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)性能實驗，主要研究了鋼渣粉對水泥的標(biāo)準稠度需水量、凝結(jié)時間、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)，配制的混凝土各項性能均能滿足設(shè)計要求。

鋼渣粉；混凝土；流變性；安定性；強度

0 前言

鋼渣是鋼廠煉鋼時排放的廢渣，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，保護環(huán)境，同時能給企業(yè)、社會帶來巨大的經(jīng)濟效益、社會效益、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)準砂：廈門產(chǎn) ISO 標(biāo)準砂。

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研究

2.1 標(biāo)準稠度需水量、凝結(jié)時間、沸煮安定性試驗

本節(jié)對鋼渣粉作水泥混合材時的標(biāo)準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性作了詳細的研究。

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，膠材的拌合物流動度會增大。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，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，改善流動性[6]。

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

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，促進水泥凝結(jié)硬化，所以表現(xiàn)為終凝時間縮短。

（3）安定性試驗結(jié)果分析：試驗測試基準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到 50%，內(nèi)部的不穩(wěn)定因素（游離氧化鈣）也不會導(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

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

圖 1 鋼渣粉對凈漿流動性影響曲線

由凈漿流變性試驗結(jié)果觀察，空白實驗用時 246s，60min 后攪拌流動時間為 259s，比初始用時稍長。鋼渣粉取代水泥測試流動時間，當(dāng)鋼渣粉取代量在 15% 時初始為197s，與空白相比用時大幅度減少，說明鋼渣粉的加入，賦予良好的流動性，減少了用水量，60min 以后測試流動用時為 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，初始用時不會明顯地減少，說明試樣的流動性不會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)改變試樣的流動性。從整體來看[2]，鋼渣粉的加入增加初始流動度，減少用水量，間接地降低了水灰比，對于試樣 60min 流動度，即 1h 損失也有良好的貢獻。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表現(xiàn)出一定的活性，為了研究鋼渣粉的活性大小，設(shè)計鋼渣粉、粉煤灰、礦粉做混合材時對水泥膠砂擴展度及強度的影響，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 鋼渣粉對膠砂流動性的影響

具體試驗結(jié)果見圖 2。

圖 2 各混合材不同摻量的膠砂擴展度曲線

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，試樣的擴展度越來越大。當(dāng)摻量介于20% 與 30% 之間時，摻加鋼渣粉與礦粉試樣的擴展度略有下降，當(dāng)摻量超過 30% 時，隨著摻量的增加，擴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展度呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。

2.3.2 鋼渣粉對膠砂強度的影響

圖 3 各混合材不同摻量 7d 抗折強度曲線

圖 4 各混合材不同摻量 7d 抗壓強度曲線

圖 5 各混合材不同摻量 56d 抗折強度曲線

圖 6 各混合材不同摻量 56d 抗壓強度曲線

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度都呈現(xiàn)下降的趨勢，分析對強度貢獻的大小依然是：礦粉＞鋼渣粉＞粉

評價鋼渣粉對膠砂強度影響規(guī)律。具體試驗結(jié)果見圖3～6。煤灰；摻量超過 20% 以后鋼渣粉、粉煤灰的抗折強度與礦粉有了明顯的差異；而摻量在 10% 時鋼渣粉抗折強度甚至與礦粉強度相當(dāng)?？梢娙粼诒ＷC強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，各混合材對抗壓強度影響結(jié)果是：礦渣粉＞鋼渣粉＞粉煤灰，與抗折強度規(guī)律一樣，超過 20% 以后強度下降比較明顯，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，故強度最高；而粉煤灰強度值最低，說明粉煤灰早期水化物質(zhì)較少，水化速度較慢，強度發(fā)展遲緩，另一可能原因是粉煤灰達不到 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度隨著鋼渣粉摻量的增加強度下降比較明顯，鋼渣粉摻量控制在 10%～20%，早期抗壓強度還能滿足 20MPa 以上。早期強度規(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，與早期強度發(fā)展規(guī)律相似。

各混合材對后期抗折強度的影響規(guī)律：摻加礦粉膠砂后期抗折強度發(fā)展較好，比較穩(wěn)定，即使摻量不斷增大，強度發(fā)展也比較均衡；摻加鋼渣粉膠砂強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度在摻量在 10%～20%時發(fā)展較穩(wěn)定，但是超過 20% 以后就會有明顯的下降。

摻加鋼渣粉膠砂后期抗壓強度在 20% 時是 57.8MPa，此時強度損失很小，隨著摻量增加，強度有所下降，考慮到拌制混凝土?xí)r石子的加入會降低混凝土的強度，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)計規(guī)程》設(shè)計大摻量鋼渣混凝土強度等級為 C30 的配合比 ，試驗設(shè)計強度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%，混凝土抗壓試驗結(jié)果見圖 7。

圖 7 鋼渣粉不同摻量?。ù?）量各齡期強度變化曲線

觀察鋼渣粉作摻合料強度結(jié)果，三條曲線反映出同一規(guī)律：不管是 3d、7d 還是 28d 強度，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土強度呈現(xiàn)下降的趨勢。 7d 強度代表早期強度，當(dāng)鋼渣粉摻量在 10% 時，強度能夠達到 25MPa；超過 10%，強度開始下降，觀察后期 28d 強度增長趨勢；摻量在 20% 強度發(fā)展比較好，能夠達到 36MPa 以上；緊接著隨著摻量增加混凝土強度低于 35MPa；強度降低較快，此時不能滿足設(shè)計要求。所以結(jié)合前面的膠砂流動度及強度發(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，內(nèi)部的不穩(wěn)定因素（游離氧化鈣）也不會導(dǎo)致水泥體積穩(wěn)定性不良，不穩(wěn)定成分含量達到指標(biāo)要求。

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

（3）通過膠砂與混凝土實驗可知，鋼渣粉摻量控制在15% 以內(nèi)，對膠砂、混凝土的早期強度影響較大，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．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。