钢渣集料对泡沫混凝土性能的影响分析

2022-08-06叶晓茜

建材发展导向 2022年11期

叶晓茜

（安徽华瓴建工集团有限公司合肥包河区分公司，安徽合肥 230000）

在节约环保理念的影响下，对钢渣进行优化利用，不仅能够避免钢渣废弃带来的环境污染，同时能够有效地缓解目前混凝土集料缺乏的情况。相关研究人员应加强对钢渣集料的深度研究，结合其对混凝土性能的影响，调整钢渣集料的加工方式，从而提高混凝土的质量，优化工程建筑施工质量。

1 钢渣的危害和利用现状

钢渣是钢铁制造过程中产生的副产品，钢渣受到炼铁过程的影响，其中的硅、锰硫等杂质在高温条件下与氧气反应，产生氧化硅、氧化镁、氧化锰等材料，在与水或溶剂进行反应过程中能够生成盐类物质。目前常见的钢渣主要有两种产生方式，其一为碱性氧气炉钢渣，该类型的钢渣中成分与矿石类型以及炼钢方式相关，其中主要的成分为氧化钙、二氧化锰以及氧化铁，其含量分别为： 40% ～60%、 10% ～20%、 20%～30%，同时含有少量的镁、钠、硫等氧化物。由于矿渣中的氧化钙含量较高，使得其在与溶剂反应时呈较高的碱性。其二为电弧炉钢渣，该类型的钢渣中主要含有硫铁矿、氧化铁硫化碳等，成分含量受到原料影响较大。

钢渣对环境的影响相对较大，钢渣的产量相对较大，因此需要大量的区域进行堆放，造成土地浪费的同时，容易对土地产生破坏。钢渣中含有重金属和强碱性，大量堆积的情况下不仅会破坏土地生态平衡，还会渗透到地下，对地下水造成严重的污染。受到污染的环境中重金属含量超标，并且存在矿物沉淀情况，无法在短时间内有效处理，在不断扩大的同时影响周围环境安全。

我国粗钢产量在世界排名靠前，因此每年的钢渣产量较多，目前对钢渣的主要利用方式是处理后用于道路建设、炼钢循环、建筑材料以及农业生产等方面。在环保政策的压力下，我国重点钢铁企业中钢渣的利用率得到了有效地提升，不仅促进钢铁企业的发展，同时对环境起到了较大的维护和保障。

2 泡沫混凝土的性能特点

泡沫混凝土又被称为发泡混凝土，其主要的形成原理是利用发泡剂产生大量泡沫，并将泡沫与水泥土浆液混合，使混凝土中存在大量的封闭气孔，从而使混凝土质量减轻，同时能够提高保温效果。在泡沫混凝土中，需要使用大量的发泡剂、混凝土、粉煤灰等材料，由于其质轻且保温性能良好，属于良好的节能材料，在现代化建筑行业中的使用较为广泛。

泡沫混凝土具有以下特点： 1）质量轻，发泡混凝土制备过程中混入大量气泡，在凝固后产生密封气孔，使得整体材料的密度较小，目前在建筑中使用的泡沫混凝土密度为160kg/m。使用该材料代替传统混凝土能够使建筑自重降低30%左右，同时其节能标准系数为65%，具有良好的使用前景； 2）保温性能良好，在发泡混凝土中，大量细小空隙能够提高热工性能，提高阻热效果，从而提高保温效果； 3）耐火性，该材料属于无机材料，不具有可燃性，因此耐火性良好。此外多孔结构能够提高隔音减振效果，在建筑施工过程中具有较强实用效果。

由于钢渣的成分与水泥成分存在相似性，在泡沫混凝土生产过程中，使用钢渣代替水泥生产泡沫混凝土，能够节约水泥的使用量，同时提高钢渣的利用率。但由于二者的组成并不完全相同，因此应通过恰当的方式对影响泡沫混凝土性能的影响因素进行分析，结合分析结果对钢渣进行调整，进一步提高钢渣泡沫混凝土质量。

3 钢渣集料对泡沫混凝土性能的影响研究

3.1 实验材料准备

实验过程中主要材料包括：钢渣、水泥、水、发泡剂、粉煤灰。

本研究使用的钢渣为某重点钢铁厂生产的转炉钢渣，钢渣的主要成分为硅酸钙，成分组成与水泥相似，具有一定的胶凝性，因此能够起到良好的凝结效果。在实验前，对钢渣进行处理，使用球磨机研磨后进行过筛，得到处理完毕的钢渣粉。对钢渣的基础性质进行检测。对钢渣的密度进行测量，取准备完毕的钢渣粉加水制备浆液，使其与水的质量比为1∶2.5，制备完毕后检测pH值和含铁量，具体结果见表1。

表1 钢渣基本性能

在选择水泥时，使用某水泥厂生产的P·O42.5R水泥，该水泥符合相关的水泥生产标准，在使用前同样需要对其基本性能进行检查如表2 所示。

表2 水泥基本性能

粉煤灰选择的过程中，使用Ⅰ级粉煤灰，降低混凝土水热化带来的影响，提高后续的检测效果。该级别粉煤灰的含水率在1.0%以内，需水量比小于95%，细度小于12%，密度为1.9 ～2.9g/cm。

外加剂主要为发泡剂，选择烷基苯磺酸钠作为发泡剂基础材料，并在其中添加氢氧化钠作为稳定剂。

实验过程中，为确保实验正常进行，需要使用相应的仪器设备，主要包括：测压机、球磨机、干燥箱、搅拌器、分析仪、振荡器等。

3.2 实验方案设计

3.2.1 方案设计

本文主要研究钢渣集料对泡沫混凝土性能的影响，因此应对钢渣掺量进行控制，研究不同掺量下制造的泡沫混凝土性能变化情况。首先，分别使用不同比例的钢渣和水泥制作相应的泡沫混凝土，通过调整配合比的方式，生产不同类型的泡沫混凝土。其次，对泡沫混凝土性能进行对比和分析。最后，综合结果得出结论。

3.2.2 测试方法

为更好的对比和分析钢渣集料的影响，应对成品泡沫混凝土试块以下性能进行检测。

1）应对抗压强度进行测试。使用测压机对试块进行加压测量，分别对试块的抗压强度进行测试，每份材料测试3 次，最终结果取平均值。计算抗压强度时，使用公式。

其中P为抗压强度，单位（MPa）； F为导致试块破碎的压力，单位（KN）； A为混凝土受压力面积，单位（cm）。

2）检测泡沫混凝土的凝结时间。使用凝结检测设备，对混凝土的初凝时间和终凝时间进行检测，并记录结果。

3）检测混凝土的吸水率。使用标准养护方式不同配比的泡沫混凝土进行养护，在混凝土试样终凝后，对其进行取芯和测量，保持混凝土芯直径高度相同，将混凝土芯样进行烘干，取出冷却后测量称重。将其放置到室温水面以下，浸泡半小时后，将表面水分擦除测量重量。使用公式。

其中f为吸水率，单位（%）； w为干燥混凝土芯样重量，单位（g）； w为浸泡半小时后混凝土重量，单位（g）。

4）对混凝土的收缩膨胀率进行测试。规定标准试样的尺寸为L，在标准养护下，在第1、 7、 14、28d 分别对试样的长度尺寸进行测量，使用公式测量其不同期龄下的收缩率。

其中ε为收缩膨胀率，单位（%）； L为第t天的试样长度，单位（mm）； L为第一天的试样长度，单位（mm）。

5）对钢渣细度进行测量，使用不同粒径的孔筛对钢渣进行过滤，得到不同细度的钢渣，使用不同细度的钢渣进行试验，对其性能进行的测试。

3.2.3 材料制备

制备泡沫混凝土时，应按照不同的配比进行分别制备。对钢渣粉和水泥的加入量进行控制，保持水料比、发泡剂和水的用量不变。在水料比不变的情况下，对钢渣粉和水泥加入量进行计算，其掺量在10%～60%范围内进行划分，为避免水料比发生变化，应通过细沙等干物料进行综合使用，以保障实验顺利进行。

3.3 实验结果分析

按照实验设计要求进行相应的试验和测量，并对结果进行整合与分析。在实验过程中对混凝土的坍落度等参数进行测量。

3.3.1 钢渣掺量对泡沫混凝土性能的影响

首先，对不同钢渣掺量下泡沫混凝土试样的抗压强度进行测量。使用压力测试机器对试样的强度进行检测，调整设备的压力加载速度，保持每秒0.6MPa的速度进行观察。对不同掺量试样在不同养护时间下的抗压强度进行测试，选择时间的7、 14、 28d，根据不同时期强度的增长情况，进行对比。

以养护7d 后抗压强度结果进行分析， 10% -60%掺量变化时，其抗压强度增长量从2.98%增长到8.16%。对掺量为60%的混凝土测试结果进行观察，其抗压强度增长量从8.16%增长为12.93%。通过观察实验结果，能够得到，在泡沫混凝土中，钢渣掺量不断增加的过程中，其抗压强度增长量在逐渐提高；在钢渣掺量不变的情况下，抗压强度随着养护时间的延长而增大。由于钢渣中含有硫化碳等矿物质，在反应过程中，能够产生胶结效果，因此在矿渣掺量增加的同时，其强度有所提高。同时，矿渣掺量增加时，其中集料的含量减少，由于钢渣表面粗糙且具有一定吸水性，使得其在凝结过程中，不断吸收混凝土中的水分，导致成形泡沫混凝土中含水量减少，从而使整体强度不断增加。

其次，对不同钢渣掺量下泡沫混凝土的抗折强度进行测试。与抗压性能检测类似，统一试样的大小和规格，并在不同养护周期下进行抗折强度测试，并对相关数据进行记录和分析。

通过实验进行分析，混凝土中，随着钢渣掺量不断增加，其抗折强度在不断提升；在相同掺量下，养护时间越长，其抗折强度越大。造成该情况的主要原因与抗压强度变化相同，随着抗压强度的提升，试样的抗折强度得到提高。

最后，对钢渣泡沫混凝土的耐久性能进行测试。耐久性能主要分为抗冻性和抗氯离子渗透性。抗冻性测试方式为：观察测量不同钢渣掺量下的泡沫混凝土快速冻融条件下的变形情况，计算其弹性模量，对比弹性模量的变化情况，从而得到材料的抗冻性。抗冻性越强，其在自然环境中的耐久性越强，受环境温度的影响越小。抗氯离子渗透性测试方法为：将不同掺量下的试样剖开，并在断面涂抹硝酸银指示剂，观察15min 后对氯离子扩散系数进行进行检测。

通过实验观察，得到在冻融次数增加的过程中，所有试样的弹性模量均有一定程度的降低。其中钢渣掺量越大，试样弹性模量越大；在掺量相同时，其弹性模量随着冻融次数增加而降低。这是由于在冻融过程中，钢渣含量越大，其产生的水化反应越强，内部结构越紧密，孔隙越少，因此受到冻融影响越小。

观察混凝土抗氯离子渗透性时，其中钢渣含量越大，抗氯离子系数越高，具有更强的抗氯离子渗透能力。

3.3.2 钢渣细度对泡沫混凝土性能影响

将钢材掺量固定为20%、发泡剂掺量为3%，并将钢渣的细度（单位m/kg）分为： 350、 450、 550、650 四个级别。按照计量称量的方式制备泡沫混凝土，并对不同龄期的混凝土性能进行检测和分析。

对不同细度钢渣泡沫混凝土的抗压强度进行测试，分别在养护3d、 7d、 14d 和28d 内对其抗压强度进行测试，具体结果见表3。

表3 不同钢渣细度泡沫混凝土性能

根据实验数据进行分析，在钢渣细度变化的过程中，其抗压强度存在一定的变化，但整体变化不明显，并且呈波动趋势。在钢渣掺量相同的情况下，随着养护时间的增加，其抗压强度不断增长。在相同养护时间下，细度增加，其抗压强度呈先增后减的变化趋势。由于钢渣的粒径在一定程度上降低时，水化反应速度增加，整体强度提高，但在粒径过小时，其水化反应速度下降，导致整体强度下降。

对不同钢渣细度的吸水率进行分析。使用不同细度的钢渣制备混凝土试样，对试样进行取芯，并进行干燥测量，将其置于水下半小时后取出测量，将不同试样养护7d、 14d、 28d 后进行测量，并对结果进行分析。

通过实验可以观察到，随着钢渣粒径不断降低，其中的不断降低，这是由于粒径减小时，无法与水进行充分的结合反应，导致整体的吸水率下降。但在粒径过大时，其吸水率同样呈降低趋势，由于粒径增大，无法提高水化反应充分度，进而对试样强度产生影响。