葉雁飛,馬偉克,申振偉,張 浩,,4

(1.寶武環(huán)科(湛江)資源循環(huán)利用有限公司,廣東 湛江 524000;2.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032;3.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032;4.冶金減排與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243002)

0 引言

我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó),也是鋼渣排放大國(guó),隨著煉鋼工業(yè)的發(fā)展,鋼渣排放量逐年增加[1-2]。我國(guó)排放的鋼渣70%以上是轉(zhuǎn)爐鋼渣,其化學(xué)成分及礦物組成與硅酸鹽水泥熟料很接近,因而在混凝土生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用潛力[3-5]。

日本的鋼渣利用率達(dá)100%,其中有22%用于道路工程,40.7%用于建筑工程,19.3%用于回爐燒結(jié)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。德國(guó)的鋼渣利用率達(dá)98%,其中30%配入燒結(jié)和高爐再利用,50%用于土建,18%用于農(nóng)肥[6-9]。美國(guó)的鋼渣利用率超過(guò)98%,其中38%用于筑路,美國(guó)的8條主要鐵路線均用鋼渣作鐵路道渣[10-11]。俄羅斯的鋼渣有效利用率為40%,其中35.1%用于建筑材料[12]。瑞典向熔融鋼渣中加入碳、硅和鋁質(zhì)材料,在達(dá)到回收金屬的目的后,再將鋼渣用于水泥生產(chǎn)。加拿大將處理過(guò)的鋼渣用于道路建設(shè)[13-15]。由上可見(jiàn),美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家將鋼渣主要應(yīng)用于水泥、混凝土、道路材料等領(lǐng)域。我國(guó)上海市的鋼渣綜合處理率達(dá)100%,但是僅10%用于生產(chǎn)水泥的生料配料和混合料、粉磨生產(chǎn)超細(xì)鋼渣粉以及用作集料制備透水混凝土。這是因?yàn)殇撛粌H成分復(fù)雜,且f-CaO含量較高,穩(wěn)定性差,體積膨脹會(huì)導(dǎo)致混凝土構(gòu)件破壞,極大限制了鋼渣在建筑材料中的應(yīng)用,同時(shí)我國(guó)鋼渣安定性測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善[16-18]。

本文以鋼渣生產(chǎn)的鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石為研究對(duì)象,依據(jù)YB/T 4228-2010《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》測(cè)試鋼渣砂、鋼渣石以及鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石復(fù)合對(duì)混凝土安定性的影響,通過(guò)研究鋼渣用于混凝土后的壓蒸膨脹率及其試件狀態(tài),確定混凝土的安定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

水泥為安徽海螺集團(tuán)有限責(zé)任公司的P·O 42.5水泥,其基本性能見(jiàn)表1;礦粉為安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司的S95礦粉;粉煤灰為馬鞍山鋼鐵股份有限公司熱電廠的二級(jí)粉煤灰;中砂為馬鞍山馬鋼嘉華商品混凝土有限公司的攪拌站粗砂和細(xì)砂按質(zhì)量比1∶1配成的混合砂,其篩分結(jié)果見(jiàn)表2;碎石為馬鞍山市遠(yuǎn)大商品混凝土有限公司的攪拌站碎石,其篩分結(jié)果見(jiàn)表3;鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石分別為寶武環(huán)科(湛江)資源循環(huán)利用有限公司400目轉(zhuǎn)爐滾筒渣粉、0.075～4.75 mm轉(zhuǎn)爐滾筒渣砂和4.75～26.5 mm轉(zhuǎn)爐滾筒渣石,其化學(xué)成分見(jiàn)表4,f-CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、沸煮膨脹值和壓蒸粉化率見(jiàn)表5;水為自來(lái)水,標(biāo)準(zhǔn)砂取自廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司。

表1 P·O 42.5水泥基本性能

表2 中砂和鋼渣砂的篩分結(jié)果

表3 碎石和鋼渣石的篩分結(jié)果

表4 鋼渣的化學(xué)成分 單位:%

表5 鋼渣的f-CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、沸煮膨脹值和壓蒸粉化率

1.2 試驗(yàn)方法

鋼渣砂替代中砂的混凝土配合比見(jiàn)表6。按膠凝材料(P·O 42.5水泥、礦粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水的質(zhì)量比為360∶50∶1 050∶180,鋼渣砂分別以10%、20%、30%、40%、50%的比例替代中砂,成型尺寸為25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土試件,經(jīng)2.0 MPa壓力壓蒸后測(cè)試其壓蒸安定性。鋼渣石替代碎石的混凝土配合比見(jiàn)表7。按膠凝材料(P·O 42.5水泥、礦粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水的質(zhì)量比為360∶750∶1 050∶180,鋼渣石分別以10%、20%、30%、40%、50%的比例替代碎石,成型尺寸為25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土試件,經(jīng)2.0 MPa壓力壓蒸后測(cè)試其壓蒸安定性。

表6 鋼渣砂替代中砂的混凝土配合比

表7 鋼渣石替代碎石的混凝土配合比

鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土配合比見(jiàn)表8。按膠凝材料(P·O 42.5水泥、礦粉和粉煤灰)、砂(中砂)、石(碎石)、水質(zhì)量比為360∶750∶1 050∶180,鋼渣粉以25%的比例替代礦粉,鋼渣砂分別以30%、40%、50%的比例替代中砂,鋼渣石分別以20%、30%、40%的比例替代碎石,成型尺寸為25 mm×25 mm×280 mm的小型混凝土試件,經(jīng)2.0 MPa壓力壓蒸后測(cè)試其壓蒸安定性。

表8 鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土配合比

1.3 性能測(cè)試

依據(jù)YB/T 4228-2010《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》測(cè)試鋼渣砂、鋼渣石,以及鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石復(fù)合對(duì)混凝土安定性的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼渣砂替代中砂對(duì)混凝土安定性的影響

表9為鋼渣砂替代中砂的混凝土壓蒸安定性測(cè)試結(jié)果。由表9可知:隨著鋼渣砂替代中砂率的升高,試件的壓蒸膨脹率實(shí)測(cè)值增大,并且試件的破損情況加重;當(dāng)鋼渣砂替代中砂率高于40%時(shí),試件出現(xiàn)潛在的安定性不良危險(xiǎn);當(dāng)鋼渣砂替代中砂率為50%時(shí),試樣GZS5出現(xiàn)斷裂。因此,鋼渣砂替代中砂率小于30%時(shí)混凝土的壓蒸安定性較好,而在鋼渣砂替代中砂率小于20%時(shí),試樣GZS1、GZS2的壓蒸安定性良好。

表9 鋼渣砂替代中砂的混凝土壓蒸安定性測(cè)試結(jié)果

2.2 鋼渣石替代碎石對(duì)混凝土安定性的影響

表10為鋼渣石替代碎石的混凝土壓蒸安定性測(cè)試結(jié)果。由表10可知,隨著鋼渣石替代碎石率的升高,試樣的壓蒸膨脹率實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)先升高后降低最后急劇升高的趨勢(shì);同時(shí)結(jié)合表10與表9可以看出,鋼渣石替代碎石試樣的壓蒸安定性遠(yuǎn)弱于鋼渣砂替代中砂試樣的壓蒸安定性,這是因?yàn)殇撛牧酱笥阡撛暗牧?大粒徑的鋼渣更易形成“渣包鐵”結(jié)構(gòu),增大鋼渣組成成分的不均勻性,導(dǎo)致試樣出現(xiàn)局部膨脹,雖然試樣整體壓蒸膨脹率實(shí)測(cè)值不大,但是剝落與斷裂狀態(tài)隨著鋼渣石替代碎石率的升高而變得愈來(lái)愈嚴(yán)重[17-18]。

表10 鋼渣石替代碎石的混凝土壓蒸安定性測(cè)試結(jié)果

從表10中還可以看出,雖然GZR1-GZR5的壓蒸膨脹率實(shí)測(cè)值均小于0.8,但是當(dāng)鋼渣石替代碎石率高于40%時(shí)試件破損嚴(yán)重,說(shuō)明壓蒸膨脹率不能作為評(píng)價(jià)安定性的唯一指標(biāo),試件狀態(tài)也可作為評(píng)價(jià)安定性的重要指標(biāo)。

2.3 鋼渣粉、鋼渣砂和鋼渣石復(fù)合對(duì)混凝土安定性的影響

表11為鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土壓蒸安定性測(cè)試結(jié)果。由表11可知,ZD3和ZD9的試件均出現(xiàn)斷裂、ZD5的壓蒸膨脹率實(shí)測(cè)值最高,上述試樣中鋼渣石替代碎石率均高于30%,且鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和均不低于105%。ZD1試樣狀態(tài)最好,其中有2個(gè)試件完好無(wú)損、1個(gè)試件2處點(diǎn)剝落,該試樣中鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為75%,是表11中鋼渣替代礦粉、中砂和碎石最少的試樣。

表11 鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土壓蒸安定性測(cè)試結(jié)果

從表11中還可以看出,ZD2、ZD6和ZD8試樣狀態(tài)較好,均有完好無(wú)損的試件,上述試樣中鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為85%～95%,且鋼渣砂替代中砂率大于鋼渣石替代碎石率。ZD4和ZD7試樣既不存在完好無(wú)損狀態(tài),也不存在斷裂狀態(tài),上述試樣中鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為85%～95%,且鋼渣砂替代中砂率不高于鋼渣石替代碎石率。綜上所述,當(dāng)混凝土配合比中鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為75%～95%,且鋼渣砂替代中砂率高于鋼渣石替代碎石率時(shí),試樣的混凝土壓蒸安定性良好。

2.4 鋼渣用于混凝土的壓蒸安定性評(píng)價(jià)方法

GB/T 24763-2009《泡沫混凝土砌塊用鋼渣》、GB/T 24764-2009《外墻外保溫抹面砂漿和粘結(jié)砂漿用鋼渣砂》和YB/T 4228-2010《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確了壓蒸安定性評(píng)價(jià)方法為“試件完整且壓蒸膨脹率不大于0.80%,為體積安定性合格,反之為不合格”。結(jié)合表9、表10和表11進(jìn)行綜合分析可知:首先,GZS1-GZS5、GZR1-GZR5和ZD1-ZD9試樣中不存在斷裂狀態(tài)的試件壓蒸膨脹率實(shí)測(cè)值最高為0.17%,因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中壓蒸膨脹率標(biāo)準(zhǔn)值小于0.8%是否合理有待商榷;其次,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求經(jīng)壓蒸后的試件狀態(tài)為“完整”,但是沒(méi)有明確“完整”的定義;再次,試件中鋼渣替代礦粉、中砂和碎石率與安定性不存在明顯的線性關(guān)系,只有替代率過(guò)高時(shí)壓蒸后試件才出現(xiàn)斷裂狀態(tài);最后,經(jīng)壓蒸后試件的壓蒸膨脹率實(shí)測(cè)值大小與安定性好壞程度無(wú)直接關(guān)系。綜上所述,僅僅依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中壓蒸膨脹率實(shí)測(cè)值判定鋼渣用于混凝土的安定性是否合格不盡合理,因此根據(jù)表9-表11的測(cè)試結(jié)果,可以結(jié)合壓蒸膨脹率和試件狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)鋼渣用于混凝土的安定性(見(jiàn)表12)。

表12 鋼渣用于混凝土的安定性評(píng)價(jià)方法

3 結(jié)論

a.混凝土配合比中當(dāng)鋼渣粉替代礦粉率、鋼渣砂替代中砂率、鋼渣石替代碎石率之和為75%～95%,且鋼渣砂替代中砂率高于鋼渣石替代碎石率時(shí),鋼渣替代礦粉、中砂和碎石的混凝土壓蒸安定性良好。

b.單條試件安定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)出現(xiàn)斷裂時(shí),試件不合格;當(dāng)大損傷數(shù)≥2處時(shí),試件不合格。

c.3條試件安定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)壓蒸平均膨脹率實(shí)測(cè)值>0.15%時(shí),混凝土安定性不合格;當(dāng)壓蒸平均膨脹率實(shí)測(cè)值≤0.15%且有單條試件不合格時(shí),混凝土安定性不合格。