碳化钢渣集料制备透水混凝土*

吴昊泽，徐东宇

（1.山东省水泥质量监督检验站；山东济南250022；2.济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，山东济南250016）

0 前言

钢渣是炼钢工业中所产生的工业废渣，由于钢渣早期水化活性低、安定性不良，钢渣的应用受到限制[1-3]。应用碳化养护，可以快速将CO2固化储存在钢渣中[4]，有效改善其安定性不良等问题[5-7]，应用碳化钢渣可制备人造集料[8-9]。近几年来，我国对透水混凝土展开了广泛研究和应用[10]。透水混凝土具有孔隙大、透水率高、抗冻性等特点，可以在极端天气下加快城市排水和地下水循环[11]。现有的透水混凝土因石子骨料之间的孔隙导致混凝土的结构发生变化，后期易发生收缩断裂，从而影响了混凝土的力学性能和耐久性[12]。本课题利用碳化钢渣制备集料，研究不同掺量下碳化钢渣集料替代石子骨料对透水混凝土抗压强度、孔隙率、透水率及抗冻性的影响，

1 试验

1.1 原材料

水泥：山东山水集团生产P·O42.5，密度3.07g/cm3，初凝和终凝时间分别为180min和270min，3d和28d抗压强度分别为24.8MPa及55.1MPa；粉煤灰：济南黄台电厂生产F类Ⅱ级，密度2.77 g/cm3，比表面积434m2/kg，烧失量4.84%；粗集料：平安建设混凝土搅拌站用石灰岩碎石，粒径4.75～9.5mm，连续级配，表观密度2.59g/cm3，堆积密度1.46g/cm3，压碎指标9.7%，针片状含量8.7%，孔隙率35.7%，吸水率0.8%；钢渣：齐河永锋钢铁集团生产，热闷磁选后，经鄂破、筛分得粒径4.75～9.5 mm，连续级配；聚羧酸减水剂：固含量42%，减水率26%；水：自来水。

应用Burke S8荧光分析仪检测原材料的主要化学成分，其结果见表1。

表1 原材料的主要化学成分 %

1.2 实验方法

在粒径4.75～9.5 mm钢渣颗粒表面，按液固比0.15kg/kg进行喷水（水中溶有5%的自制碳化增强剂CNH40），在相对湿度70%～90%的反应釜中通入CO2浓度为30%～40%的钢厂配套石灰窑尾废气，进行钢渣集料碳化养护360 min。按GB/T14685—2011《建设用卵石、碎石》测定钢渣集料性能；应用Burke D8 Advance XRD和日立S-2500 SEM测定钢渣碳化前后的矿物组成及微观形貌。

参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》设计碳化钢渣集料透水混凝土，混合料采用“水泥裹石法”[13]进行搅拌成型。按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定试件28d抗压强度；按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试试件工作性能；采用浸水质量法进行孔隙率测试；按照CJJ/T135—2009测试试件透水系数；抗冻性采用快速冻融循环法（设置温度：-5～5℃，循环周期：2.5h，循环次数：50次）。

2 结果与分析

2.1 碳化钢渣集料性能

按照标准测定钢渣集料性能，表2为测试结果。与原钢渣相比，碳化钢渣集料的表观密度、堆积密度分别增加了6.84%及7.25%；针片状含量变化不大；孔隙率、吸水率和压碎指标分别降低了20.45%，55.34%及36.39%。与石灰岩碎石相比，碳化钢渣集料的表观密度和堆积密度为碎石的1.27和1.42倍，针片状含量比碎石高3.14%，孔隙率和吸水率为碎石的84.42%及88.75%。

表2 碳化钢渣集料性能

分别取未处理钢渣和碳化钢渣集料粉磨过筛，进行XRD及SEM观测。图1为XRD图谱，从图中高的背底可以看出其含有一定量的玻璃体。碳化钢渣集料碳酸盐的衍射峰增强较为明显，而Ca(OH)2衍射峰基本消失，C2S、C3S等矿物的衍射峰强度消减，说明这些矿物经反应生成了碳酸盐。图2为SEM照片，与未处理钢渣相比，存在大量颗粒状晶体结晶。由于钢渣矿物组成的原因（含金属成分高），钢渣集料表观密度和堆积密度均高于石灰岩碎石，而鄂破、筛分的生产工艺致使钢渣集料针片状含量的增高。但经碳化处理，钢渣中碳酸盐矿物的结晶生成，钢渣集料更加致密，导致与未处理钢渣相比孔隙率和吸水率下降较为明显，压碎值有较大幅度提高，但其压碎值相较于石灰岩碎石仍有不足。采用硫酸钠溶液法测试测试坚固性，碳化钢渣集料质量损失为2.7%，与石灰岩碎石（2.4%）相差不大。

2.2 透水混凝土性能

碳化钢渣集料透水混凝土水胶比采用0.30，外加剂掺量2.0%，其配合比见表3。A02与A01相比，28d抗压强度降低1.54 MPa，冻融循环后强度损失率增加了1.2%，其他性能性差不大，因此用A02试件作为对比空白样（即采用粉煤灰内掺15%）。

图1 碳化钢渣集料XRD图谱

图2 碳化钢渣集料SEM照片

表3 碳化钢渣集料透水混凝土配合比 kg/m3

表3是碳化钢渣集料透水混凝土抗压强度，随着未处理钢渣颗粒取代碎石的量从10%至50%递增，抗压强度降低率依次为20.24%,29.96%,42.51%、47.73%及51.01%，碳化钢渣集料组抗压强度降低率依次为4.45%,15.38%,30.36%,36.44%及41.29%。由于碳化致使钢渣集料致密性提高，压碎值得以改善，用碳化钢渣集料配制的透水混凝土抗压强度明显较好。当处理钢渣颗粒取代碎石的量达到10%时，抗压强度已低于20MPa，替代量达到30%时，强度已低于15MPa；而碳化钢渣集料取代碎石的量达到20%，透水混凝土强度为20.9MPa。

表3 试件28d抗压强度 MPa

由表4可见，相对于空白样，加入钢渣集料均能提高孔隙率，这一方面是由于针片状含量较多，另一方面是由于钢渣集料表面致密度较碎石较差。随着未处理钢渣颗粒取代碎石的量从10%至50%递增，孔隙率提高率依次为5.52%，7.97%，9.81%，12.88%及15.95%，碳化钢渣集料组孔隙率变化率依次为-1.22%，0，5.52%，4.29%及9.81%。对于孔隙率的提高，碳化钢渣集料不如未处理钢渣颗粒，甚至在替代量10%时，孔隙率略有降低。

表4 试件孔隙率 %

透水系数的透水混凝土的重要性能。表5是碳化钢渣集料透水混凝土透水系数，随着未处理钢渣颗粒取代碎石的量从10%至50%递增，透水系数提高率依次为8%，12%，20%，16%及24%，碳化钢渣集料组透水系数提高率依次为12%，12%，16%，16%及24%。钢渣集料的加入有利于透水系数的提高，当碳化钢渣集料取代量达到20%时，透水系数达到了2.8 mm/s，但透水系数的增加并没有与替代量呈现出线性关系，这说明透水系数并不完全取决于孔隙率。

表5 试件透水系数 mm/s

表6为为冻融循环质量和强度损失变化，在质量损失方面，与空白样相比，碳化钢渣集料透水混凝土变化较小，这从一方面说明其耐久性良好，而随着未处理钢渣颗粒取代碎石的量从10%至50%递增，质量损失依次为空白样的1.43，1.65，1.73，1.76及1.95倍。在强度损失方面，当碳化钢渣集料取代量为10%和20%时，与空白样的强度损失几乎相同，而随着取代量进一步增大，呈现上升趋势；而未处理钢渣颗粒的强度损失较高（替代20%时，强度损失就已经达到了15.6%）。

表6 试件抗冻性 %

3 结语

（1）研究用碳化集料代替普通集料，制备透水混凝土。利用XRD和SEM观测集料表面的矿物组成和微观形貌。

（2）通过碳化预处理，钢渣集料的孔隙率、吸水率和压碎指标分别降低20.45%，55.34%及36.39%，集料的性能得到部分优化。

（3）研究不同粗骨料替代量时，碳化钢渣集料对透水混凝土的工作性能、力学性能和耐久性的影响，碳化钢渣集料在透水混凝土中的合理替代20%碎石时，透水混凝土28 d抗压强度21.9 MPa，孔隙率16.3%，透水系数2.8 mm/s，冻融循环质量和强度损失率分别为3.6%和10.1%。