［摘要］本试验是用风淬粒化钢渣代替天然砂配制道路混凝土，检验风淬粒化钢渣对道路混凝土工作性能和物理力学性能的影响。试验结果表明，风淬粒化钢渣绝大部分颗粒呈球形，具有减水效果，可减少混凝土用水量，与天然砂复合使用可发挥天然砂和风淬粒化钢渣各自优点，其物理力学性能也最佳。
0 引言
钢渣是炼钢过程中排出的副产品，数量一般为钢产量的15％～20％。美国、日本、德国等发达国家的钢渣基本上实现了排用平衡。年我国钢渣产生量约万t，但利用率不足20％，大部分钢渣随意堆弃，占用土地，污染环境。钢渣中含有耐磨性矿物如橄榄石（CaO·RO·SiO2）、蔷薇辉石（3CaO·RO·2SiO2）等，非常适合用作沥青混凝土路面和水泥混凝土路面集料。目前，钢渣在沥青混凝土中使用已十分普遍，其优点已获广泛认同；在作水泥混凝土路面集料方面，我国不少钢厂如马钢、柳钢［1］、包钢等做了许多有益尝试，并取得了不错的技术经济效果，但尚未在国内实现大规模应用。本文拟用风淬粒化钢渣（以下简称风淬钢渣）代替混凝土中的天然砂配制道路混凝土，并对其工作性能和物理力学性能进行试验研究。
1 试验原材料本试验所采用的水泥是琉璃河水泥厂生产的P.O42.5水泥，其物理性能指标见表1。
表1 水泥性能指标
凝结时间(h∶min)安定性抗折强度(MPa)抗压强度(MPa)初凝终凝3d28d3d28d3∶∶48合格5.59...1粉煤灰为南京梅山钢厂的Ⅱ级磨细粉煤灰，需水量比为％，28d活性指数为％。试验中所用天然砂为Ⅱ区中砂，表观密度为kg/m3，压碎值指标为24.0％。粗集料为5～20mm天然碎石，表观密度为kg/m3。钢渣细集料为重钢采用风淬粒化工艺处理后的转炉钢渣，呈黑色，表面光滑封闭，粒度均在10mm以下。其化学成分详见表2。
表2 风淬钢渣的化学成分%
CaOFe2O3SiO2MgOMnOP2O5Al2O3f-CaO35........33风淬钢渣的X射线衍射结果见图1。
图1 风淬钢渣的XRD图
从XRD图中可知，风淬钢渣中的主要矿物组成有：硅酸二钙（2CaO·SiO2）、橄榄石（CaO·RO·SiO2）、蔷薇辉石（3CaO·RO·2SiO2）、铁酸二钙（2CaO·Fe2O3）、RO相（MgO、MnO和FeO的连续固溶体）等，没有发现硅酸三钙（3CaO·SiO2）。若按照碱度分类方法（碱度（CaO/(SiO2＋P2O5)）在1.6～2.4的为硅酸二钙渣，大于2.4的为硅酸三钙渣）［2］，风淬钢渣（碱度为2.66）应属于硅酸三钙渣，但XRD结果并没有检出C3S，原因可能是C3S的形成需要C2S和CaO不断扩散到液相中反应生成C3S晶核，并逐渐发育长大，而风淬钢渣在淬冷过程中，冷却速度非常快，熔渣组分在凝固过程中来不及进行充分的扩散和反应，无法有效生成C3S。
钢渣的细度模数为3.27，为Ⅰ区粗砂。其物理力学性能见表3。
表3 风淬钢渣的物理力学性能
表观密度(kg/m3)堆积密度(kg/m3)坚固性(%)压碎值指标(%)含水率(%)..02.2风淬钢渣经检验体积安定性良好。采用两种方法进行检验，一种方法是将风淬钢渣磨细至比表面积m2/kg，与水泥按3∶7制成净浆试件，检验其沸煮安定性和压蒸安定性，试验结果均合格；另一种方法将风淬钢渣按土工击实试验方法击实成钢渣试件，浸泡在（80±3）℃水中，检验其体积膨胀率，经检验风淬钢渣10d的体积膨胀率仅为0.1％。
试验中所用外加剂有两种，一种为北京市建筑工程研究院生产的AN型高效减水剂，掺量为0.02％，另一种为浙江绿圣生物科技有限责任公司生产的SJ-3型混凝土引气剂，掺量为1.0％。
2 道路混凝土试配要求
2.1 道路混凝土的配制强度根据不同交通等级，设计三种水泥混凝土配合比，分别是高速公路和一级公路，二级公路及三、四级公路。参照JTGF30-《公路水泥混凝土路面施工技术规范》中规定，确定设计弯拉强度标准值分别为5.0MPa（高速公路和一级公路）、4.5MPa（二级公路）和4.0MPa（三、四级公路）。28d弯拉强度的均值按公式（1）计算。fc=fr/(1-1.04cv)＋ts（1）式中：fc——配制28d弯拉强度的均值，MPa；fr——设计弯拉强度标准值，MPa；s——弯拉强度试验样本的标准差，MPa；t——保证率系数；cv——弯拉强度变异系数。对于高速公路和一级公路，fc=5.0/(1-1.04×0.10)＋1.36×0.5＝6.3(MPa)。对于二级公路，fc=4.5/(1-1.04×0.15)＋0.72×0.67＝5.8(MPa)。对于三、四级公路，fc=4.0/(1-1.04×0.20)＋0.56×0.80＝5.5(MPa)。2.2 试验配比试配中以不同取代量的风淬钢渣取代天然砂配制道路混凝土，了解风淬钢渣对混凝土工作性和强度的影响，取代量分别为0、40％、50％、70％和％（为便于计量，采用质量取代）。考虑到风淬钢渣表观密度比天然砂大40％，配合比采用体积法计算。由于风淬钢渣颗粒绝大部分呈球形，粒径偏粗，且密度大，在混凝土拌合物中的表现与天然砂显著不同，试配采用固定水泥用量，调整水灰比和砂率的方法进行。混凝土拌合物坍落度控制在2～5cm之间。3 道路混凝土工作性和力学性能试验结果及分析表4、表5和表6为不同交通等级道路混凝土的试配结果。风淬钢渣颗粒绝大部分呈球形，这对改善混凝土拌合物的流动性效果很有益，可减少用水量，这一点从表4、表5和表6混凝土试配中可以看出，随着风淬钢渣取代量的增减，混凝土拌合用水逐渐减少，混凝土强度等级越低这种减水效果越明显，表6中全风淬钢渣混凝土和全天然砂混凝土相比，在达到相同坍落度的情况下，用水量可减少20kg/m3。但风淬钢渣颗粒偏粗，其细粉颗粒含量少于天然砂，这使得拌合物保水性较差，为改善拌合物保水性，有必要适当提高砂率，可看到表6中风淬钢渣全部取代天然砂时（A15），砂率达到64％。全风淬钢渣道路混凝土的砂率大约比全天然砂道路混凝土的砂率高20％。综合来看，混凝土的工作性能在风淬钢渣取代量为50％时效果最好，既可发挥天然砂保水性好，又可发挥风淬钢渣颗粒圆形度高具有减水效果的特点。
表4 高速公路和一级公路混凝土试配结果
编号混凝土材料用量(kg/m3)风淬钢渣取代量(%)减水剂掺量(%)引气剂掺量(%)水灰比砂率(%)坍落度(mm)抗压强度(MPa)28d抗弯拉强度(MPa)28d折压比(%)水泥水风淬钢渣天然砂碎石7d28dA.00....86..59A68401.00..38..77..89A.00..37449..27..79A51701.00....47..54A9941.00....37..38表5 二级公路混凝土试配结果
编号混凝土材料用量(kg/m3)风淬钢渣取代量(%)减水剂掺量(%)引气剂掺量(%)水灰比砂率(%)坍落度(mm)抗压强度(MPa)28d抗弯拉强度(MPa)28d折压比(%)水泥水风淬钢渣天然砂碎石7d28dA.00....26..40A.00..39414..37..38A63501.00....47..63A.00....76..25A10367131209501.00....46..77表6 三、四级公路混凝土试配结果
编号混凝土材料用量(kg/m3)风淬钢渣取代量(%)减水剂掺量(%)引气剂掺量(%)水灰比砂率(%)坍落度(mm)抗压强度(MPa)28d抗弯拉强度(MPa)28d折压比(%)水泥水风淬钢渣天然砂碎石7d28dA.00..42039..75..29A301.00....16..98A133201441501.00..45455..16..28A14320141843946701.00....46..55A15324150708481.00....15..46风淬钢渣对混凝土强度的影响较为复杂。取代量不高于50％时，随着其取代量的增加，混凝土抗压强度和抗弯拉强度逐渐提高，但取代量超过50％时，混凝土抗压强度和抗弯拉强度有所下降。风淬钢渣取代量不高于50％时，混凝土中的主要细集料仍为天然砂，风淬钢渣的掺入可改善细集料颗粒级配，并有减水效果，对混凝土强度有正面影响。取代量超过50％时，由于混凝土中的大部分细集料为球形的风淬钢渣，不仅会使混凝土拌合物易出现泌水，且硬化后的水泥石与光滑风淬钢渣之间的粘结不如水泥石与天然砂之间的粘结牢固。影响混凝土强度的主要因素是集料与水泥石的粘结强度，混凝土受力破坏一般都出现在集料与水泥石的分界面上。另外风淬钢渣是经过风、水的淬冷而成，内部孔隙较多，颗粒抵抗压碎的能力不如天然砂（压碎值指标高于天然砂），这使得混凝土在受压时，易出现细集料先于集料与水泥石界面破坏的情况。风淬钢渣掺加后，道路混凝土的抗弯拉强度/抗压强度之比（简称折压比）逐渐提高，这说明随着风淬钢渣掺量的增加，抗弯拉强度的降低幅度小于抗压强度。4 道路混凝土长龄期物理力学试验及结果分析选取3个风淬钢渣取代量（0、50％和％）的道路混凝土进行各交通等级混凝土的长龄期抗压强度和立方体劈裂抗拉强度试验。胶材总量选择kg/m3（高速公路和一级公路）、kg/m3（二级公路）和kg/m3（三、四级公路），均掺入10％粉煤灰。长龄期抗压强度和立方体劈裂抗拉强度见图2～图7。
图2 长龄期抗压强度（高速公路和一级公路）图3 长龄期抗压强度（二级公路）图4 长龄期抗压强度（三、四级公路）图5 劈裂抗拉强度（高速和一级公路）图6 劈裂抗拉强度（二级公路）图7 劈裂抗拉强度（三、四级公路）
从图2～图7可知，各龄期抗压强度和劈裂抗拉强度中，以风淬钢渣取代天然砂50％的混凝土最高。随着养护龄期的增加，混凝土90d抗压强度较28d增长较多。5 结论（1）风淬钢渣表观密度较天然砂大，在试配混凝土时需按体积法进行计算，若全部使用风淬钢渣配制混凝土，砂率应比天然砂混凝土大约20％；（2）风淬钢渣绝大部分颗粒呈球形，代替天然砂作细集料配制道路混凝土具有减水效果，可减少混凝土用水量。在取代天然砂的各种取代量中，以50％掺量的工作性最佳，既可以发挥天然砂保水性好，又可发挥风淬钢渣的减水效果；（3）风淬钢渣取代天然砂在50％时，物理力学性能指标最高，取代量超过50％，抗压强度、抗弯拉强度等反而有所下降，原因可能是风淬钢渣表面光滑，压碎值指标高，不利于水泥石0与细集料界面粘结强度的提高。综合来看，风淬钢渣仍不失为一种好的细集料，与天然砂复合使用完全可配制出性能优于天然砂的道路混凝土。同时，在道路工程中大量使用钢渣还可减少天然集料的开采，保护河道和山体，早日实现钢渣“零排放”。参考文献[1]刘军.粉煤灰钢渣混凝土在道路路面中的运用［J］.公路，，（10）：-[2]徐光亮，钱光人等.低碱度钢渣基油井及低热井胶凝材料的研究—低碱度钢渣的化学成分、矿物组成和矿相特征［J］.西南工学院学报，，15（1）：10-14.
作者：张亮亮，卢忠飞，闾文，朱桂林
信息来源：豆丁网
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