钢渣对混凝土安定性的影响及评价

叶雁飞,马伟克,申振伟,张 浩,,4

(1.宝武环科(湛江)资源循环利用有限公司,广东 湛江 524000;2.安徽工业大学 建筑工程学院,安徽 马鞍山 243032;3.安徽工业大学 冶金工程学院,安徽 马鞍山 243032;4.冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室,安徽 马鞍山 243002)

0 引言

我国是钢铁生产大国,也是钢渣排放大国,随着炼钢工业的发展,钢渣排放量逐年增加[1-2]。我国排放的钢渣70%以上是转炉钢渣,其化学成分及矿物组成与硅酸盐水泥熟料很接近,因而在混凝土生产中具有很大的应用潜力[3-5]。

日本的钢渣利用率达100%,其中有22%用于道路工程,40.7%用于建筑工程,19.3%用于回炉烧结料,8%用于深加工原材料,5.9%用于水泥原材料,1.1%用于肥料,3%用于回填料。德国的钢渣利用率达98%,其中30%配入烧结和高炉再利用,50%用于土建,18%用于农肥[6-9]。美国的钢渣利用率超过98%,其中38%用于筑路,美国的8条主要铁路线均用钢渣作铁路道渣[10-11]。俄罗斯的钢渣有效利用率为40%,其中35.1%用于建筑材料[12]。瑞典向熔融钢渣中加入碳、硅和铝质材料,在达到回收金属的目的后,再将钢渣用于水泥生产。加拿大将处理过的钢渣用于道路建设[13-15]。由上可见,美国、德国、日本等发达国家将钢渣主要应用于水泥、混凝土、道路材料等领域。我国上海市的钢渣综合处理率达100%,但是仅10%用于生产水泥的生料配料和混合料、粉磨生产超细钢渣粉以及用作集料制备透水混凝土。这是因为钢渣不仅成分复杂,且f-CaO含量较高,稳定性差,体积膨胀会导致混凝土构件破坏,极大限制了钢渣在建筑材料中的应用,同时我国钢渣安定性测试方法及标准还不够完善[16-18]。

本文以钢渣生产的钢渣粉、钢渣砂和钢渣石为研究对象,依据YB/T 4228-2010《混凝土多孔砖和路面砖用钢渣》测试钢渣砂、钢渣石以及钢渣粉、钢渣砂和钢渣石复合对混凝土安定性的影响,通过研究钢渣用于混凝土后的压蒸膨胀率及其试件状态,确定混凝土的安定性评价标准。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

水泥为安徽海螺集团有限责任公司的P·O 42.5水泥,其基本性能见表1;矿粉为安徽马钢嘉华新型建材有限公司的S95矿粉;粉煤灰为马鞍山钢铁股份有限公司热电厂的二级粉煤灰;中砂为马鞍山马钢嘉华商品混凝土有限公司的搅拌站粗砂和细砂按质量比1∶1配成的混合砂,其筛分结果见表2;碎石为马鞍山市远大商品混凝土有限公司的搅拌站碎石,其筛分结果见表3;钢渣粉、钢渣砂和钢渣石分别为宝武环科(湛江)资源循环利用有限公司400目转炉滚筒渣粉、0.075～4.75 mm转炉滚筒渣砂和4.75～26.5 mm转炉滚筒渣石,其化学成分见表4,f-CaO质量分数、沸煮膨胀值和压蒸粉化率见表5;水为自来水,标准砂取自厦门艾思欧标准砂有限公司。

表1 P·O 42.5水泥基本性能

表2 中砂和钢渣砂的筛分结果

表3 碎石和钢渣石的筛分结果

表4 钢渣的化学成分 单位:%

表5 钢渣的f-CaO质量分数、沸煮膨胀值和压蒸粉化率

1.2 试验方法

钢渣砂替代中砂的混凝土配合比见表6。按胶凝材料(P·O 42.5水泥、矿粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水的质量比为360∶50∶1 050∶180,钢渣砂分别以10%、20%、30%、40%、50%的比例替代中砂,成型尺寸为25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土试件,经2.0 MPa压力压蒸后测试其压蒸安定性。钢渣石替代碎石的混凝土配合比见表7。按胶凝材料(P·O 42.5水泥、矿粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水的质量比为360∶750∶1 050∶180,钢渣石分别以10%、20%、30%、40%、50%的比例替代碎石,成型尺寸为25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土试件,经2.0 MPa压力压蒸后测试其压蒸安定性。

表6 钢渣砂替代中砂的混凝土配合比

表7 钢渣石替代碎石的混凝土配合比

钢渣替代矿粉、中砂和碎石的混凝土配合比见表8。按胶凝材料(P·O 42.5水泥、矿粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水质量比为360∶750∶1 050∶180,钢渣粉以25%的比例替代矿粉,钢渣砂分别以30%、40%、50%的比例替代中砂,钢渣石分别以20%、30%、40%的比例替代碎石,成型尺寸为25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土试件,经2.0 MPa压力压蒸后测试其压蒸安定性。

表8 钢渣替代矿粉、中砂和碎石的混凝土配合比

1.3 性能测试

依据YB/T 4228-2010《混凝土多孔砖和路面砖用钢渣》测试钢渣砂、钢渣石,以及钢渣粉、钢渣砂和钢渣石复合对混凝土安定性的影响。

2 试验结果与分析

2.1 钢渣砂替代中砂对混凝土安定性的影响

表9为钢渣砂替代中砂的混凝土压蒸安定性测试结果。由表9可知:随着钢渣砂替代中砂率的升高,试件的压蒸膨胀率实测值增大,并且试件的破损情况加重;当钢渣砂替代中砂率高于40%时,试件出现潜在的安定性不良危险;当钢渣砂替代中砂率为50%时,试样GZS5出现断裂。因此,钢渣砂替代中砂率小于30%时混凝土的压蒸安定性较好,而在钢渣砂替代中砂率小于20%时,试样GZS1、GZS2的压蒸安定性良好。

表9 钢渣砂替代中砂的混凝土压蒸安定性测试结果

2.2 钢渣石替代碎石对混凝土安定性的影响

表10为钢渣石替代碎石的混凝土压蒸安定性测试结果。由表10可知,随着钢渣石替代碎石率的升高,试样的压蒸膨胀率实测值呈现先升高后降低最后急剧升高的趋势;同时结合表10与表9可以看出,钢渣石替代碎石试样的压蒸安定性远弱于钢渣砂替代中砂试样的压蒸安定性,这是因为钢渣石的粒径大于钢渣砂的粒径,大粒径的钢渣更易形成“渣包铁”结构,增大钢渣组成成分的不均匀性,导致试样出现局部膨胀,虽然试样整体压蒸膨胀率实测值不大,但是剥落与断裂状态随着钢渣石替代碎石率的升高而变得愈来愈严重[17-18]。

表10 钢渣石替代碎石的混凝土压蒸安定性测试结果

从表10中还可以看出,虽然GZR1-GZR5的压蒸膨胀率实测值均小于0.8,但是当钢渣石替代碎石率高于40%时试件破损严重,说明压蒸膨胀率不能作为评价安定性的唯一指标,试件状态也可作为评价安定性的重要指标。

2.3 钢渣粉、钢渣砂和钢渣石复合对混凝土安定性的影响

表11为钢渣替代矿粉、中砂和碎石的混凝土压蒸安定性测试结果。由表11可知,ZD3和ZD9的试件均出现断裂、ZD5的压蒸膨胀率实测值最高,上述试样中钢渣石替代碎石率均高于30%,且钢渣粉替代矿粉率、钢渣砂替代中砂率、钢渣石替代碎石率之和均不低于105%。ZD1试样状态最好,其中有2个试件完好无损、1个试件2处点剥落,该试样中钢渣粉替代矿粉率、钢渣砂替代中砂率、钢渣石替代碎石率之和为75%,是表11中钢渣替代矿粉、中砂和碎石最少的试样。

表11 钢渣替代矿粉、中砂和碎石的混凝土压蒸安定性测试结果

从表11中还可以看出,ZD2、ZD6和ZD8试样状态较好,均有完好无损的试件,上述试样中钢渣粉替代矿粉率、钢渣砂替代中砂率、钢渣石替代碎石率之和为85%～95%,且钢渣砂替代中砂率大于钢渣石替代碎石率。ZD4和ZD7试样既不存在完好无损状态,也不存在断裂状态,上述试样中钢渣粉替代矿粉率、钢渣砂替代中砂率、钢渣石替代碎石率之和为85%～95%,且钢渣砂替代中砂率不高于钢渣石替代碎石率。综上所述,当混凝土配合比中钢渣粉替代矿粉率、钢渣砂替代中砂率、钢渣石替代碎石率之和为75%～95%,且钢渣砂替代中砂率高于钢渣石替代碎石率时,试样的混凝土压蒸安定性良好。

2.4 钢渣用于混凝土的压蒸安定性评价方法

GB/T 24763-2009《泡沫混凝土砌块用钢渣》、GB/T 24764-2009《外墙外保温抹面砂浆和粘结砂浆用钢渣砂》和YB/T 4228-2010《混凝土多孔砖和路面砖用钢渣》等相关标准中明确了压蒸安定性评价方法为“试件完整且压蒸膨胀率不大于0.80%,为体积安定性合格,反之为不合格”。结合表9、表10和表11进行综合分析可知:首先,GZS1-GZS5、GZR1-GZR5和ZD1-ZD9试样中不存在断裂状态的试件压蒸膨胀率实测值最高为0.17%,因此相关标准中压蒸膨胀率标准值小于0.8%是否合理有待商榷;其次,相关标准中要求经压蒸后的试件状态为“完整”,但是没有明确“完整”的定义;再次,试件中钢渣替代矿粉、中砂和碎石率与安定性不存在明显的线性关系,只有替代率过高时压蒸后试件才出现断裂状态;最后,经压蒸后试件的压蒸膨胀率实测值大小与安定性好坏程度无直接关系。综上所述,仅仅依据相关标准中压蒸膨胀率实测值判定钢渣用于混凝土的安定性是否合格不尽合理,因此根据表9-表11的测试结果,可以结合压蒸膨胀率和试件状态综合评价钢渣用于混凝土的安定性(见表12)。

表12 钢渣用于混凝土的安定性评价方法

3 结论

a.混凝土配合比中当钢渣粉替代矿粉率、钢渣砂替代中砂率、钢渣石替代碎石率之和为75%～95%,且钢渣砂替代中砂率高于钢渣石替代碎石率时,钢渣替代矿粉、中砂和碎石的混凝土压蒸安定性良好。

b.单条试件安定性评价标准为:当出现断裂时,试件不合格;当大损伤数≥2处时,试件不合格。

c.3条试件安定性评价标准为:当压蒸平均膨胀率实测值>0.15%时,混凝土安定性不合格;当压蒸平均膨胀率实测值≤0.15%且有单条试件不合格时,混凝土安定性不合格。