于河砂，说明钢渣具有更大的比表面积，增大了与水泥浆体的胶结面积，有助于增大强度。根据相关研究可知，混凝土体系中，亲水性大的骨料界面密实性更好，而钢渣的亲水性好于河砂，它的掺入有助于增大混凝土的密实性，使之具有更好的力学性能。

2.3 抗硫酸盐侵蚀性能

由图2可知，钢渣掺量对各组混凝土抗压强度耐蚀系数的影响。S0－S30在侵蚀过程中的抗压强度耐蚀系数变化均呈现先增大后减小的相同趋势，可以分为侵蚀前期强化后期劣化。侵蚀前期（≤60次），S0－S30的抗压强度有所增加，抗压强度耐蚀系数大于1，这主要由于SO42-扩散进入混凝土内部与水泥水化产物进行反应，生成的钙矾石侵蚀产物填充了混凝土毛细孔隙，使其更加致密，同时胶凝材料继续水化，有利于混凝土强度的增加；侵蚀后期，当水泥石致密结构形成后，混凝土内部孔隙减少，SO42-进入混凝土内部生成的钙矾石或者石膏产物，在干湿循环作用下发生结晶甚至出现硫酸钠自结晶，盐结晶产生的结晶压力压迫混凝土内部的毛细孔壁，从而促进微裂纹的形成、扩展，使得混凝土的性能劣化。因此侵蚀后期，混凝土的抗压强度值明显降低。

对比后期N=120次干湿循环侵蚀的各组混凝土的抗压强度耐蚀系数可以发现：各组混凝土的抗硫酸盐耐蚀系数大小排序为S30＞S20＞ S10≈S0，说明钢渣含量越高，混凝土的抗SO42-侵蚀性能越优，主要原因为钢渣比表面积大，且钢渣界面区域粗糙度增大可以与水泥水化产物起到“锚固”的作用，另外，钢渣中的活性成分能够参与火山灰反应，提供混凝土内部结构欧的致密性，有效地阻碍了SO42-侵入混凝土内部。

图2 钢渣掺量对混凝土抗压强度耐蚀系数的影响

3 结语

（1）钢渣取代部分河砂使SCC的流变性能稍微变差。但可极大提高混凝土的力学性能。

（2）随着钢渣取代量的增加，SCC的抗氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀等耐久性得到提高，钢渣掺量在20%时，上述性能最优。

（3）随着优质天然砂资源的日趋匮乏及环境保护的加强，钢渣可以部分用来替代河砂作为细集料拌制混凝土。并具有一定的市场性价比优势。为钢渣的推广及应用提供有力技术支撑。