鋼渣粉作摻合料配制混凝土性能研究

孟祥杰，黃小文，張勝彪

（重慶建研科之杰新材料有限公司，重慶 402761）

鋼渣粉作摻合料配制混凝土性能研究

孟祥杰，黃小文，張勝彪

（重慶建研科之杰新材料有限公司，重慶 402761）

本文開展了鋼渣粉做混合材配制混凝土的相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)，主要研究了鋼渣粉對水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性、膠砂及混凝土相關(guān)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：鋼渣粉摻量控制在 15% 以內(nèi)，配制的混凝土各項(xiàng)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。

鋼渣粉；混凝土；流變性；安定性；強(qiáng)度

0 前言

鋼渣是鋼廠煉鋼時(shí)排放的廢渣，屬于一種典型的固體廢棄物。目前已有大量的廢棄鋼渣堆放在鋼廠附近，占用土地、浪費(fèi)資源、破壞環(huán)境。當(dāng)前建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，耗用大量的水泥、砂、石等自然資源，造成了環(huán)境污染，河床坍塌，以及自然資源的嚴(yán)重破壞。若能將鋼渣大量地應(yīng)用于混凝土中，不僅解決廢棄物的堆放問題，還能節(jié)約自然資源，保護(hù)環(huán)境，同時(shí)能給企業(yè)、社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益。所以本文展開鋼渣粉作摻合料配制混凝土的性能研究[2]。

1 原材料介紹

（1）膠凝材料

水泥：福建三德水泥廠產(chǎn) P·O42.5，比重 3.14g/cm3，比表面積 360m2/kg。

粉煤灰：廈門嵩能粉煤灰開發(fā)有限公司產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰，比表面積為 448m2/kg，比重為 2.18g/cm3。

礦粉：廈門三鋼產(chǎn)，比表面積為 480m2/kg，比重為2.82g/cm3。

鋼渣粉：福建三鋼產(chǎn)，比表面積為 410m2/kg，比重為3.21g/cm3。

（2）集料

標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門產(chǎn) ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂。

石子：福建南安產(chǎn)碎石（花崗巖），連續(xù)級配。

砂：福建漳州產(chǎn)河砂，細(xì)度模數(shù) 2.9，含泥量正常。

（3）其他

外加劑：福建科之杰產(chǎn)聚羧酸系減水劑，摻量 1.7%，減水率 20%。

水：自來水。

2 鋼渣粉做混合材性能試驗(yàn)研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時(shí)間、沸煮安定性試驗(yàn)

本節(jié)對鋼渣粉作水泥混合材時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性作了詳細(xì)的研究。

表 1 鋼渣粉作混合材的水泥標(biāo)稠需水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性

觀察表 1 可以發(fā)現(xiàn)：

（1）鋼渣粉摻量 0～50%，隨著鋼渣粉摻量的不斷增加，膠材的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量在逐漸下降，說明鋼渣粉的加入能夠減少膠材的需水量，即相同用水量的情況下，膠材的拌合物流動(dòng)度會(huì)增大。鋼渣粉做混合材具有一定的減水功能，在一定程度上可以改善混凝土的工作性能。

分析其原因：首先是鋼渣粉的顆粒粒徑小于水泥，當(dāng)作混合材加入時(shí)，能夠更好的填充在水泥顆粒之間，使得體系級配更優(yōu)良，增加密實(shí)度，從而降低用水量；其次是鋼渣粉成分不同于水泥，主要為早期水化較慢的 C2S，而早期水化較快的 C3A、C3S 較少，水化速度較水泥慢，在一定程度上也減少用水量，改善流動(dòng)性[6]。

（2）觀察凝結(jié)時(shí)間可知，摻加鋼渣粉的標(biāo)稠試樣初凝時(shí)間與空白樣（基準(zhǔn)水泥）沒有太大差異，在 2h 左右，而終凝時(shí)間有明顯的差異，空白樣終凝時(shí)間為 4h36min；而摻入鋼渣的標(biāo)稠試樣終凝時(shí)間 3h20min 上下，比空白樣時(shí)間縮短了一個(gè)多小時(shí)，說明鋼渣粉的加入對水泥初凝時(shí)間影響不大，但縮短了終凝時(shí)間。

分析其原因可能是鋼渣粉取代量增加后，膠凝體系單位質(zhì)量中起到調(diào)凝作用的石膏用量相對減少，而同時(shí)鋼渣粉本身堿含量較高，鋼渣粉的摻入提高體系的堿度，促進(jìn)水泥凝結(jié)硬化，所以表現(xiàn)為終凝時(shí)間縮短。

（3）安定性試驗(yàn)結(jié)果分析：試驗(yàn)測試基準(zhǔn)樣與摻入鋼渣粉的試樣安定性都合格，說明鋼渣粉即使摻量達(dá)到 50%，內(nèi)部的不穩(wěn)定因素（游離氧化鈣）也不會(huì)導(dǎo)致體積穩(wěn)定性不良，說明不穩(wěn)定成分含量低于指標(biāo)要求。

2.2 鋼渣粉對水泥流變性影響

試驗(yàn)過程中水灰比為 0.5，水固定為 250g 。試驗(yàn)設(shè)計(jì)鋼渣粉摻量 0、15%、30%、45%、60%、75%，觀察對漿體流變性的影響，見圖 1。

圖 1 鋼渣粉對凈漿流動(dòng)性影響曲線

由凈漿流變性試驗(yàn)結(jié)果觀察，空白實(shí)驗(yàn)用時(shí) 246s，60min 后攪拌流動(dòng)時(shí)間為 259s，比初始用時(shí)稍長。鋼渣粉取代水泥測試流動(dòng)時(shí)間，當(dāng)鋼渣粉取代量在 15% 時(shí)初始為197s，與空白相比用時(shí)大幅度減少，說明鋼渣粉的加入，賦予良好的流動(dòng)性，減少了用水量，60min 以后測試流動(dòng)用時(shí)為 229s，說明摻加鋼渣粉 60min 損失不很明顯。

隨著鋼渣粉摻量的增加，摻量超過 45% 時(shí)，初始用時(shí)不會(huì)明顯地減少，說明試樣的流動(dòng)性不會(huì)隨著鋼渣粉的加入而呈現(xiàn)線性關(guān)系，只是在小范圍內(nèi)改變試樣的流動(dòng)性。從整體來看[2]，鋼渣粉的加入增加初始流動(dòng)度，減少用水量，間接地降低了水灰比，對于試樣 60min 流動(dòng)度，即 1h 損失也有良好的貢獻(xiàn)。這與李永鑫研究“鋼渣粉摻量在一定范圍內(nèi)可以提高漿體的流變性，改善膠材漿體的流動(dòng)性”相符[3]。

2.3 鋼渣粉對膠砂性能影響

鋼渣粉作為水泥混合材時(shí)表現(xiàn)出一定的活性，為了研究鋼渣粉的活性大小，設(shè)計(jì)鋼渣粉、粉煤灰、礦粉做混合材時(shí)對水泥膠砂擴(kuò)展度及強(qiáng)度的影響，通過與粉煤灰和礦粉的綜合比較，分析鋼渣粉的工作性能與膠凝性能。

2.3.1 鋼渣粉對膠砂流動(dòng)性的影響

具體試驗(yàn)結(jié)果見圖 2。

圖 2 各混合材不同摻量的膠砂擴(kuò)展度曲線

分析圖 2 中三條曲線知：

（1）比較三種混合材隨著摻量的增加對膠砂擴(kuò)展度的影響規(guī)律是：礦粉＞鋼渣粉＞粉煤灰。

（2）三種混合材表現(xiàn)出共同的規(guī)律是：摻量在 20% 以下，隨著摻量的增加，試樣的擴(kuò)展度越來越大。當(dāng)摻量介于20% 與 30% 之間時(shí)，摻加鋼渣粉與礦粉試樣的擴(kuò)展度略有下降，當(dāng)摻量超過 30% 時(shí)，隨著摻量的增加，擴(kuò)展度又在不斷的增大；摻加粉煤灰的試樣隨著摻量的增加擴(kuò)展度呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。

2.3.2 鋼渣粉對膠砂強(qiáng)度的影響

圖 3 各混合材不同摻量 7d 抗折強(qiáng)度曲線

圖 4 各混合材不同摻量 7d 抗壓強(qiáng)度曲線

圖 5 各混合材不同摻量 56d 抗折強(qiáng)度曲線

圖 6 各混合材不同摻量 56d 抗壓強(qiáng)度曲線

圖 3、 4 分別研究了鋼渣粉、粉煤灰、礦粉做混合材對膠砂早期抗折與抗壓強(qiáng)度的影響，分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）整體來看三種混合材的試塊早期抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)下降的趨勢，分析對強(qiáng)度貢獻(xiàn)的大小依然是：礦粉＞鋼渣粉＞粉

評價(jià)鋼渣粉對膠砂強(qiáng)度影響規(guī)律。具體試驗(yàn)結(jié)果見圖3～6。煤灰；摻量超過 20% 以后鋼渣粉、粉煤灰的抗折強(qiáng)度與礦粉有了明顯的差異；而摻量在 10% 時(shí)鋼渣粉抗折強(qiáng)度甚至與礦粉強(qiáng)度相當(dāng)。可見若在保證強(qiáng)度前提下鋼渣粉的摻量不宜過大，控制在 10%～20% 之間較好。

（2）三種混合材對試塊早期抗壓強(qiáng)度的影響從總體來看都呈現(xiàn)下降的趨勢，但是就單因素來看，各混合材對抗壓強(qiáng)度影響結(jié)果是：礦渣粉＞鋼渣粉＞粉煤灰，與抗折強(qiáng)度規(guī)律一樣，超過 20% 以后強(qiáng)度下降比較明顯，產(chǎn)生這種情況的原因是：礦渣中硅酸三鈣較多，早期發(fā)生水化反應(yīng)比較劇烈，生成較多的水化硅酸鈣，故強(qiáng)度最高；而粉煤灰強(qiáng)度值最低，說明粉煤灰早期水化物質(zhì)較少，水化速度較慢，強(qiáng)度發(fā)展遲緩，另一可能原因是粉煤灰達(dá)不到 II 級粉煤灰等級要求，活性較低。

（3）摻加鋼渣粉的膠砂試樣抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣粉摻量的增加強(qiáng)度下降比較明顯，鋼渣粉摻量控制在 10%～20%，早期抗壓強(qiáng)度還能滿足 20MPa 以上。早期強(qiáng)度規(guī)律顯示：鋼渣粉的最佳摻量宜控制在 10%～20%。

圖 5、6 分析了鋼渣粉、粉煤灰、礦粉做混合材對膠砂后期強(qiáng)度的影響規(guī)律。分析結(jié)果：礦渣粉＞鋼渣粉＞粉煤灰，與早期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相似。

各混合材對后期抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律：摻加礦粉膠砂后期抗折強(qiáng)度發(fā)展較好，比較穩(wěn)定，即使摻量不斷增大，強(qiáng)度發(fā)展也比較均衡；摻加鋼渣粉膠砂強(qiáng)度隨著鋼渣粉摻量的增大而減小；摻加粉煤灰的膠砂抗折強(qiáng)度在摻量在 10%～20%時(shí)發(fā)展較穩(wěn)定，但是超過 20% 以后就會(huì)有明顯的下降。

摻加鋼渣粉膠砂后期抗壓強(qiáng)度在 20% 時(shí)是 57.8MPa，此時(shí)強(qiáng)度損失很小，隨著摻量增加，強(qiáng)度有所下降，考慮到拌制混凝土?xí)r石子的加入會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，所以鋼渣粉的摻量宜控制在 10% ～20%[4]。

2.4 鋼渣粉對混凝土性能影響

按照 JGJ55—2011《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)大摻量鋼渣混凝土強(qiáng)度等級為 C30 的配合比 ，試驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，其配合比為 W:C:S:G:A=177:360:787:1022:14。

鋼渣粉摻量選取 0、5%、10%、15%、20%、30%、40%，混凝土抗壓試驗(yàn)結(jié)果見圖 7。

圖 7 鋼渣粉不同摻量取（代%）量各齡期強(qiáng)度變化曲線

觀察鋼渣粉作摻合料強(qiáng)度結(jié)果，三條曲線反映出同一規(guī)律：不管是 3d、7d 還是 28d 強(qiáng)度，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢。 7d 強(qiáng)度代表早期強(qiáng)度，當(dāng)鋼渣粉摻量在 10% 時(shí)，強(qiáng)度能夠達(dá)到 25MPa；超過 10%，強(qiáng)度開始下降，觀察后期 28d 強(qiáng)度增長趨勢；摻量在 20% 強(qiáng)度發(fā)展比較好，能夠達(dá)到 36MPa 以上；緊接著隨著摻量增加混凝土強(qiáng)度低于 35MPa；強(qiáng)度降低較快，此時(shí)不能滿足設(shè)計(jì)要求。所以結(jié)合前面的膠砂流動(dòng)度及強(qiáng)度發(fā)展情況，綜合分析，鋼渣粉摻量宜控制在 15% 以內(nèi)[5]。

3 結(jié)論

通過對鋼渣粉摻合料的研究，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）鋼渣粉即使摻量在 50% 時(shí)，內(nèi)部的不穩(wěn)定因素（游離氧化鈣）也不會(huì)導(dǎo)致水泥體積穩(wěn)定性不良，不穩(wěn)定成分含量達(dá)到指標(biāo)要求。

（2）鋼渣粉的加入增加水泥初始流動(dòng)度，減少用水量，間接的降低了水灰比，對于試樣 60min 流動(dòng)度，即 1h 損失也有良好的貢獻(xiàn)。

（3）通過膠砂與混凝土實(shí)驗(yàn)可知，鋼渣粉摻量控制在15% 以內(nèi)，對膠砂、混凝土的早期強(qiáng)度影響較大，但后期影響微乎其微。

[1] 劉天成．鋼渣高效活化及在綠色建材中的應(yīng)用．2008 材料學(xué) [D]．

[2] 許遠(yuǎn)輝，陸文雄．鋼渣活性激發(fā)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．上海大學(xué)學(xué)報(bào)．2004,2(10)

[3] 李永鑫，陳益民．含鋼渣粉摻合料的水泥混凝土組成、結(jié)構(gòu)與性能的研究 [D]. 2003.

[4] 關(guān)少波．鋼渣粉活性與膠凝性及其混凝土性能的研究．材料學(xué)[D]．2008.

[5] Ziari, H. and M. M. Khabiri (2007). "Preventive maintenance of flexible pavement and mechanical properties of steel slag asphalt." Journal of Environmental Engineering and Landscape Management 15(3): 188b-192b．

[6]（美）庫馬·梅塔 （美）保羅 J.M. 蒙特羅．混凝土微觀結(jié)構(gòu)性能和材料 [M]．中國電力出版社，2008,09．

［通訊地址］重慶建研科之杰新材料有限公司（402761）

孟祥杰（1985－），男，河北滄州人，重慶大學(xué)畢業(yè)，碩士。