双掺钢渣混凝土的工作性能研究

马兵辉，张星宇，刘自民，王成刚，4

（1.安徽同济建设集团有限责任公司，安徽 合肥 230000；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；3.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心综合利用研究所，安徽 马鞍山 243000；4.土木工程结构与材料安徽省级重点实验室，安徽 合肥 230009）

1 引言

在我国，近些年来大规模基础设施建设增加，所需混凝土用量加大，由于对天然砂石骨料的大量开采，已对当前的生态环境造成了许多不可逆转的影响，并且随着相关方面的法律越来越严格，近年来采用工业废料替代传统混凝土砂石骨料受到了更加广泛的关注。钢渣是炼钢工业的废渣，每生产一吨钢渣就有10%～15%[1]的钢渣，2021 年我国的钢铁产量约为10.33 万吨，钢渣的产量更是超出1 亿吨，且利用率只有30%左右[3]。用钢渣代替天然砂石骨料，不但会让钢渣得到二次利用，还能降低由于钢渣堆放而造成的环境污染。研究表明[4-7]，用钢渣砂单独取代细骨料，或者钢渣石单独取代粗骨料，能够在一定程度上提高钢渣混凝土的力学性能，但是却会使其工作性能降低。文献[8]用钢渣石替代粗骨料，钢渣粉替代水泥制作的双掺钢渣混凝土，对混凝土的强度有所提升，表现出优异的力学性能。然而用钢渣砂取代细骨料，钢渣石取代粗骨料，制作双掺钢渣混凝土，在国内外研究较少，因此，研究双掺钢渣混凝土的工作性能，对钢渣混凝土在实际工程中的应用有着重要意义。

本文采用马鞍山钢铁总厂300t转炉渣热闷工艺产生的钢渣石取代天然石子，钢渣砂取代天然砂，制备C30双掺钢渣混凝土，研究双掺钢渣对混凝土工作性能的影响。

2 原材料及其特性

2.1 水和水泥

试验用水均为合肥市自来水，水泥均为P.O.42.5 级普通硅酸盐水泥，由安徽海螺水泥股份有限公司生产，水泥和混凝土的强度关系如表1所示。

表1 水泥强度和混凝土强度的关系

2.2 河砂细骨料

本次研究所用河砂属于中砂，并对河砂的指标进行了相关检测，结果如表2所示。

表2 砂的主要指标检测结果

2.3 碎石粗骨料

本次试验所用粗骨料是天然石灰岩碎石，并对其进行了筛分，将粒径控制在5～20mm 内，并检测了级配碎石的各项指标，结果如表3所示。

表3 天然粗集料的主要指标检测结果

2.4 钢渣骨料

2.4.1 钢渣骨料的来源

试验所用钢渣石、砂是马鞍山钢铁总厂300t 转炉渣采用热闷工艺产生的钢渣。

2.4.2 钢渣的化学成分

通过XRF 检测方法，对试验所用钢渣样品进行了送样检测，检测结果如表4所示。

表4 钢渣化学成分（%）

2.4.3 钢渣砂和钢渣石的级配设计与物理性能

钢渣砂的粒径为0.3～1.18mm 和1.18～4.75mm，钢渣砂混合的比例为6:4，物理性能如表5 所示，试验所使用的钢渣砂细集料各项指标均满足规范标准。钢渣石粒径为5～10mm 和10～20mm，钢渣石混合的比例为4：6，依据混凝土碎石的检测标准检测了钢渣石的相关物理特性，结果如表6所示。

表5 钢渣砂的物理性能

表6 钢渣石的物理性能

3 试验配合比

双掺钢渣混凝土配合比采用等质量取代的方法，以钢渣砂取代天然砂，钢渣石取代普通石子。以普通混凝土配合比设计为基础，获得双掺钢渣混凝土的配合比。本次试验配置双掺钢渣混凝土分为三组，第一组是钢渣砂、钢渣石等比例取代，钢渣砂、钢渣石等质量取代率分别为0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、80%和100%。第二组是钢渣石取代率固定为25%，钢渣砂等质量取代天然砂的比例分别为10%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、80%和100%。第三组是钢渣砂取代率固定为25%，钢渣石等质量取代普通石子的比例分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、80% 和100%，双掺钢渣混凝土配合比如表7 所示。

表7 各组试块配合比

4 测量方法

所采用的混凝土搅拌设备容量为60L的半自动搅拌机，配合比采用表7中所设计的方案。首先倒入骨料及水泥，加水搅拌，充分搅拌3～5min 后测其坍落度。

分批次将拌合物铲入上、下、高分别为100mm、200mm、300mm 的坍落度测试筒中，将需要测试的混凝土分三次装入，每次装入后用力敲击侧壁，保证内部密实无缝隙。装密实混凝土后将塌落度桶拔出，内部的混凝土会因为自重原因产生自然的塌落现象。用桶高数值减去塌落后混凝土最高点的高度，即为塌落度，比如差值为80，则该混凝土塌落度是80。

5 试验结果与分析

依据试验，记录普通混凝土拌合物和不同取代率双掺钢渣混凝土拌合物的坍落度数据。第一组双掺钢渣混凝土的坍落度数据如表8所示，并根据表8中数据绘制出了双掺钢渣混凝土随着钢渣砂、钢渣石取代率增加其坍落度的变化曲线，如图1所示。第二组双掺钢

表8 钢渣砂钢渣石等比例取代时试件的坍落度

图1 坍落度随钢渣砂（石）取代率变化曲线

渣混凝土的坍落度数据如表9 所示，并根据表9 中数据绘制出了双掺钢渣混凝土随着钢渣砂取代率增加其坍落度的变化曲线，如图2 所示。第三组双掺钢渣混凝土的坍落度如表10 所示。并根据表10 中数据绘制出了双掺钢渣混凝土随着钢渣石取代率增加其坍落度的变化曲线，如图3所示。

图2 坍落度随钢渣砂取代率变化曲线

图3 坍落度随钢渣石取代率变化曲线

表9 钢渣石取代率为25%时不同钢渣砂取代率的坍落度

表10 钢渣砂取代率为25%时不同钢渣石取代率的坍落度

从表8-表10 和图1-图3 中可以看出。

①当钢渣砂、钢渣石等比例取代时，双掺钢渣混凝土的坍落度随着钢渣砂、石取代率的增加而降低。

②当钢渣石取代率为25%，双掺钢渣混凝土的坍落度随钢渣砂取代率的增加而降低。

③当钢渣砂取代率为25%，双掺钢渣混凝土的坍落度随钢渣石取代率的增加而降低。

综上所述，坍落度的损失与钢渣砂、石的取代率成正相关，即双掺混凝土坍落度的损失随钢渣砂、石取代率的提高而增大。

④C30 基准混凝土的坍落度在110±20mm 之间，从表中可以看出，当钢渣砂或钢渣石的取代率过大时，混凝土的坍落度就达不到该标准，会影响混凝土的工作性能。由表中数据可知，当钢渣砂、钢渣石的取代率在40%以下时，混凝土的坍落度与普通混凝土相差不大，能够满足施工要求。

⑤试验结果与单掺钢渣砂、钢渣石所得结果基本一致，随着取代率的增加，混凝土的坍落度随之降低，因此添加钢渣砂、钢渣石对混凝土的工作性能有一定的不利影响。而对于单掺钢渣砂、钢渣石混凝土取代率一般在25%时，钢渣混凝土的工作性能最接近普通混凝土，满足施工要求，相比而言双掺钢渣混凝土的取代率可以做到更高，也就能最大程度的取代砂石骨料，对降低环境污染与废物利用有着重要意义。

6 结论

①用钢渣石、砂取代混凝土粗细骨料制作双掺钢渣混凝土对混凝土的工作性能有一定的不利影响；

②随着钢渣砂、钢渣石取代率的增加，坍落度损失就越大；

③当钢渣砂、钢渣石的取代率在40%以下时，能保障钢渣混凝土的工作性能满足施工要求。