钢渣砂混凝土的耐久性能试验研究

崔乐乐，王成刚,2，黄侠，马兵辉

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.土木工程结构与材料安徽省级重点试验室，安徽 合肥 230009；3.安徽同济建设集团有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

随着社会的不断进步和发展，绿色环保及可持续发展理念已逐渐深入人心，对于工业废渣的利用也越来越受人关注[1]。钢渣是炼钢过程中产生的工业废渣，钢渣的综合利用率在一些发达国家非常高，如美国、日本，早在上世纪，日本、美国等国钢渣的综合利用率已经高达 100%，使得排用处于平衡状态，欧洲的各产钢大国也对钢渣处理非常重视，因此其综合利用率也高达 65%[2]。与此相比，我国钢渣综合利用率很低，仅为30% 左右，同时目前尚未利用的钢渣存放量已高达 10亿吨[3]。用钢渣替代部分天然骨料，不但能使钢渣得到二次利用，还能够降低天然砂石资源的使用量，并使钢渣堆放对环境的污染问题得到改善。因此将工业废弃的钢渣作为混凝土骨料制作为钢渣混凝土，成为了一个重要的研究方向[4-5]。研究表明[6-8]：钢渣替代混凝土中的粗细集料后，在一定程度上提高了混凝土的耐久性能和力学性能。

本文用钢渣砂等质量取代天然砂，制备 C30 钢渣砂混凝土，研究钢渣砂混凝土的耐久性能。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）水泥：选用安徽海螺水泥股份有限公司生产的 P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，其主要物理与力学性能均满足 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，详见表 1。

（2）粗集料：本文试验所用粗集料是天然石灰岩碎石，规格为 5～20mm，表观密度 2.72g/cm3，含泥量为 0.28%，吸水率为 0.55%，空隙率为 46.0%，并依据GB/T 14685－2001《建筑用卵石、碎石》进行测试，均符合标准要求。

表1 水泥基本性能

（3）细集料：本文试验采用钢渣砂和天然砂作为细集料。其中天然砂为普通河砂，属于Ⅱ区中砂，细度模数 2.87，表观密度 2.67g/cm3，含泥量 2.2%，经比较含泥量、颗粒级配均符合标准要求。钢渣砂为马钢四钢轧总厂 300t 转炉渣采用热闷工艺产生的钢渣颗粒，其取样和试验方法均按照现行行业标准 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量标准及检验方法》的规定，利用XRF 衍射测试出钢渣砂化学组成如表 2 所示。

钢渣砂主要采用 0.3～1.18mm 和 1.18～4.75mm 两个级配作为混凝土细集料，采用图解法进行级配设计，确定钢渣砂配比为 0.3～1.18mm 钢渣砂 :1.18～4.75mm钢渣砂=70:30，物理性能见表 3，试验所使用的钢渣砂细集料各项指标均满足规范标准。

表2 钢渣砂化学成分 %

表3 钢渣砂的物理性能

（4）水：pH 值为 7 左右的普通自来水。

1.2 试验配合比

由于钢渣砂混凝土尚处于研究阶段，没有明确的配合比可供直接使用，先依据普通混凝土配合比作为基准。其中钢渣砂混凝土配合比采用等质量取代天然砂的方法，以普通混凝土配合比设计为基础，获得钢渣砂混凝土的配合比。钢渣砂等质量取代天然砂的比例分别为0、25%、50%、75%、100%，钢渣砂混凝土配合比见表 4。

表4 钢渣砂混凝土配合比

1.3 试验方法

在钢渣砂混凝土配合比设计的基础上，以普通混凝土为基准，记为 P0，同时配制取代率分别为 25%、50%、75%、100% 的钢渣砂混凝土，分别记为 P1、P2、P3、P4。按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的试验方法，测定其耐久性能，并分析不同钢渣砂掺量对混凝土耐久性能的影响。

2 试验结果及分析

2.1 抗碳化性能

通过 20 组共 60 个边长为 100mm×100mm×100mm 的立方体试块的测试，得到 5 种不同钢渣砂取代率的混凝土在不同龄期下的碳化深度，如表 5 所示。其中根据表 5 中数据绘制出不同钢渣砂取代率的碳化深度与碳化时间的关系曲线，如图 1 所示。

表5 不同钢渣砂取代率混凝土的碳化深度 mm

由表 5 和图 1 可以看出：

（1）随着碳化时间的增加，各种混凝土的碳化深度都逐渐增大，早期碳化深度增加较快，后期增加较慢。

（2）碳化时间为 3d 和 7d 时，随着钢渣砂取代率的提高，钢渣砂混凝土的碳化深度呈先减小后增加的趋势，但钢渣砂混凝土的碳化深度均小于普通混凝土的；碳化时间为 14d 时，随着钢渣砂取代率的提高，钢渣砂混凝土的碳化深度依然呈现先减小后增加的趋势，但此时 P1、P2 组钢渣砂混凝土的碳化深度小于普通混凝土的，P3、P4 组钢渣砂混凝土碳化深度大于普通混凝土的；当碳化时间为 28d 时，随着钢渣砂取代率的提高，钢渣砂混凝土的碳化深度呈增大趋势，只有 P1 组钢渣砂混凝土的碳化深度小于普通混凝土的，其他的钢渣砂混凝土的碳化深度均大于普通混凝土的。可见：碳化时间较短时，钢渣砂混凝土的抗碳化性能较普通混凝土好，随着碳化时间的增加，普通混凝土的抗碳化性能增强，除比取代率为 25% 的钢渣砂混凝土的抗碳化性能要差些外，优于其他组别的钢渣砂混凝土的抗碳化性能。

图1 碳化深度与碳化时间的关系曲线

2.2 抗氯离子渗透性能

通过 5 组共 15 个试块的测试，得到 5 组不同钢渣砂取代率 28d 龄期混凝土试件抗氯离子渗透性电通量，如表 6 所示。

表6 钢渣砂混凝土抗氯离子渗透试验电通量

从表 6 可以看出：随着钢渣砂取代率的增加，混凝土电通量值也逐渐变大，抗氯离子渗透性能变差。其中钢渣砂取代率为 25% 的混凝土的抗氯离子性能与普通混凝土最接近。

2.3 耐磨性能

通过对 5 组共 15 个边长为 150mm×150mm×150mm 的立方体试块的测试，得到 5 组不同取代率 28d龄期混凝土试件耐磨试验磨坑宽度，如表 7 所示。

从表 7 可以看出：除取代率为 25% 的 P1 钢渣砂混凝土外，其余钢渣砂混凝土的磨坑宽度随着钢渣砂取代率的增加，磨坑宽度逐渐减小，且均不大于普通混凝土的，其中取代率为 100% 的 P4 钢渣砂混凝土的磨坑宽度最小，说明钢渣砂混凝土的耐磨性能较普通混凝土的好。

表7 钢渣砂混凝土耐磨试验磨坑宽度

3 结论

（1）碳化时间较短时，钢渣砂混凝土的抗碳化性能较普通混凝土好，钢渣砂取代率为 25% 时，即 P1 钢渣砂混凝土的抗碳化性能较好，优于普通混凝土。

（2）采用钢渣砂集料拌制的混凝土，其抗氯离子渗透性能均较普通混凝土差，且随着钢渣砂掺量的增加，抗渗性越来越差。其中取代率在 25% 时，抗氯离子渗透性能最接近普通混凝土。

（3）采用钢渣砂集料代替砂子后，钢渣砂混凝土的耐磨性能除取代率为 25% 外均优于普通混凝土，说明掺入钢渣砂取代天然砂石对混凝土耐磨性能有利。