馮興良， 王 帥， 王成剛， 周榆秋

(1.華匯建設集團有限公司，浙江 嵊州 321400； 2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 3.安徽同濟建設集團有限責任公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

近年來，鋼鐵產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展迅速，給環(huán)境帶來了很大負擔，廢棄物排放的問題也對環(huán)境造成了諸多不利影響。而且我國對鋼渣的利用率一直較低，落后于美國、日本、歐洲等發(fā)達國家。目前很多鋼鐵企業(yè)正由于日益惡化的環(huán)境問題導致發(fā)展被制約，甚至停滯不前。如何處理好煉制鋼鐵產(chǎn)生的廢棄物也成為近年來各個可持續(xù)發(fā)展會議的熱門話題[1-3]。近年來召開的關(guān)于做好碳達峰、碳中和工作的相關(guān)會議，要求大力實施節(jié)能減排，全面推進清潔生產(chǎn)，加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，將加快形成綠色生產(chǎn)生活方式，其中也提到鋼鐵產(chǎn)業(yè)要解決好廢棄物處理問題。近年來我國大力開展城市化建設，需要大量的混凝土來支持，導致混凝土中的粗骨料天然石子和細骨料天然砂過度開采十分嚴重，聯(lián)合國環(huán)境署于2019發(fā)布的《過度開采砂石已帶來系列環(huán)境問題》指出在自然環(huán)境方面，河流中的大肆筑壩與開采，減少了許多河流向沿海地區(qū)的輸沙量，這一現(xiàn)象導致河口三角洲處沉積物減少，引發(fā)海水倒灌，土地鹽堿化程度加深，海水的海岸侵蝕速率提高。可見做傳統(tǒng)混凝土大規(guī)模開采砂石對環(huán)境造成一定程度的破壞。考慮到生態(tài)環(huán)境的日益惡化，我們不能像以前一樣繼續(xù)大規(guī)模的開采天然砂石。通過研究發(fā)現(xiàn)：可以用鋼渣替代天然砂、天然石子用做混凝土的骨料。這樣不僅可以解決鋼鐵產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展所帶來的廢棄物排放的問題，還可以廢物利用，增加鋼鐵產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益[2-4]。研究表明[5-12]：鋼渣集料替代混凝土中的粗細集料后，改善了鋼渣混凝土的力學性能，耐久性方面則有改善也有變差的現(xiàn)象，但是和易性變差。

針對于鋼渣石混凝土和鋼渣砂混凝土二者力學性能的對比研究還比較少，而且前人對取代普通混凝土中的鋼渣粒徑大小對混凝土的性能影響的研究也相對較少。本文中的粗細鋼渣由馬鞍山鋼鐵股份有限公司第四鋼軋總廠提供，由熱悶法生產(chǎn)，具有穩(wěn)定性好、粉化率高、渣鐵分離充分等優(yōu)點。由粗細鋼渣分別以不同取代率替代傳統(tǒng)骨料摻入混凝土中，對比研究鋼渣石與鋼渣砂對混凝土力學的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

(1) 水泥：采用的是海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的海螺42.5普通硅酸鹽水泥，具體性能見表1。

表1 水泥的基本性能

(2) 細集料：采用鋼渣砂和天然砂作為細集料。其具體特性見表2。

表2 細集料的基本特性

(3) 鋼渣砂：由馬鞍山鋼鐵股份有限公司第四鋼軋總廠提供，采用熱悶法生產(chǎn)，鋼渣的化學組成見表3。

將鋼渣砂篩分成0.3～1.18 mm和1.18～4.75 mm兩個級配作為混凝土細集料，并將兩種級配的比例設置為7∶3，物理性能見表3，試驗所使用的鋼渣砂細集料各項指標均滿足規(guī)范標準。

表3 鋼渣石(砂)的主要化學成分

(4) 粗集料：石子為5～10 mm和10～20 mm的雙級配，作為混凝土的粗骨料，其相關(guān)性能和具體特性見表4。

表4 石灰?guī)r碎石的基本特性

試驗所用鋼渣石為塊狀鋼渣，采用5～10 mm和10～20 mm兩個級配作為混凝土細集料，確定鋼渣砂配合比5～10 mm鋼渣砂:1020 mm鋼渣石為7∶3，依據(jù)混凝土碎石的檢測標準檢測了鋼渣石的相關(guān)物理特性，結(jié)果見表5。

表5 鋼渣石的物理性能

1.2 試驗配合比

該鋼渣石(砂)混凝土試驗是按照普通C30混凝土進行配制。為了研究單摻鋼渣石或鋼渣砂對鋼渣混凝土力學性能(立方體抗壓強度、抗折強度、軸心抗壓強度、彈性模量)的影響。用粗鋼渣充當普通混凝土中粗骨料替代天然石子，用細鋼渣充當普通混凝土中細骨料替代天然砂，具體配合比見表6。

表6 鋼渣石(砂)混凝土配合比

其P0組代表普通混凝土，P1-A、P1-B、P2-A、P2-B、P3-A、P3-B、P4-A、P4-B分別代表鋼渣石、鋼渣砂取代天然石子的比例為25%、50%、75%、100%。

1.3 試驗方法

根據(jù)表6按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)要求制備以上9組混凝土立方體抗壓、抗折、軸心抗壓及彈性模量的鋼渣石、鋼渣砂混凝土試塊，經(jīng)過在養(yǎng)護室蒸汽養(yǎng)護后測試其力學性能。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 立方體抗壓強度試驗

2.1.1 試驗結(jié)果

通過9組共81個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm試塊的測試，分別得到鋼渣砂和鋼渣石5種不同取代率的混凝土在不同齡期(7 d、14 d、28 d)下的立方體抗壓強度，見表7。根據(jù)表8中數(shù)據(jù)繪制出鋼渣石(砂)混凝土立方體養(yǎng)護7 d、14 d、28 d的抗壓強度與不同取代率的關(guān)系曲線，如圖1所示。

表7 不同齡期鋼渣石(砂)混凝土立方體抗壓強度

圖1 不同取代率鋼渣石(砂)混凝土抗壓強度曲線圖

2.1.2 試驗結(jié)果分析

從表7和圖1可以看出：

(1) 隨著在養(yǎng)護室蒸汽養(yǎng)護時間的增長，各個取代率的鋼渣石混凝土和鋼渣砂混凝土的立方體抗壓強度都有所提高。且蒸汽養(yǎng)護28 d時，普通混凝土的強度高于所有取代率情況下的鋼渣石混凝土和鋼渣砂混凝土。

(2) 養(yǎng)護28 d時，鋼渣砂混凝土抗壓強度僅P3-B組略微小于抗壓指標要求30 MPa，其他各個取代率鋼渣砂混凝土與全部鋼渣石混凝土的抗壓強度均滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50010—2010)中規(guī)定的要求。在蒸汽養(yǎng)護為3 d、7 d、28 d 3種不同的齡期時，當粗細鋼渣摻量為25%時粗細鋼渣混凝土的立方體抗壓強度與普通混凝土的最為接近。

(3) 鋼渣石混凝土養(yǎng)護齡期不超過14 d時，隨著鋼渣石的用量的增加，鋼渣石混凝土抗壓強度先增大后減??；當蒸汽養(yǎng)護28 d時，隨著粗鋼渣取代率提高，鋼渣石混凝土抗壓強度大致呈現(xiàn)出減小的趨勢；而對于鋼渣砂混凝土蒸汽養(yǎng)護時間不超過28 d時，隨著細鋼渣摻量的增加，鋼渣砂混凝土抗壓強度表現(xiàn)為先減小后增大變化情況。

(4) 當取代率相同時，鋼渣石混凝土的抗壓強度普遍大于鋼渣砂混凝土的抗壓強度(除取代率為100%、養(yǎng)護28 d之外)，并且當取代率值為100%時，二者抗壓強度最接近。

2.2 抗折強度試驗

2.2.1 試驗結(jié)果

通過9組共27個邊長為150 mm×150 mm×450 mm試塊的測試，分別得到不同取代率的鋼渣石和鋼渣砂混凝土在28 d齡期下的抗折強度，見表8。根據(jù)表8中數(shù)據(jù)繪制出鋼渣石(砂)混凝土的抗折強度與不同取代率的關(guān)系曲線，如圖2所示。

表8 鋼渣石(砂)混凝土抗折強度值

圖2 不同取代率鋼渣石(砂)混凝土抗折強度曲線圖

2.2.2 試驗結(jié)果分析

從表8和圖2可以看出：當蒸汽養(yǎng)護時間為28 d時，普通混凝土的抗折強度高于各個取代率情況下的鋼渣石混凝土和鋼渣砂混凝土；僅P4-A組鋼渣石混凝土與P2-B組鋼渣砂混凝土抗折強度小于3.5 MPa，其他不同取代率鋼渣石混凝土抗折強度均大于3.5 MPa，都滿足C30混凝土的抗折強度指標要求；隨著取代率的增加，鋼渣石混凝土抗折強度呈先增加后減小的趨勢；鋼渣砂混凝土抗折強度呈先減小后增加的趨勢。

2.3 軸心抗壓強度試驗

2.3.1 試驗結(jié)果

通過9組共27個邊長為150 mm×150 mm×300mm試塊的測試，分別得到不同取代率的鋼渣石和鋼渣砂混凝土在28d齡期下的軸心抗壓強度，見表9。根據(jù)表9中數(shù)據(jù)繪制出鋼渣石(砂)混凝土的軸心抗壓強度與不同取代率的關(guān)系曲線，如圖3所示。

表9 鋼渣石(砂)混凝土軸心抗壓強度

圖3 不同取代率鋼渣石(砂)混凝土軸心抗壓強度曲線圖

2.3.2 試驗結(jié)果分析

由表9和圖3可以看出：隨著取代率的提高，鋼渣石混凝土的軸心抗壓強度的變化趨勢大致為先增大后減??；對于鋼渣砂混凝土，隨著鋼渣砂取代率的提高，其軸心抗壓強度先減小后增大；其中僅P2-B組鋼渣砂混凝土軸心抗壓強度略小于20.1 MPa，其他不同取代率鋼渣砂混凝土和全部鋼渣石混凝土的軸心抗壓強度均滿足軸心抗壓強度指標且大于20.1 MPa。說明鋼渣粗骨料的加入有利于提高混凝土的軸心抗壓能力；而鋼渣細骨料的加入降低了混凝土的軸心抗壓能力。

2.4 彈性模量試驗

2.4.1 試驗結(jié)果

通過9組共27個150 mm×150 mm×300 mm試塊的測試，分別得到不同取代率的鋼渣石和鋼渣砂混凝土在28d齡期下的彈性模量，如表10所示。根據(jù)表10中數(shù)據(jù)繪制出鋼渣石(砂)混凝土的彈性模量與不同取代率的關(guān)系曲線，如圖4所示。

表10 不同鋼渣石(砂)替代率條件下的彈性模量(MPa)

圖4 不同取代率鋼渣石(砂)混凝土彈性模量曲線圖

2.4.2 試驗結(jié)果分析

從表10和圖4可以看出：28bd齡期的鋼渣石混凝土與鋼渣砂彈性模量均大于普通混凝土彈性模量，且相同取代率的鋼渣石混凝土彈性模量均大于鋼渣砂混凝土的；隨著鋼渣石與鋼渣砂摻量的增加，鋼渣石混凝土和鋼渣砂混凝土的彈性模量都隨之增加。

3 結(jié) 論

(1) 養(yǎng)護齡期達到28 d時，除個別情況外，鋼渣石和鋼渣砂混凝土的力學性能都能滿足規(guī)范規(guī)定的指標要求，說明可以用鋼渣石和鋼渣砂分別替代天然石子和天然砂制備混凝土。

(2) 在取代率相同的情況下，鋼渣石混凝土的立方體抗壓強度基本上都大于鋼渣砂混凝土(除取代率為100%、養(yǎng)護28 d之外)，鋼渣石混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量均大于鋼渣砂混凝土的。

(3) 隨著取代率的增加，鋼渣石混凝土的抗壓強度、抗折強度和軸心抗壓強度總體呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，而鋼渣砂混凝土的抗壓強度、抗折強度和軸心抗壓強度則呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

(4) 當養(yǎng)護齡期為28 d時，普通混凝土的彈性模量小于摻有粗細鋼渣的混凝土的彈性模量，且隨著粗細鋼渣取代率的增加，鋼渣混凝土彈性模量也越來越大。