钢渣原材料配制混凝土的试验研究与可行性分析.pdf

文 章编 号： 1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 1 6 0 5 饵l 废秘甩 钢渣原材料配制混凝土的试验研究与可行性分析 E x p e r i me n t a l S t u d y o f Ma n u f a c t u r e o f C o n c r e t e w i t h S t e e l S l a g Ra w Ma t e r i a l a n d I t s F e a s i b i l i t y An a l y s i s 张凌怡 ，於林锋 ，王 琼 ，朱盛胜2 ，徐 兵 ( 1 上海理工大学环境与建筑学院， 上海 2 0 0 0 9 3 ； 2 上海市建筑科学研究院，上海 2 0 0 0 3 2 ； 3 上海宝钢新型建材科技有限公司，上海2 0 1 9 9 9 ) 摘要：通过将钢渣部分替代混凝土掺合料及粗、细集料 ，试验研 究了钢渣原材料对混凝土性能的影响，确定 了钢 渣用于混凝土的合理掺量，并从安定性与经济性的角度分析 了其应用于混凝土的可行性。试验结果表明： 钢渣微粉会对混凝土力学性能和耐久性产生不利影响，掺量不应超过 2 O ，钢渣石会增加混凝土，钢渣砂 对混凝土工作性影响较大；复掺 时的最佳比例为钢渣微粉代 2 0 矿粉 ，钢渣砂代 4 0 中砂 ，钢渣石代 2 0 碎石。综合分析表明，用钢渣作为原材料配制混凝土是可行的，且具有明显的经济效益。 关 键词 ： 钢渣微 粉 ；铜渣砂 ；钢 渣石 ；混凝 土 ；可行性 中 图分 类 号 ：X7 5 7 T U5 2 8 1 9 文献 标 志 码 ：A 0 前 言 按钢渣处理工艺可分为滚筒渣、热泼渣和热焖渣。 由于冶炼工艺和钢渣处理工艺的不同，钢渣的成分复杂、 波动大，特别是钢渣的安定性问题制约了钢渣的有效利 用。经过近十年的发展，钢渣预处理工艺和能力都得到 了很大提高，钢渣应用技术得到进一步发展，钢渣应用 于混凝土成为钢渣资源化利用的热点。目前，上海市每 年钢渣的排放量为 4 0 05 0 0万 t ，高附加值资源化利用 率接近 1 0 ，其中钢渣主要是被加工成粉体作为混凝土 掺合料使用， 但由于钢渣活性相对较低，一般掺量均不 宜较高。基于这一现状，本文在前期进行钢渣原材料安 定性验证的基础上，拟用钢渣部分替代掺合料及粗细集 料配置钢渣混凝土，研究钢渣原材料对混凝土性能的影 响，探索钢渣有效资源化利用的新途径 1 - 5 。 1 原材料及试验方案 1 1 原材料 水泥： 万安P O 4 2 5 级水泥； 矿粉： 宝田$ 9 5 矿渣粉； 粉煤灰： 奉贤电厂2 级灰； 钢渣粉： 宝钢钢渣粉； 粗集料： 基金项 目：上海市科技人才计划项 目 ( 1 3 X D1 4 2 2 8 0 0 ) 6 CoAL ASH 5 20 1 5 5 2 5 ra m连续级配碎石，宝钢电炉热泼钢渣石； 细集料： 由粗砂和细砂按 1 ： 1比例配成的混合中砂，宝钢转炉滚筒 钢渣砂；外加剂：聚羧酸类混凝土泵送剂。其中，钢渣 原材料基本性能见表 1 、表2 、表3 。 表 1 钢渣粉基本性能 表观密度 堆积密度 紧密密度 k g m一 k g m 。 k g m。 针片状含量 吸水率 压碎指标 级配 范围 表观密度 堆积密度 紧密密度 细度模数 含泥量 泥块含量 吸水率 kg m- k g m k g - n l 3 6 0 0 1 9 0 0 2 0 6 0 3 1 24 0 1 2 9 1 2 试验方法 对单掺钢渣原材料及复掺钢渣原材料的不同配合比 混凝土进行了性能测试。试验内容及方法为： 拌合物、 坍落度及损失，参照 G B T 5 0 0 8 02 0 0 2 普通混凝土拌 合物性能试验方法标准 ； 7 d 和 2 8 d 抗压强度，参照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 5 6 d电通量，参照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法标准 。 2 钢渣原材料单掺对混凝土性能的影响 2 1 试验配合E 匕 试验分别考查了钢渣微粉替代 $ 9 5矿粉 ( 替代率为 1 0 、2 0 和 3 0 ) 、转炉滚筒渣砂替代天然中砂 ( 替代 率为 1 0 、2 0 、3 0 和 4 0 ) 以及电炉热泼渣石替代 普通碎石 ( 替代率为 1 0 、2 0 、3 0 和 4 0 ) 时对混 凝土基本性能的影响。试验过程中， 保持外加剂掺量不变， 通过用水量的适当调整保证混凝土具有相近的初始工作 性能。单掺试验混凝土配合比见表 4 。 表4 单掺试验混凝土配合比 k g m 编号 水水泥 矿粉 粉煤灰 钢渣粉 碎石 钢渣石 中砂 钢渣砂 外加剂 2 2 试验结果及分析 2 2 1 钢渣微粉掺量的影响 基准组及钢渣微粉掺量在 1 0 、2 0 和 3 0 时的混 凝土基本性能与钢渣微粉掺量之间的关系如图 1所示。 对图 1 中 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 进行综合分析可知： ( I ) 在相同外加剂掺量和用水量条件下，钢渣微粉 替代 $ 9 5矿粉比例不超过 3 0 时，钢渣微粉掺量对混凝 土工作性能的影响不大。 ( 2 ) 从拌合物来看，不同钢渣微粉掺量的钢渣混凝土 测试结果差别不大，且与普通混凝土相当。 ( 3 ) 从抗压强度和电通量来看，随着钢渣微粉替代 $ 9 5矿粉比例酌提高，混凝土 7 d 、2 8 d抗虚强度都有一 定程度的降低，5 6 d电通量则呈现不断增大的趋势。这 表明，由于钢渣微粉相对 $ 9 5矿粉活性较低，替代部分 $ 9 5矿粉时会对混凝土的力学性能和耐久性能产生一定的 不利影响，故钢渣微粉替代 $ 9 5矿粉的合理比例不应超 过 2 0 。 2 0 0 1 6 0 1 2 0 婪 8 0 4 0 0 2 5 0 0 2 4 0 0 目 2 3 0 0 1 j唧 】 2 2 0 0 2 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 钢渣微粉掺量， ( a ) 始 后 一=：= o l O 2 0 3 0 4 0 钢渣微粉掺量 ( d ) 图 1 混凝土基本性能与钢渣微粉掺量之间的关系 2 2 2 钢渣石掺量的影响 基准组及钢渣石掺量在 1 0 、2 0 、3 0 和 4 0 时 的混凝土的基本性能与钢渣石掺量之间的关系如图 2所 示。对图2中( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 进行综合分析可知： 5 2 0 1 5 粉煤灰 1 7 如 量 掺 加 渣 钢 m 0 如 如 加 m 0 口 d 冬 孵嘲蠕 猢 啪 鲫 姗 0 rJ 嘟嘲锄 l 8 O 1 5 0 昌 1 2 O 蓑 9 0 密6 0 30 0 2 4 0 0 2 3 0 0 1 l】 体2 2 0 0 2 1 0 O 5 O 40 善 3 0 蹦 誉2 0 1 0 O 钢渣碎石掺量 ( a ) 始 后 1 5 0 0 l 2 00 9 0 0 蝴 i 罂 6 0 0 3 0 0 0 1 0 2 0 3 O 4 o 钢渣碎石掺量 ( b ) 钢渣碎石掺量 ( c ) 钢渣碎石掺量， ( d ) 图 2 混凝土基本性能与钢渣石掺量之间的关系 ( 1 ) 在相同外加剂掺量和用水量条件下，不同钢渣石 掺量的混凝土与基准混凝土的初始坍落度比较接近，1 h 后的坍落度差别也不大。这是由于钢渣石的吸水率与普通 碎石相近， 且钢渣石针片状含量较低，不会给混凝土拌合 物的工作性能造成不利的影响。 ( 2 ) 从拌合物来看，随着钢渣石替代普通碎石比例 1 8 COAL ASH 5 20 1 5 的提高，混凝土拌合物呈现较明显的增长趋势，这与钢 渣石相对较高的表观密度有关。 ( 3 ) 从抗压强度来看，钢渣石替代部分普通碎石后， 钢渣混凝土的7 d 抗压强度与基准混凝土相当，2 8 d强度 相比基准有了一定程度的提高，但提高程度与替代率之 间并不存在线性关系。这是由于虽然钢渣石的强度比普 通碎石高，对混凝土强度有利，但是钢渣石与普通碎石 颗粒特性有较大差别，只有按照一定的比例合理搭配才 能使得集料间堆积更密实，从而给混凝土强度带来正面 影 响 。 ( 4 ) 从电通量来看， 钢渣石替代部分普通碎石后， 钢渣混凝土的 5 6 d电通量均有不同程度的增大。可能原 因在于，钢渣石集料中含有一定量的金属铁， 会减小混 凝土的电导阻力， 导致钢渣混凝土的电通量增大。 ( 5 ) 综合钢渣石替代部分普通碎石对混凝土性能的 影响来看，钢渣石替代普通碎石的比例控制在 2 0 3 0 时 混凝土的综合性能相对较优。 2 2 3 钢渣砂掺量的影响 基准组及钢渣砂掺量在 1 0 、2 0 、3 0 和 4 0 时 的混凝土的基本性能与钢渣砂掺量之间的关系曲线如图 3 所示。对图3 中( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 进行综合分析可知： ( 1 ) 从混凝土的工作性能来看，由于钢渣砂的吸水 量比天然砂高，且钢渣砂颗粒表面比天然砂更粗糙，对 混凝土工作性能会产生不利影响，因而在相同外加剂掺 量下的混凝土需水量有所增大。 ( 2 ) 从拌合物来看，随着钢渣砂替代天然砂比例的 提高， 昆 凝土拌合物呈现较明显的增长趋势。这与钢渣 砂相对较高的表观密度有关。 ( 3 ) 从抗压强度来看，钢渣砂替代天然砂的比例在 1 0 时钢渣混凝土的7 d 强度略低于基准，2 8 d强度相 对基准略有提高。这是由于钢渣砂掺量在 1 0 时，混凝 土的用水量没有增加，而钢渣砂具有潜在的反应活性， 可与胶凝材料发生缓慢化学反应，提高界面咬合力， 从 而改善混凝土后期强度。但当钢渣砂掺量I2 0 时，由 于混凝土用水量、水胶比的增大，混凝土的 7 d 、2 8 d抗 压强度基本上都有一定幅度的降低。 ( 4 ) 从电通量来看，除钢渣砂掺量在 1 0 时， 混凝 土 5 6 d电通量略小于基准，其余钢渣混凝土的电通量均 高于普通混凝土。这同样也是与混凝土用水量及水胶比 的增大有关。 大一些。 ( 3 ) 钢渣石、钢渣砂的掺入， 混凝土的 7 d 、2 8 d强 度均有一定程度的提高， 但提高幅度并不与掺量之间呈 线性关系。当钢渣石、普通碎石与钢渣砂、天然砂之间 搭配成合理的整体级配时， 混凝土的密实性最好， 相应 的力学性能也最优。表 6结果表明，B E 8一B E 1 0等几组 钢渣混凝土的力学性能相对较好。 ( 4 ) 除 B E 8 组 5 6 d电 通量达到 O 一 级， 与基准组 相近，其余配比混凝土5 6 d电通量均为Q I I I 级。 综合考虑单掺和复掺试验结果，确定钢渣原材料的 最佳掺量为钢渣微粉代 2 0 矿粉， 钢渣砂代 4 0 中 砂， 钢渣石代2 0 碎石。 4 钢渣原材料用于混凝土可行性的综合分析 4 1 安定性 钢渣中 f - C a O含量较高，可能会导致混凝土安定性 不良。相关研究表明：钢渣石对混凝土安定性的影响大 于钢渣砂，且当钢渣微粉代 2 0 矿粉、钢渣砂代 3 5 细 集料、钢渣石代粗集料不超过 2 5 时，混凝土安定性良 好 6 1 。据此推断，本文中最佳掺量 B E 9组的安定性满足 要求。 4 2 经济性 当前各种原材料价格为：水泥价格4 0 0 元 t ，$ 9 5矿 粉的价格 2 0 0元 t 、钢渣粉 1 8 0元 t 、粉煤灰的价格 1 0 0 元 t ，萘系减水剂价格 2 5 0 0 元 t ，碎石6 0 元 t 、钢渣石 4 0元 t ，中砂 6 0元 t 、钢渣砂 4 0元 t 。选取最佳掺量 B E 9 组与基准组进行经济成本分析，如表7 所示。 表 7 经济成本分析 项目 水泥矿粉粉煤灰钢渣 粉碎石钢渣石中 砂钢渣砂外加剂 结果表明，单从原材料总成本角度考虑，B E 9组钢 渣混凝土比普通混凝土低了5 1 5 元 m 3 。此外，B E 9组中 2 Q coAL ASH 5 2 01 5 固废( 粉煤灰、 钢渣 ) 掺量较高， 达到了3 1 2 ， 满足财政部、 国家税务总局 2 0 0 8年发布的免征增值税政策要求，每方 混凝土可免增值税 1 0 元，使得B E 9 组的实际成本比B E 1 组低了 1 5 1 5元 m 3 。因此，钢渣混凝土具有良好的经济 效益。 5 结 论 ( 1 ) 钢渣微粉对混凝土工作性能、容重影响不大，对 力学性能和耐久性能会产生不利影响，钢渣微粉替代矿 粉不应超过 2 0 。 ( 2 ) 钢渣石单掺会增加混凝土容重，但对工作性能影 响不大，钢渣石替代普通碎石的比例宜控制在 2 0 一 3 0 。 ( 3 ) 钢渣砂增加混凝土需水量、容重，当钢渣砂单掺 掺量I2 0 时，混凝土的 7 d 、2 8 d抗压强度都有一定幅 度的降低，电通量大于普通混凝土。 ( 4 ) 结合单掺和复掺试验结果，确定钢渣原材料的最 佳掺量为：钢渣微粉替代 2 0 的$ 9 5 矿粉，钢渣砂替代 4 0 中砂，钢渣石替代2 0 碎石。 ( 5 ) 综合分析表明，用钢渣部分代替混凝土掺合料 及粗细集料配制混凝土在技术上是完全可行的， 且具有 一 定的经济效益，是钢渣高附加值资源化利用的途径。 参考文献 1 】郭家林，赵俊学， 黄敏 钢渣综合利用技术综述及建议 J 】 中国冶金， 2 0 0 9，1 2 ( 2 ) ：3 5 - 3 8 2 於林锋，徐兵， 王琼， 等钢渣混凝土性能的试验研究及应用前景分 析 J l混凝士 ，2 0 1 4 ( 1 ) ：7 9 8 1 3 王强，鲍立楠，阎培渝 转炉钢渣粉在水泥混凝土中应用的研究进 展 J _混凝土 ，2 0 0 9 ( 2 ) ：5 3 - 5 6 4 白敏，尚建丽，张松榆，等 钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研 究 J 混凝土 ，2 0 0 5 ( 7 ) ：6 2 - 6 4 ，7 0 【 5 】徐忠琨 钢渣混凝土在海堤工程中的应用研究【 J 】 水运工程， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ：2 3 9 - 2 4 4 6 康明 钢渣用于混凝土的安定性评价与控制研究 J 】 粉煤灰，2 O l 3 f 2 1：1 5 - 1 7 作者简介：张凌怡 ( 1 9 9 1 一)， 男， 在读研究生， 主要从事混凝土耐久 性研究。 收稿日期： 2 0 1 5 年 5月 1 2日