大摻量鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的性能

摘要：【目的】提高鋼渣利用率，實現部分鋼渣替代水泥制備鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土，制備更加經濟型的高性能泡沫輕質土。【方法】采用抗壓強度、抗硫酸鹽腐蝕等試驗研究不同鋼渣微粉摻量（質量比，下同）、水灰比（質量比，下同）、濕密度等泡沫輕質土物理力學特性及耐久性。【結果】隨著鋼渣微粉摻量的增加，泡沫輕質土抗壓強度降低，吸水率增大，沉陷距減小；隨著水灰比增大，泡沫輕質土吸水率、流值、沉陷距增大，抗壓強度呈現先增后減的趨勢，水灰比為0.7時，齡期為7、28、60 d的抗壓強度達到最高，分別為0.68、0.90、1.28 MPa；隨著濕密度的增大，抗壓強度和流值增大，吸水率減小，沉陷距增大；施工濕密度為600 kg/m3、水灰比為0.70、鋼渣微粉摻量為50%時，泡沫輕質土水穩定系數為0.852，凍融穩定系數為0.752，28 d抗壓強度可以達到0.90 MPa。【結論】鋼渣微粉和堿性激發劑的摻入，能夠有效提高鋼渣利用率，同時減少水泥使用量；摻量為50%的鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的力學性能得到保障。

關鍵詞：泡沫輕質土；鋼渣微粉；物理特性；力學性能；耐久性

中圖分類號：TU528；TB4文獻標志碼：A

引用格式：

張彩利，王犇，于焱龍，等.大摻量鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的性能［J］.中國粉體技術，2024，30（3）：51-63.

ZHANG C L，WANG B，YU Y L，et al.Performance of foam lightweight soil with large amount of steel slag powder-cement［J］.China Powder Science and Technology，2024，30（3）：51?63.

工業廢棄物排放量逐年遞增，大量廢棄鋼渣日積月累，不僅占據大量土地資源，而且嚴重污染生態環境［1］。近幾年我國積極進行鋼渣資源化利用研究，將鋼渣應用在鋼鐵冶煉循環利用、建筑和筑路材料、農業、功能材料等領域，但是其綜合利用率僅達到30%［2-3］，因此，實現工業廢棄物有效利用，加快推進國內生態文明建設，實現鋼渣資源再利用成為當下急需解決的關鍵問題。

國內外學者對工業廢渣應用于泡沫輕質土進行了大量研究。Krishna等［4］研究了以不同質量分數（25%、50%、75%）的粉煤灰替換水泥制作的泡沫混凝土。結果表明，隨著粉煤灰替代量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度和抗彎強度呈指數級下降。Chen等［5］對粉煤灰泡沫輕質土抗硫酸鹽腐蝕能力的研究表明，浸入硫酸鹽試樣的抗壓強度大于標準固化試樣或浸入水中試樣的抗壓強度，顯示出對硫酸鹽侵蝕具有較強的抵抗力。He等［6］研究了不同比表面積鋼渣粉對泡沫混凝土性能的影響，結果表明，隨著鋼渣粉比表面積增加，抗壓強度先增大后減小。Wang等［7］在研究鋼渣-水泥基復合膠凝材料時得出，鋼渣和水泥通過改變水化環境來影響彼此的水化；復合膠凝材料在水化過程中的休眠期比水泥長，鋼渣摻量越大，復合膠凝材料的休眠期越長。趙正峰等［8］對粉煤灰、磷石膏、鋼渣、煤矸石等工業廢渣制備的泡沫輕質土的施工工藝進行了研究，結果表明，在28、56 d齡期時工業廢渣復合再生泡沫輕質土為水泥泡沫土強度的1.21、1.35倍。謝洪陽等［9］分析了泡沫用量、磚粉用量、水灰比、干濕循環等對泡沫混凝土性能的影響，結果表明，泡沫混凝土的最優配合比為泡沫、磚粉、羥丙基甲基纖維素（HPMC）摻量（質量分數，下同）分別為3%、30%、0.05%，水料比為0.55。鄭波濤等［10］分析了磷石膏摻量對泡沫輕質土物理、力學性能及耐久性的影響。蔣善國等［11］對爐渣基泡沫輕質土物理特性及力學性能進行了研究，結果表明，當采用爐渣摻量為50%，水泥摻量為40%，石灰石粉摻量為10%，外摻4%激發劑，制備濕密度為650 kg/m3的輕質土時，可較好地滿足現澆輕質土的工作性能，同時消泡率較低。

綜上所述，國內外學者對將工業廢渣合理利用到泡沫輕質土中進行了一系列研究，并取得一定的成果，但是對于將摻量為30%以上的大摻量鋼渣微粉應用在泡沫輕質土中的研究卻鮮有報道，因此，本文中對不同鋼渣微粉摻量、水灰比和濕密度等對泡沫輕質土耐久性和力學特性影響進行了研究。

1材料與方法

1.1主要試劑材料與儀器設備

材料：P·O42.5普通硅酸鹽水泥（天津銀山水泥有限公司），主要化學成分見表1，基本性能見表2；鋼渣微粉（唐山哈斯科（唐山）冶金材料科技有限公司），主要化學成分見表3，基本性質見表4，礦物組成見圖1。由圖可以看出，鋼渣微粉主要礦物成分是硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、Fe2O3和固溶體（RO相）；碳酸鈉試劑（分析純、天津市致遠化學試劑有限公司）；三乙醇胺試劑（分析純、無錫市亞泰聯合化工有限公司）；復合發泡劑（天津市凱曼德工程技術有限公司），發泡劑稀釋倍數為1∶50，實測泡沫密度為40 kg/m3左右。

儀器設備：YP-3000型電子天平（上海光正醫療儀器有限公司）；小型泡沫發泡機（河南華泰建材開發有限公司）；HJW-60型單臥軸強制式混凝土攪拌機（沈陽建工試驗儀器廠）；MODBL型微機電液伺服壓力試驗機（河北三宇試驗機有限公司）。

1.2水泥配合比的確定

為了探究鋼渣微粉摻量、水灰比（質量比，下同）、濕密度對鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土性能的影響規律，采用單因素試驗方法，選擇其中1個因素作為變量，固定其他因素不變。分別選擇鋼渣微粉摻量為40%、50%、60%、70%，水灰比為0.60、0.65、0.70、0.75，施工濕密度為600、700、800、900 kg/m3作為試驗組。G組是以鋼渣微粉摻量為變量，H組是以水灰比為變量，M組是以濕密度為變量。H組隨著水灰比為0.6、0.65、0.70、0.75，分別對應為H1、H2、H3、H4，試驗組H3是水灰比為0.7時，其他因素固定不變，因此H3與G3是同一組試驗組，配合比相同，故沒有列出H3。M組隨著濕密度等級為600、700、800、900 kg/m3，分別對應為M1、M2、M3、M4。試驗組M1是水灰比為600 kg/m3時，其他因素固定不變，因此M1與G3是同一組試驗組，配合比相同，故沒有列出試驗M1組。不同試驗組的具體配合比見表5所示。

1.3水泥試件的性能測試

根據配合比設計方案，使用電子天平分別稱取不同質量的鋼渣微粉、水泥、碳酸鈉，加入到攪拌機進行攪拌，時間約為45 s；稱取不同質量的水、三乙醇胺，均勻混合后倒入攪拌鍋與固體原材料充分攪拌成凈漿；在制備料漿的同時，將發泡劑與水按質量比為1∶50的比例進行稀釋，形成發泡液，然后使用發泡機發泡，控制發泡機壓力在0.4 MPa左右，制備出細密而穩定的泡沫；快速稱取一定質量的泡沫，然后將泡沫倒入攪拌機中，與鋼渣微粉-水泥漿體混合進行攪拌，直至拌合物穩定均勻為止；將制得的新拌漿體澆筑至提前刷好油的邊長為100 mm的立方體試模中，用刮刀沿著試模表面刮平。試模表面覆蓋保鮮膜成型后拆模，標準養護至規定齡期，用于性能測試。

參考TJG F1001—2011《現澆泡沫輕質土路基設計施工技術規程》對鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的流動性進行測定［12］。參考GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》對鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的吸水率、吸水穩定性、凍融穩定性進行測定［13］。

沉陷距試驗：使用高度為800 mm、直徑為10 mm的圓柱試模，將制備好的漿體灌入圓柱試模，用刮刀刮平，用保鮮膜覆蓋試模表面。將試模置于溫度為（20±5）℃的室溫環境中，使用游標卡尺分別測量2、6、12、24 h時的沉陷距離，精確至0.1 mm。

抗壓強度試驗：用塑料袋包裹脫模的試樣防止水分蒸發，存放于標準養護箱內，養護條件為溫度（20±2）℃，相對濕度為95%。使用壓力試驗機分別將養護7、28、60 d齡期的試件進行抗壓強度測試。壓力機的加載速度調節為0.4 kN/s，每3個試塊為1組，取其平均值。

抗硫酸鹽腐蝕試驗：將硫酸鈉試劑配制成硫酸鹽的質量分數為5%、10%、15%的溶液，將標準養護1 d的試件脫模后，整體浸泡在硫酸鹽溶液中7、28、60、90、120 d。測定浸泡至規定齡期的鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土試件的抗壓強度，每3個試件為1組，取其平均值。

2結果與分析

2.1物理特性

鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土作為多孔材料，在實際工程應用中應該重點關注漿體的流動性、吸水率，成型初期是否發生塌陷，因此，本文中研究在不同鋼渣微粉摻量、水灰比、施工濕密度等條件下鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的物理特性。

2.1.1流值

鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土在不同鋼渣微粉摻量、水灰比、濕密度條件下新拌漿體流動性（用流值表示）變化，如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土新拌漿體的流動性隨鋼渣微粉摻量增加而降低。這是因為在制備鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土時，漿體在攪拌及凝結硬化過程中，由于堿性環境下鋼渣微粉顆粒的性質發生改變，使反應過程中產生一些非穩定性的絮凝狀結構，絮凝狀結構會將大量水分子包裹，因此隨著鋼渣微粉摻量的增加，絮凝結構中包含更多水量，降低了新拌漿體的流動性。此外，鋼渣微粉比表面積大于水泥的，吸附水的能力更強，因此，導致流動性下降。

由圖2（b）可以看出，隨著水灰比的增加，漿體流值呈現上升趨勢。這是因為水灰比的增加實際上相當于整個漿料中固體材料所占比例下降，水的比例上升使得漿體變稀，其流動性增加。對于鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土來說，漿體流動性過小會導致漿體過于黏稠，不僅在漿體攪拌過程中泡沫發生破裂現象比較嚴重，而且實際施工中也不利于漿體管道泵送；漿體流動性過大會導致漿體過于稀薄，泡沫與漿體之間不易黏結，漿體凝結時間過長將會導致早期出現一定沉陷。水灰比對漿體的流動性有較大影響，因此，水灰比不宜太小也不宜太大。

由圖2（c）可以看出，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土新拌漿體流動性隨濕密度的增大逐漸增大。對于鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土來說，隨著濕密度的增加，相當于漿料中固體材料的使用量增大，泡沫摻量相應減少，泡沫與漿體之間不易黏結，由于密度差等原因，泡沫不斷上浮到漿體表面發生大量破裂，溶液混入漿體使得流動性增大。

2.1.2吸水率

不同影響因素下泡沫輕質土吸水率變化如圖3所示。由圖3（a）可以看出，隨著鋼渣微粉摻量增加，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的吸水率呈上升趨勢，原因是鋼渣微粉相比于水泥活性物質含量較少，水化速率較慢；隨著鋼渣微粉的增加，水泥用量相應減少，在較短時間內，鋼渣微粉水化反應還處于初級階段，所形成的水化產物比較松散，孔壁較薄，使材料內部連通孔隙數量增加，從而吸水率增加。

由圖3（b）可以看出，吸水率隨著水灰比增大而呈現增大的趨勢，原因是當水灰比增大時，漿體中水含量過多，極易出現泌水現象，導致漿體中多余的水分蒸發后形成連通孔，進而導致吸水率増加。

由圖3（c）可以看出，施工濕密度越大，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土吸水率越小，原因是泡沫輕質土濕密度越大，漿體中固體材料比例越高，泡沫摻量相應減少，整個體系固體骨架結構越致密，孔隙含量越少。

2.1.3沉陷距

不同影響因素下沉陷距的變化如圖4所示。由圖4（a）可以看出，相同時間內，隨著鋼渣微粉摻量增加，沉陷距隨之降低。這是因為激發劑的摻入能夠有效激活鋼渣活性，與水泥協同反應加快了水化反應速率，使得鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土早期強度迅速提升，從而減小沉陷距。由圖4（b）可以看出，在2 h時，水灰比為0.6時，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土沉陷距為0，說明此時漿體未出現沉降現象；水灰比為0.75時，沉陷距為2.8 mm，沉陷距發生變化。相同時間內，沉陷距隨著水灰比的增大而增大，原因是水灰比的增大相當于水泥漿料中固體材料所占比例逐漸減小，水的含量增加，漿體變稀，凝結時間增長，從而導致沉陷距增大。由圖4（c）可以看出，相同時間內，隨著濕密度增大，沉陷距呈現增加的趨勢。這是因為濕密度增大相當于泡沫摻量的減少，導致漿體變稀，凝結時間變長，而且由于水泥與鋼渣微粉早期的水化速率較慢，在最初的2 h內形成的水化產物很少，并且被大量未水化的水泥、鋼渣微粉顆粒分離，因此，它們之間沒有重疊，并不足以為泡沫搭接成骨架從而支撐起泡沫。另外，由于一次性的澆筑量較大，上部鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的自重會對下部施加一定的重力，使泡沫消泡，造成澆筑分層現象。

2.2力學性能

2.2.1鋼渣微粉對抗壓強度的影響

不同鋼渣微粉摻量鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土抗壓強度變化如圖5所示。由圖可以看出，相同齡期下，隨著鋼渣微粉摻量的增加，試件抗壓強度明顯減小。這是因為鋼渣微粉的活性低于水泥的，當鋼渣微粉逐漸替代水泥后使得整個材料參與活性反應的物質減小，生成水化產物較少，結構松散。此外，隨著齡期的增長，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土抗壓強度隨之提高。這是因為隨著水化反應的不斷進行，材料中水化產物生成數量增加并且附著在孔壁上，材料固體骨架更加緊密，抗壓強度有明顯提高。

2.2.2水灰比對抗壓強度的影響

不同水灰比鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土抗壓強度如圖6所示。由圖可以看出，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土7、28、60 d齡期的抗壓強度隨著水灰比的增大均呈現先增大后減小的趨勢。這是因為水是促進鋼渣微粉與水泥發生水化反應的重要原材料，當水灰比過小時，整個漿體材料中水分含量過低，使得漿體材料未能充分水化，鋼渣微粉與水泥顆粒發生團聚現象，生成的水化產物未能充分填充孔隙或附著在孔壁上，導致試件抗壓強度偏低。水灰比為0.7時，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土在各個齡期的抗壓強度達到最高值。隨著水灰比的繼續增加，抗壓強度出現下降。這是因為水灰比過高時，多余的水分使泡沫與漿體黏結性下降，泡沫極易發生破裂形成連通孔隙，固體骨架支撐能力下降，最終導致試件抗壓強度降低。

2.2.3濕密度對抗壓強度的影響

圖7所示為不同施工濕密度鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土抗壓強度。由圖可以看出，隨著濕密度增大，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土各齡期的抗壓強度增大。這是因為在鋼渣微粉與水泥摻配比例固定的前提下，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的力學性能主要是由水化膠凝漿體提供，濕密度越大，漿體中水泥與鋼渣微粉所占比例隨著固定比例越高，同時，雖然水泥與鋼渣微粉所占比例同時增加，但是，由于水泥的水化速率要高于鋼渣微粉，因此，水化產物增加，抗壓強度出現提升。

2.3耐久性

泡沫輕質土是一種廣泛應用于路基填筑、坑道回填等方面的輕質材料，其環境耐久性是保證結構使用壽命的關鍵因素［14］。

2.3.1水穩定性能

水穩定性能是鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土受水侵蝕后，抵抗水的作用對其性能產生不利影響的能力，一般用水穩定系數表征，其測試方法如下。

1）將標準養生后的28 d試件放入干燥箱內，設定溫度為（60±5）℃，烘48 h；然后再將試件放入恒溫水槽中，設定溫度為（20±5）℃，完全浸泡24 h，以此作為一次干濕循環。

2）重復進行5次干濕循環后，測定試件的抗壓強度。

3）將經過5次干濕循環后測定的抗壓強度與標準養生28 d后測定的抗壓強度的比值，作為水穩定系數。

不同影響因素下鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土水穩定系數的變化，如圖8所示。

由圖8（a）可以看出，隨著鋼渣微粉摻量增加，水穩定系數呈現降低趨勢。這是因為鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土作為多孔材料，內部有大量孔隙存在，在干濕循環作用下，其固體骨架和內部孔隙中的水分發生較大改變，干濕循環產生的應力不斷作用在試件的氣孔壁，最終導致孔壁被破壞，缺乏足夠的強度支撐整個固體骨架。此外，鋼渣微粉的活性較水泥低，當水泥摻量減少時，提供強度的水化產物鈣礬石、水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠生成量較少，所以抵抗干濕循環的能力降低。

由圖8（b）可以看出，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土水穩定系數隨著水灰比的增加而逐漸增大，在水灰比為0.7達到最高值0.852，之后出現降低。這是因為當泡沫輕質土的水灰比增加時，其內部水泥與鋼渣微粉水化更加充分，有更多的水化生成物增加孔壁穩定性，漿體骨架也就越致密，抗干濕開裂的能力越強。當水灰比過大時，游離的水分蒸發后導致孔隙增加，連通孔增多，氣孔之間的界壁變得脆弱，因此導致水穩性能降低。

由圖8（c）可以看出，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土濕密度越大，水穩定系數越大。這是因為濕密度增加后，漿體中固含量隨之增加，泡沫摻量越少，漿體凝結硬化后體系中的孔含量就越少，體系的產物結構越致密，干濕循環作用下強度損失就越低。

2.3.2凍融穩定性

鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土在不同鋼渣微粉摻量、水灰比、濕密度條件下凍融穩定系數變化如圖9所示。

由圖9（a）可以看出，隨著鋼渣微粉摻量增加，抗凍融能力降低。這是因為鋼渣微粉中的水化產物鈣礬石、C-S-H含量較低，生成的孔隙壁薄，連通孔隙增加，水分更容易進入結構內部，內部含有的水分在低溫條件下轉變成冰發生體積膨脹產生內應力，同時冰與水蒸氣的氣壓差產生滲透壓力，共同作用導致試件的破壞，從而引起抗凍融能力的降低。

由圖9（b）可以看出，凍融穩定系數隨水灰比的增大而逐漸減小。原因在于水灰比增大時，漿體中固含量相應減少，孔隙數量相應增加，固體骨架越松散，則試件抗凍融穩定性能越弱。

由圖9（c）可以看出，隨著濕密度的增大，凍融穩定性系數有所增加。這是因為濕密度增大相當于固體含量增多，試件結構更加密實，結構中的孔隙減少，水分不易進入結構內部，所以抗凍融能力提高。

2.3.3抗硫酸鹽腐蝕性

通過物理力學性能試驗結果，選出綜合性能優異的配合比G2試驗組（施工濕密度為600 kg/m3、水灰比為0.70、鋼渣微粉摻量為50%）進行抗硫酸鹽腐蝕性能試驗，各齡期的抗壓強度變化規律，如圖10所示。

由圖10可以看出，7 d齡期時，溶液中硫酸鈉的質量分數為5%、10%、15%時抗壓強度分別為0.76、0.79、0.83 MPa，相較于G2試驗組7 d抗壓強度分別提高了11.76%、16.18%、22.05%。這是因為早期堿激發環境中，整個材料體系中含有大量的氫氧化鈣，硫酸鈉溶液提供的SO4（2）-與鋼渣微粉-水泥復合體系中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石，早期鈣礬石沉淀附于孔壁改變了孔隙界面形態，侵蝕初期鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土內部孔隙界面的變形減緩離子擴散速率，適量的鈣礬石晶體使得鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土結構更加致密，使得強度提升。28 d齡期時，硫酸鈉的質量分數為5%、10%時，抗壓強度分別提高了7.78%、17.78%，然而硫酸鈉的質量分數為15%時，強度與未浸泡硫酸鈉溶液的試驗組相比并沒有提高，這是因為生成過多的鈣礬石對孔隙內壁造成過大壓力使得孔壁造成損傷，產生新微裂反過來又加速SO4（2）-離子擴散。60 d齡期時，3種不同濃度硫酸鈉溶液下抗壓強度相比于G2試驗組強度分別下降6.25、7.03、11.72%，說明此時鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土中氫氧化鈣與硫酸根離子充分反應，C-S-H中Ca2+逐漸溶解以維持溶液濃度平衡，C-S-H凝膠的溶解在一定程度上造成鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土耐久性出現損傷。齡期為90、120 d時，3種硫酸鹽濃度下抗壓強度低于齡期為60 d時的，說明生成過多鈣礬石晶體填充孔隙產生內應力誘導開裂；當應力超過鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土極限拉應力后，會出現塑性變形，其表面會發生剝落現象。

3結論

1）鋼渣微粉摻量對泡沫輕質土抗壓強度及吸水率的影響最大，鋼渣微粉摻量越大抗壓強度越低；吸水率呈上升趨勢。隨著鋼渣微粉摻量增加，沉陷距隨之減小，鋼渣微粉摻量對鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土的流動性影響不大。

2）水灰比增大，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質吸水率和流值逐漸增大。相同時間內，沉陷距隨水灰比的增加而增加。當水灰比為0.7時，齡期為28 d時鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土抗壓強度達到最大值0.9 MPa，符合規范要求。

3）濕密度對鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土抗壓強度和流值有較大影響，隨著濕密度增大，抗壓強度和流值有較大提升，吸水率隨之減小。相同時間內，隨著濕密度的增加，沉陷距呈現增加的趨勢。

4）鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土具有較好的水穩定性能和抗凍融穩定性能，鋼渣微粉摻量、水灰比、濕密度對水穩定性能、抗凍融性能影響較小。干濕循環會造成鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土抗壓強度降低，但其強度損失較小；試件抗壓強度在凍融循環作用下同樣會有所降低，但其強度損失同樣較小。

5）溶液中硫酸鈉的質量分數低于15%時，鋼渣微粉-水泥泡沫輕質土7、28 d抗壓強度較未經過硫酸鹽腐蝕的試件強度有所提高。當齡期超過60 d時，經硫酸鈉溶液浸泡的泡沫輕質土抗壓強度出現明顯下降。

利益沖突聲明（Conflict of Interests）

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻（Author’s Contributions）

張彩利、王犇、孟慶營參與了實驗設計與指導、論文寫作及修改，于焱龍、張崇僖、龔芳媛參與了論文的修改及格式編輯。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The experimental design and guidance，manuscript writing and revision were carried out by ZHANG Caili，WANG Ben，MENG Qingying.The manuscript revision and format editing were carried out by YU Yanlong，ZHANG Chongxi and GONG Fangyuan.All authors have read the last version of paper and consented for submission.

參考文獻（References）

［1］段德峰，劉潤喜，王曉川，等.鋼渣在道路工程中的應用研究進展［J］.河南科技，2021，40（23）：129-132.

DUAN D F，LIU R X，WANG X C，et al.Research progress on the application of steel slag in road engineering［J］.Henan Science and Technology，2021，40（23）：129-132.

［2］GUO J，BAO Y，WANG M.Steel slag in China：treatment，recycling，and management［J］.Waste Management，2018，78：318-330.

［3］吳躍東，彭犇，吳龍，等.國內外鋼渣處理與資源化利用技術發展現狀綜述［J］.環境工程，2021，39（1）：161-165.

WU Y D，PENG B，WU L，et al.Development status overview of steel slag treatment and resource utilization technologies at home and abroad［J］.Environmental Engineering，2021，39（1）：161-165.

［4］KRISHNA A S，SIEMPU R，KUMAR G S.Study on the fresh and hardened properties of foam concrete incorporating fly ash［J］.Materials Today：Proceedings，2021，46：8639-8644.

［5］CHEN Y G，GUAN L L，ZHU S Y，et al.Foamed concrete containing fly ash：properties and application to backfilling［J］.Construction and Building Materials，2020，273（2）：121685.

［6］HE D L，LIAO H Q，GUO Z C，et al.Influence of steel slag powder with different specific surface area on the properties of foam concrete［C］//Advanced Materials Research.Zurich：Trans Tech Publications Ltd，2012，575：95-99.

［7］WANG Q，YAN P Y，HAN S.The influence of steel slag on the hydration of cement during the hydration process of complex binder［J］.Science China Technological Sciences，2011，54（2）：388-394.

［8］趙正峰，王笑風，王國棟，等.工業廢渣復合膠凝材料泡沫輕質土制備及性能［J］.硅酸鹽通報，2022，41（6）：2108-2116.

ZHAO Z F，WANG X F，WANG G D，et al.Preparation and properties of industrial waste composite cementitious foam lightweight soil［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2022，41（6）：2108-2116.

［9］謝洪陽，戴宜文，任宇航，等.多因素及干濕循環對泡沫混凝土性能的影響［J］.中國粉體技術，2023，29（5）：125-134.

XIE H Y，DAI Y W，REN Y H，et al.Influence of multiple factors and dry-wet cycles on the properties of foam concrete［J］.China Powder Science and Technology，2023，29（5）：125-134.

［10］鄭波濤，譚旺，郭廣銀，等.大摻量磷石膏泡沫輕質土的制備［J］.新型建筑材料，2023，50（8）：79-83.

ZHENG B T，TAN W，GUO G Y，et al.Preparation of high-dosage phosphogypsum foam lightweight soil［J］.New Building Materials，2023，50（8）：79-83.

［11］蔣善國，韓佳琦，陳忠平，等.燃煤爐渣基泡沫輕質土路用材料性能研究［J］.中外公路，2022，42（4）：222-226.

JIANG S G，HAN J Q，CHEN Z P，et al.Study on the performance of foam lightweight soil road materials based on coal ash slag［J］.Journal of Chinaamp;Foreign Highway，2022，42（4）：222-226.

［12］天津市市政公路管理局.現澆泡沫輕質土路基設計施工技術規程：TJG F10 01－2011［S/OL］.（2011-10-19）［2023-11-09］.https：//max.book118.com/html/2019/0113/5214220232002001.shtm.

Tianjin Municipal Administration of Urban Roads.Design and construction technical specifications for cast-in-place foam lightweight soil subgrade：TJG F10 01-2011［S/OL］（2011-10-19）［2023-11-09］.https：//max.book118.com/html/2019/0113/5214220232002001.shtm.

［13］國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.蒸壓加氣混凝土性能試驗方法：G/T 11969－2020［S］.北京：中國標準出版社，2021.

State Administration for Market Regulation，Standardization Administration of China.Test methods for properties of auto?claved aerated concrete：G/T 11969-2020［S］.Beijing：China Standard Press，2021.

［14］李寶，孫吉書，李洪亮.泡沫輕質土的環境耐久性試驗研究［J］.黑龍江交通科技，2017，40（4）：18-19.

LI B，SUN J S，LI H L.Experimental study on environmental durability of foam lightweight soil［J］.Journal of Heilongji?ang Transportation Science and Technology，2017，40（4）：18-19.

Performance of foam lightweight soil with large amount ofsteel slag powder-cement

ZHANG Caili1，2，WANG Ben3，YU Yanlong1，ZHANG Chongxi1，MENG Qingying4，GONG Fangyuan1，2

1.College of Civil Engineering and Transportation，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；

2.Tianjin Traffic Engineering Green Material Technology Engineering Center，Tianjin 300401，China；

3.Heilongjiang Longgao Highway Maintenance Engineering Co.，Ltd.，Harbin 150000，China；

4.Tianjin Kaimande Engineering Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China

Abstract

Objective To enhance the utilization efficiency of steel slag solid waste，a method was devised to prepare steel slag powder-cement foam lightweight soil by replacing part of cement with steel slag.The road performance of the foamed lightweight soil was then analyzed after the incorporation of steel slag powder to develop economically viable，high-performance foamed lightweight soil.

Methods The PO42.5 ordinary Portland cement and steel slag micro-powder were used as the main materials，complemented by sodium carbonate，triethanolamine agents，and a composite foaming agent.During the experimental process，the materials were weighed using an electronic balance and then mixed in a blender according to the specified proportions.Subsequently，diluted foaming agent was added to water to generate fine and dense foam，which was thoroughly mixed with the steel slag micro-powder-cement slurry and poured into cubic molds with its surface leveled.Regarding its performance，the flowability，water absorption rate，water stability，and freeze-thaw stability were assessed based on referenced standards.Additionally，settlement distance and compressive strength were measured at different ages.Furthermore，an anti-sulfate corrosion test was performed by immers?ing specimens in solutions with varying sulfate concentrations to assess changes in compressive strength over time.This work investigated the impact of varying steel slag powder content（40%to 70%），water-cement ratio（0.60 to 0.75），wet densitygrade（600 kg/m3to 900 kg/m3），and curing time on the flow value，water absorption，settlement distance，compressive strength，water stability，freeze-thaw stability，and sulfate corrosion resistance of foamed lightweight soil.

Results and Discussion As the steel slag powder content increased，the water absorption rate and flow value of the steel slag powder-cement foam lightweight soil gradually increased.Simultaneously，the settlement distance increased with a higher water-cement ratio.Compressive strength initially increased and then decreased with the elevation of the water-cement ratio，as water played a pivotal role as a raw material in hydration reaction between steel slag powder and cement.Insufficient water content at low water-cement ratios impeded full hydration of the slurry material，causing the agglomeration of steel slag powder and cement particles.Consequently，the generated hydration products inadequately filled the pores or adhered to the pore walls，reducing the compressive strength of the specimens.At a water-cement ratio of 0.7，the compressive strength of 28 days peaked at 0.9 MPa，satisfying the specification requirements.

At the same age，an increase in steel slag powder content significantly decreasd the compressive strength of the specimens.This decline occurred because the gradual replacement of cement by steel slag powder resulted in a reduction of material actively participating in the overall reaction，leading to decreased hydration product formation and a looser structure.

Furthermore，with an increase in steel slag powder content，its settlement distance exhibited an upward trend and then accompanied by a decrease.This phenomenon happened because that the activator enhanced the activity of steel slag，which promoted its synergistic reactions with cement，therefore rapidly elevating the early strength of the foam lightweight soil.This acceleration of the hydration reaction rates consequently reduced the settlement distance.Notably，steel slag powder had mini?mal impact on the fluidity of the foam lightweight soil.

The wet density grade exerted a significant influence on the compressive strength and flow value.With an increase in wet density，there was a notable improvement in compressive strength and flow value，accompanied by a reduction in water absorp?tionrate.This enhancement was attributed to the increased proportion of cement and steel slag powder，reducing foam content and pores.Concurrently，the settlement distance exhibited an increasing trend with the rise in wet density due to the decreased foam content，leading to slurry thinning and increased setting time.

Steel slag powder-cement foam lightweight soil demonstrated favorable water stability and freeze-thaw stability.Although dry-wet cycles diminished the compressive strength，the loss was minimal.Similarly，the compressive strength of the specimens decreased under the influence of freeze-thaw cycles，with insignificant strength loss.

For specimens with a steel slag powder content of 50%，water-cement ratio of 0.70，and wet density grade of 600 kg/m3，the compressive strength in 5%，10%，and 15%sodium sulfate solutions were 0.76 MPa，0.79 MPa，and 0.83 MPa，respec?tively.Compared to the 7-day compressive strength of the G2 test group，these values represented increases of 11.76%，16.18%，and 22.05%，respectively.However，at 28 days，its compressive strength remained unchanged with the concentra?tion of sodium sulfate solution of 15%.After 60 days，a significant decrease in compressive strength occurred，due to excessive ettringite crystals filling the pores，causing internal stress-induced cracking.When the stress surpassed the ultimate tensile stress，plastic deformation occurred，leading to surface peeling.

Conclusion The incorporation of steel slag powder and alkaline activator proves to bean effective strategy in enhancing the utili?zation efficiency of steel slag.The mechanical properties of 50%high volume steel slag powder-cement foam lightweight soil are guaranteed.

Keywords：foam lightweight soil；steel slag powder；physical property；mechanical property；durability

（責任編輯：王雅靜）