钢渣骨料在混凝土中的应用研究

李晓峰 杜云宝 张晓波

(1.山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001；2.太原高盛混凝土有限责任公司，山西 清徐 030400； 3.山西华建建筑工程检测有限公司，山西 太原 030031)

0 引言

钢渣是钢铁企业用石灰石矿物提取铁矿石中杂质而大量形成的废渣，炼钢的原理是通过石灰石、炭等与金属氧化物在1 500 ℃～1 700 ℃的高温中反应，还原出各类铁碳合金，化学反应过程概括为脱碳、脱硫、脱磷和脱氧。目前我国炼钢的工艺有氧气顶吹转炉法(BOF)和电弧法(EAF)两种，其中以转炉法为主，2017年我国转炉排渣量约为8 000万 t，综合利用率9%，大量的钢渣堆积占用了耕地，钢渣中的重金属离子，碱金属离子和粉尘等会向水和空气中释放，造成严重的环境污染。混凝土目前是我国最大宗的建材产品，2017年我国混凝土总量约24亿m3，混凝土对骨料的需求量近达到29亿m3，而砂石等天然骨料随着国家环保及禁止乱开乱挖政策的严格要求，市场价格涨幅约200%，每立方米平均价格达到130元左右，如能合理利用钢渣骨料代替部分天然骨料，混凝土单方成本能降低43元左右，再解决固废的同时，极大地降低混凝土成本，一举两得。

相关研究表明，钢渣的物理力学性能与天然碎石接近，是一种潜在建筑材料，其含有硅酸二钙、硅酸三钙等矿物，具有一定的水硬活性，因其煅烧温度较高，俗称——“过烧硅酸盐熟料”，这些优点为钢渣在混凝土工程中的应用奠定了基础，但是与天然骨料相比，钢渣中含有一定量的游离氧化钙与游离氧化镁(方镁石)，这些成分遇水或混凝土水化用水后会发生体积膨胀的化学反应，从而导致混凝土开裂破坏，因此钢渣的安定性能成为其能否大面积作为混凝土骨料应用的关键因素。本文主要把钢渣骨料的体积稳定性作为首要研究对象，通过测定钢渣骨料混凝土的物理性能及耐久性结果，寻求有效可行的使用之路。

1 材料与方法

1.1 原材料

1)钢渣：采用美锦钢厂自然处理钢渣，冲击破碎、筛分后备用，粗骨料粒径5 mm～25 mm，细骨料细度模数2.8，堆积密度1 830 kg/m3，为保证本次研究钢渣骨料的适用性，选用低碱度(CaO/(SiO2+P2O5)的橄榄石渣、镁硅钙石渣，其水化活度低。因钢渣在自然环境中与外界空气、水、阳光接触后发生陈化反应，逐渐趋于稳定，选取四种不同陈化时间的钢渣作为研究材料，其物理性能如表1所示，化学组成如表2所示。

2)水泥：采用山西双良鼎新水泥有限公司P.O42.5级水泥，其性能见表3，满足相关规范要求。

3)粉煤灰：太原二电厂湿排2级粉煤灰；表观密度1.96 g/cm3。

4)矿粉：太钢矿粉，S95级，比表面积430 cm2/kg。

5)外加剂：山西黄河新型化工有限公司产聚羧酸泵送剂，液态，掺量2.0%。

6)拌合用水：洁净饮用水。

7)天然骨料：太原镇城碎石5 mm～25 mm连续级配，表观密度2.66 kg/m3，石灰石机制砂细度模数2.8，堆积密度1 530 kg/m3。

1.2 试验方法

1)钢渣化学分析。按照YB/T 140—2009钢渣化学分析方法进行f-CaO，f-MgO含量分析，压碎指标按照JGJ 52—2006普通混凝凝土用砂、石质量及检验方法标准，测定四个不同陈化龄期的钢渣中f-CaO，f-MgO含量及压碎指标。

2)压蒸粉化率试验。依据GB/T 24175—2009钢渣稳定性试验方法标准进行，将三种不同陈化龄期的钢渣各取粒径在4.75 mm～9.5 mm之间的钢渣颗粒800 g，分别制成3个渣样，烘干后，称取质量m0，置于压蒸釜中，在压力为2.0 MPa，温度为216 ℃的条件下压蒸3 h，取出烘干过1.18 mm筛，称量筛下钢渣质量m1，压蒸粉化率求算公式为：

f=(m1/m0)×100%。

取三个试样的算术平均值作为试验结果，精确至0.1%。

3)浸水膨胀率试验。依据GB/T 24175—2009钢渣稳定性试验方法标准进行，按照该规范要求制作最大干密度试样3个，放入浸水膨胀率试验装置，水浴加热，温度90 ℃±3 ℃下保持6 h，如此持续循环10 d，浸水膨胀率γ求算公式为：

γ=[(d10-d0)/120]×100。

其中，γ为浸水膨胀率，%；120为试件原始高度，mm；百分表的终读数，%。

取三个试样的算术平均值作为试验结果，精确至0.1%。

4)钢渣骨料混凝土配合比设计。按照JGJ 55—2011混凝土配合比设计规程及实际生产经验，掺加20%一年陈化期的美锦钢渣骨料，以C30，C40，C50混凝土为研究对象，混凝土坍落度控制在180 mm±30 mm，具体配合比见表1。

5)钢渣骨料混凝土物理性能及耐久性。按照GB/T 50081—2016普通混凝土力学性能试验方法标准及JGJ/T 193—2009混凝土耐久性检验评定标准进行。

6)钢渣骨料混凝土有害性判定。依据GB/T 50344—2004建筑结构检测技术标准中附录B进行，如出现以下3个情况，即判定有害，不合格:

a.有2个或2个以上沸煮试件出现开裂、疏松和崩溃的现象；

b.芯样试件抗压强度变化率大于30%；

c.仅有一个薄片试件出现开裂、疏松和崩溃现象，并有一个芯样抗压强度变化率大于30%。

表1 混凝土配合比设计表 kg

2 结果与讨论

2.1 钢渣中游离氧化钙及氧化镁含量及其规律的研究

钢渣中游离氧化钙与氧化镁与水发生化学反应，反应工程式见表2，同时带来体积的极大膨胀，对混凝土体积稳定性产生影响，所以对钢渣中游离氧化钙和游离氧化镁的控制是必要的，通过对三种不同陈化龄期的钢渣中游离氧化钙和氧化镁的化学分析结果见表3，可以看出在自然状态下，热泼钢渣中游离氧化钙及游离氧化镁与空气中的水分缓慢发生化学反应，一年后钢渣中游离氧化镁消解量约为50%以上，游离氧化镁消解量约为20%，氧化镁的消解速度较慢，这与游离氧化镁晶相较大，在水化中形成Mg(OH)2薄膜减弱下一步水化。

表2 f-CaO，f-MgO反应工程式

表3 不同陈化时间钢渣f-CaO，f-MgO含量表

2.2 钢渣陈化龄期对钢渣压蒸粉化率及浸水膨胀率的影响

钢渣陈化龄期对钢渣压蒸粉化率及浸水膨胀率也是对钢渣安定性的表征方法，三种不同陈化龄期的钢渣的压蒸粉化率及浸水膨胀系数见表4，由表4可见，随着钢渣陈化时间的延长，钢渣压蒸粉化率及浸水膨胀率在逐渐降低，一年陈化期美锦钢厂钢渣压蒸粉化率为3.1%，浸水膨胀率为1.5%，均满足规范要求。

表4 钢渣压蒸粉化率及浸水膨胀率表

2.3 钢渣骨料对钢渣骨料混凝土力学性能的影响

钢渣骨料在混凝土内部膨胀时会产生微裂缝，从而导致混凝土强度降低，游离氧化钙及游离氧化镁含量在合理范围内的钢渣骨料混凝土，因钢渣骨料具有微膨胀性且外型不规则易咬合好、含泥量低，对混凝土抗压强度及抗折强度的提高是有利的。试验结果见表5。

表5 钢渣骨料混凝土力学性能及耐久性试验表

2.4 钢渣骨料混凝土耐久性的研究

通过对不同强度等级的钢渣骨料混凝土抗渗性及抗冻性的试验结果(如表5所示)可以看出，3组试件表现出的抗渗性与抗冻性发展规律类似，这是由于钢渣本身的微膨胀性、外观易咬合性，同时钢渣表面中的硅酸二钙、硅酸三钙也参与了混凝土水化反应，增加了混凝土的致密性，从而提高了混凝土的耐久性。

2.5 钢渣掺量的变化对钢渣骨料混凝土性能的影响

从表6中不同掺量钢渣骨料的钢渣混凝土的抗压强度及压蒸安定性来看，钢渣粗骨料掺量15%，钢渣细骨料掺量30%时，混凝土强度提高较多，钢渣细骨料产量达到50%时，混凝土压蒸安定性出现了掉砂、膨胀率过大的质量问题，这与钢渣骨料中游离氧化钙和游离氧化镁含量较高的白色颗粒物普遍存在有关，所以钢渣骨料完全替代天然骨料来配制混凝土难度较大，质量风险也较高。

表6 不同掺量钢渣骨料的钢渣混凝土的抗压强度及压蒸安定性试验结果表

3 结语

1)随着陈化时间的延长，美锦自然冷却钢渣内部的游离氧化钙及游离氧化镁含量逐渐减少，游离氧化钙消解速度大于氧化镁，一年期钢渣中游离氧化钙含量一般均小于3.0%，如果是中碱度或高碱度钢渣需要高度关注内部的游离氧化钙及游离氧化镁含量。

2)钢渣代替部分天然骨料配制混凝土需要将钢渣陈化处理，用压蒸粉化率和浸水膨胀性来表征钢渣体积安定性是有效的。

3)体积安定性好的钢渣骨料因其具有微膨胀性且外型不规则易咬合好及水泥石水化界面紧密，对混凝土抗压强度、抗折强度及耐久性是有利的。

4)合适的钢渣骨料掺量能提高混凝土的致密性，过量的掺加钢渣骨料一定程度上会导致混凝土破坏，是有害的，使用前应进行验证试验，同时增加检验批次。

5)把钢渣作为混凝土骨料使用在我国尚属于起步阶段，许多科学数据需要众多行业专家共同研究实践来完成，未来钢渣作为混凝土骨料的应用一点会很成熟、很广泛。