钢渣细集料对混凝土和易性及抗压强度的影响研究

李金丽

(广州市盛通建设工程质量检测有限公司,广东 广州 510075)

0 引言

1 试验

1.1 试验原材料

本研究使用级配良好的石灰石粗骨料,堆积密度为1 630 kg/m3,最小粒径5 mm,最大粒径25 mm,比重为2.78,细度模数为6.1。细骨料使用天然河砂,堆积密度为1 645 kg/m3,比重为2.66,细度模数为2.6。细集料和钢渣的累积筛余量结果如表1所示。细钢渣的比重为3.19,高于砂的比重,因此钢渣部分或全部取代砂会增加混凝土的密度。细钢渣的化学分析如表2所示,可以看出,本文选取的钢渣细集料CaO含量很低,火山灰活性较弱。

表1 细集料累积筛余量 %

表2 钢渣细集料的化学成分 %

1.2 配合比设计和试件制备

为了研究低CaO钢渣用作细骨料制备钢渣混凝土的效果,以JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》为依据,对所有钢渣混凝土混合物进行了制备和调整,以获得中等和易性,使坍落度保持在8～12 cm的水平,以防止离析并便于浇筑。试验共设计了三种混凝土强度:25 MPa、35 MPa和45 MPa,设计了三种钢渣取代率:15%、25%和35%,具体各掺合料掺量和水灰比如表3所示。设置了未掺钢渣的普通混凝土为试验对照组。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019),对所有钢渣混凝土拌合物进行坍落度试验,测试所有混合物的和易性,测量所有新拌混凝土的密度。按照GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》,制备100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件,测试钢渣混凝土在3 d、7 d、28 d和90 d的抗压强度,研究龄期和钢渣掺量对钢渣混凝土抗压强度的影响。

表3 钢渣细集料混凝土试件配合比

2 试验结果和分析

2.1 钢渣掺量对混凝土坍落度的影响

为了探讨钢渣细集料的掺入对混凝土拌合物和易性的影响,在各组混凝土拌和过程中测量混凝土混合料的坍落度。图1显示了混凝土坍落度与钢渣掺量之间的关系。未掺钢渣的普通混凝土坍落度平均值为12.4 cm,随着钢渣掺量从0%增加至15%、25%和35%,钢渣混凝土的坍落度持续下降,分别减小了10.4%、20.25和27.3%,可以看出,随着钢渣用量的增加降低了混凝土的和易性。分析其原因,部分天然河砂被粒度更细、更吸水的材料所取代,导致钢渣混凝土坍落度的降低。钢渣掺量越高,混凝土的坍落度越低。另一方面,与普通砂粒相比,钢渣具有更多的棱角,形状不规则。因此,使用钢渣作为细骨料会对混凝土的和易性产生负面影响,特别是当取代率超过15%时,在大掺量钢渣混凝土制备时,建议掺加外加剂以改善混凝土的和易性。分析其原因,钢渣中二氧化硅含量低,氧化铁含量高。因此,与粒化高炉矿渣相比,几乎没有火山灰活性,钢渣的主要用途是作为骨料替代,钢渣聚集体具有角状结构,钢渣之间更紧密的互锁增加了混凝土拌合物流动时的阻力[8]。

图1 钢渣混凝土的坍落度 图2 钢渣混凝土的密度

2.2 钢渣掺量对混凝土密度的影响

图2显示了钢渣取代率与新拌混凝土密度增加量之间的关系。如预期一样,因比重较重的钢渣部分取代了比重较小的河砂,钢渣在混凝土中的使用增加了混凝土的密度,且钢渣掺量越多,混凝土的密度越大,钢渣混凝土较未掺钢渣的普通混凝土的密度增加量越大。随着钢渣掺量从15%增加至25%和35%,钢渣混凝土较普通混凝土的密度分别增加了28.7 kg/m3、40.2 kg/m3和54.3 kg/m3,相对来说,钢渣混凝土的密度的增加量很小,均小于10%,可将钢渣混凝土仍视为正常密度混凝土。因为钢渣成分中铁含量高,钢渣的密度值一般高于天然骨料,含有钢渣的混凝土混合物的比重高于含有碎石灰石骨料的混凝土混合物,可用于生产重混凝土。

2.3 龄期对钢渣混凝土抗压强度的影响

下图3为各组试件的抗压强度和混凝土龄期之间的关系。从图3中可以看出,各组混凝土的抗压强度均随龄期增加而增加。当钢渣取代率为25%时,设计强度为25 MPa的钢渣混凝土,3 d抗压强度为17.2 MPa,随着龄期增长为7 d、28 d和90 d,钢渣混凝土的抗压强度较3 d龄期时分别增加了41.2%、82.4%和97.1%,其中28 d抗压强度为31.2 MPa。当钢渣取代率为25%时,设计强度为35 MPa的钢渣混凝土,3 d抗压强度为25.1 MPa,随着龄期增长为7 d、28 d和90 d,钢渣混凝土的抗压强度较3 d龄期时分别增加了41.0%、56.2%和73.7%,其中28d抗压强度为39.2 MPa。当钢渣取代率为25%时,设计强度为45 MPa的钢渣混凝土,3 d抗压强度为32.5 MPa,随着龄期增长为7 d、28 d和90 d,钢渣混凝土的抗压强度较3 d龄期时分别增加了35.4%、46.2%和61.5%,其中28 d抗压强度为47.5 MPa。

当钢渣取代率为35%时,设计强度为25 MPa的钢渣混凝土,3 d抗压强度为18.4 MPa,随着龄期增长为7 d、28 d和90 d,钢渣混凝土的抗压强度较3 d龄期时增加了38.5%～73.9%。当钢渣取代率为35%时,设计强度为35 MPa的钢渣混凝土,3 d抗压强度为25.8 MPa,随着龄期增长为7 d、28 d和90 d,钢渣混凝土的抗压强度较3 d龄期时分别增加了35.7%～62.0%。当钢渣取代率为35%时,设计强度为45 MPa的钢渣混凝土,3 d抗压强度为28.2 MPa,随着龄期增长为7 d、28 d和90 d,钢渣混凝土的抗压强度较3 d龄期时分别增加了34.8%～59.6%。

图3 钢渣混凝土抗压强度与龄期的关系

将钢渣混凝土与未掺钢渣的普通混凝土对比,可以发现含钢渣的混凝土在早期表现出较高的抗压强度。设计强度为25 MPa的钢渣混凝土在7 d抗压强度较未掺钢渣的混凝土高出33.3%～44.4%,设计强度为35 MPa的钢渣混凝土在7 d抗压强度较未掺钢渣的混凝土高出34.6%～44.2%,但在设计强度为45 MPa的钢渣混凝土的7 d抗压强度较未掺钢渣的混凝土较为接近,在钢渣掺量为15%和25%时,钢渣混凝土较普通混凝土的7 d抗压强度高出4.2%～5.5%,在钢渣掺量为35%时,反而较普通混凝土的7 d抗压强度低1.3%。

由图3(c)可以看到,在设计强度为45 MPa时,矿渣取代率为35%时,在3 d、7 d、28 d和90 d的抗压强度均低于正常混凝土混合物,分别减少了7.6%、1.3%、6.7%和10.0%,相对来说,钢渣取代率较低时,钢渣混凝土在7 d、28 d和90 d的抗压强度越高。

2.4 钢渣掺量对钢渣混凝土抗压强度的影响

下图4为钢渣混凝土抗压强度与钢渣掺量的关系,图4(a)和图4(b)分别为7 d和28 d龄期。由图(a)可以看出,设计强度为25 MPa和35 MPa时,均在15%钢渣取代率时有最高的抗压强度,分别较普通混凝土高44.4%和44.25%,但在设计强度为45 MPa时,在25%钢渣取代率时有最高的抗压强度,7 d抗压强度最高达到44.2 MPa。由图(b)可以看出,钢渣混凝土28 d抗压强度与钢渣掺量的关系呈现类似的结果。设计强度为25 MPa时,在15%钢渣取代率时有最高的抗压强度,较普通混凝土高26.9%,在设计强度为35 MPa和45 MPa时,在25%钢渣取代率时有最高的抗压强度,分别较普通混凝土高13.6%和5.6%。在35%大钢渣掺量情况下,钢渣混凝土的抗压强度均有一定程度的下降,在设计强度为45 MPa时,7 d和28 d抗压强度均低于未掺钢渣的普通混凝土。

图4 钢渣混凝土抗压强度与钢渣掺量的关系

分析其原因,钢渣比河砂具有更高的抗压强度,同时,由于矿渣棱角较多,其表面结构比河砂更粗糙,过渡区更强,混凝土拌合物与钢渣之间的粘附力增加,由于钢渣的填料效应和粘结性,从而增加了抗压强度[9]。当钢渣取代细骨料超过一定量时,由于矿渣的角状结构导致的可加工性降低,反而会使抗压强度降低。

3 结语

本文研究了钢渣对混凝土性能的影响,以揭示钢渣取代率与混凝土性能变化的关系,对各组钢渣混凝土的性能进行了比较,可得到以下结论:

(1)随着钢渣掺量增加,钢渣混凝土的坍落度持续下降,较未掺钢渣的普通混凝土可减小10.4%～27.3%,降低了混凝土的和易性。

(2)钢渣掺量从15%增加至25%和35%,钢渣混凝土较普通混凝土的密度增加了28.7～54.3 kg/m3。

(3)钢渣部分取代砂可使混凝土的抗压强度有一定程度的提高,较未掺钢渣的普通混凝土28d抗压强度提高5.6%～26.9%。钢渣取代率为15%、25%时,对混凝土抗压强度提升效果较佳,且混凝土设计强度等级越低,钢渣对抗压强度改善的效果越显著。

(4)在混凝土配合比设计中使用钢渣作为部分细骨料对混凝土的抗压强度有积极影响;因此,将适量钢渣掺入混凝土是合理可行的,同时可缓解钢铁工业在生产过程中对环境所造成的的不利影响。