薛旭峰，房增星，姜正林，喻鵬，宗蘭，張士萍

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

鋼渣對混凝土性能影響的研究進展

薛旭峰，房增星，姜正林，喻鵬，宗蘭，張士萍

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

鋼渣做為煉鋼企業(yè)的副產(chǎn)品，產(chǎn)量非常大，如能合理開發(fā)和應(yīng)用，不僅能降低環(huán)境污染，還具有很高的經(jīng)濟效益。文章主要介紹了鋼渣在混凝土中的應(yīng)用情況，討論了鋼渣的成分及摻量對混凝土的流動性、體積安定性、抗凍性、抗氯離子滲透性以及抗碳化性能的影響，指出了此課題研究的重要性。

鋼渣；混凝土；流動性；強度；耐久性

0 引言

鋼渣是煉鋼企業(yè)的廢渣之一，也是鋼鐵行業(yè)的主要固體廢棄物之一。鋼渣的產(chǎn)量非常大，年產(chǎn)1萬t的煉鋼廠，每年可排出鋼渣約2 500 t。由于煉鋼過程中工藝要求不同，鋼渣的化學(xué)成分相差較大。同時，由于鋼渣本身的一些缺陷，如較難磨細、水化活性較低、化學(xué)成分波動較大等，因此實際利用率相對較低。鋼渣用來制備混凝土之前一般都需要進行二次加工。近年來，我國對鋼渣在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用的研究越來越多。鋼渣本身的化學(xué)成分與水泥是相似的，也就是說同樣具有一定的膠凝性能。將鋼渣用于制備水泥、混凝土等建筑材料不僅可以顯著降低水泥用量，而且能夠減少生產(chǎn)水泥所消耗的能源和資源，降低了CO2的排放，對環(huán)境保護具有積極的作用。

1 鋼渣的應(yīng)用對混凝土流動性及強度的影響

1.1 鋼渣對流動性的影響

鋼渣的摻加對新拌混凝土的流動性有很大的影響。李云峰等[1]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣粉、礦渣粉作為活性礦物摻合料加入混凝土中,對混凝土的流動性有積極作用。這是由于鋼渣的水化機理，水化速度較水泥慢，且改變了水化基體的孔道大小與分布，使得漿體流動性增強。摻加礦渣粉時,混凝土流動性減小，摻加鋼渣粉后,混凝土流動性均增大;鋼渣粉、礦渣粉復(fù)摻時,混凝土流動性亦增大,且鋼渣粉比例越高,流動性越大。張錦瑞等[2]則提出，鋼渣礦粉的摻量對混凝土工作性能有一定的影響。鋼渣中主要含有C2S礦物，C2S早期水化速度較慢，用鋼渣代替水泥，C2S礦物增加，水化速度降低，混凝土的坍落度經(jīng)時損失減??；并且，鋼渣礦粉摻量越大，減小坍落度經(jīng)時損失的作用越突出。施惠生等學(xué)者[2]也認為采用鋼渣部分取代水泥，能控制新拌混凝土流動性的降低。因為在混凝土初凝前，水泥中的熟料礦物首先開始逐漸水化，同時隨著水化齡期的延長，新拌混凝土的流動性也會逐漸發(fā)生損失。而鋼渣摻合料中的類似于硅酸鹽水泥熟料的礦物成分的活性相對較低、水化反應(yīng)速率較慢，因此不能為流動性做出貢獻。

同時，鋼渣的細度也會影響混凝土流動性。張錦瑞等[2]提出，當(dāng)鋼渣摻量一定時，鋼粉細度對混凝土工作性能的影響較小。施惠生等[3]認為混凝土的強度等級越高，鋼渣細度對混凝土流動性的影響越大。但是鋼渣的細度應(yīng)控制在一定范圍，過細的鋼渣比表面積較大，需水量也相應(yīng)增加。

1.2 鋼渣對混凝土強度的影響

不同的配比對混凝土抗壓強度有影響。王保民等[4]認為，由于鋼渣中的C3S、C2S等物質(zhì)對早期強度的促進作用，無論哪種配合比，初始階段的抗壓強度均增長較快，而后期抗壓強度增長有所減慢。白敏等[5]研究表明：影響混凝土硬化后的強度的關(guān)鍵因素是水泥石和骨料界面位置的粘結(jié)強度，而水泥石和骨料界面強度則與水泥石本身的強度以及集料自身狀況(例如表面粗糙程度、棱角的多少等)、水化凝結(jié)條件，以及混凝土的離析泌水性等因素有關(guān)。對于加了鋼渣的混凝土材料，鋼渣自身表面越粗糙，粘結(jié)力也就越大，從而界面粘結(jié)強度也就越高。因此鋼渣的應(yīng)用會顯著改變混凝土微觀結(jié)構(gòu)，優(yōu)化集料與水泥石的界面過渡區(qū)，最終大大提高了混凝土的強度。施惠生等[3]研究表明，鋼渣的摻量對混凝土強度有重要影響，當(dāng)鋼渣的摻量低于20%的時候，鋼渣并不能顯著提高水泥石的強度。雖然鋼渣中的一些微小顆粒能填充水泥石中的孔隙、缺陷以及優(yōu)化界面過渡區(qū)，但是由于混凝土的水灰比較大，內(nèi)部的孔隙率很大，因此混凝土的抗壓強度出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

2 鋼渣的應(yīng)用對混凝土耐久性的影響

2.1 鋼渣對體積安定性的影響

從目前的眾多研究成果來看，鋼渣中游離的CaO、MgO等物質(zhì)被認為是影響混凝土安定性的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，對于游離的CaO，因經(jīng)歷“過燒”的過程，活性一般會在后期發(fā)揮作用，產(chǎn)生膨脹，顯示出安定性的不良；MgO的存在對混凝土的破壞也是不可忽視的。此外，鋼渣的化學(xué)組成與水泥熟料相似，所以康明[6]從混凝土的安定性評價與調(diào)控的角度，分別研究了摻鋼渣微粉、鋼渣砂、鋼渣石的混凝土的體積安定性，通過試驗推導(dǎo)出了鋼渣分別以摻合料、細集料和粗集料的形式應(yīng)用于混凝土?xí)r的合理摻量。砂漿評定方法表明鋼渣作為細骨料的摻量在30%時，試件表現(xiàn)出潛在安定性不良；而制備混凝土試件的評定方法則提出鋼渣作為細骨料來應(yīng)用時若摻量達到50%，混凝土表現(xiàn)出潛在安定性不良現(xiàn)象。由于制備混凝土試件進行評定的試驗方法與實際工程上用的混凝土材料的實際情況較接近，因此認為采用制備混凝土試件進行評價鋼渣混凝土的安定性更為合適。當(dāng)鋼渣作為細骨料用來制備混凝土?xí)r，鋼渣的摻量需要控制在50%以下。鋼渣作為粗骨料時，以膨脹率是否達到0.8%或者試件是否斷裂作為評價安定性的依據(jù)。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼渣作為粗骨料應(yīng)用時摻量達到30%的時候，混凝土表現(xiàn)出安定性不良，試件開始出現(xiàn)剝落開裂情況。因此，所用鋼渣作為粗骨料單摻于混凝土?xí)r，其摻量應(yīng)控制在30%以內(nèi)。

2.2 鋼渣對混凝土抗凍性能影響

楊全兵等[7]研究發(fā)現(xiàn)，使用鋼渣制備混凝土的時候，若鋼渣的摻量超過25%，水泥漿體的孔徑會細化，從而增大對水的阻力，這樣內(nèi)部毛細孔之間的曲折度也會相應(yīng)增大，導(dǎo)致水在毛細孔之間遷移的實際距離反而增加，造成水結(jié)冰后產(chǎn)生的膨脹壓較難卸除，從而使混凝土的抗凍性有所降低。然而尚建麗[8]等研究發(fā)現(xiàn)摻加小鋼渣顆?？梢蚤g接提高抗凍性，因為其被水泥漿體包裹形成致密的結(jié)構(gòu)，水結(jié)成冰的含量減少了水分的遷移，從而減少了破壞。

2.3 鋼渣對抗氯離子擴散的影響

混凝土自由氯離子的擴散速率是影響鋼筋銹蝕的關(guān)鍵因素之一，因此通常采用氯離子的擴散性能來表征混凝土中鋼筋銹蝕情況。王強[9]等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土中鋼渣摻量較大時，混凝土密實度降低，而且相對于粉煤灰，鋼渣改善混凝土硬化漿體孔隙結(jié)構(gòu)能力差很多，因而會導(dǎo)致混凝土的滲透性很大。但是也有眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，控制鋼渣的摻量（一般低于20%）可以提高混凝土的抗氯離子滲透性。原因總結(jié)為：①鋼渣的膠凝活性明顯低于水泥，因此部分水泥被鋼渣來代替，實際上等于變相地提高了水灰比，改善了水泥的水化反應(yīng)環(huán)境，從而使得水泥可以更加充分地發(fā)生水化反應(yīng)；②鋼渣自身的微集料效應(yīng)也會發(fā)揮出填充作用，可以優(yōu)化混凝土的水泥石和集料的界面結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)部的孔隙率、減小平均孔徑，最終提高密實度，改善抗?jié)B性；③隨著水化齡期的延長，鋼渣中的具有水化活性的成分也開始慢慢發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物同樣可以填充內(nèi)部的孔隙，即可以提高密實度；④鋼渣內(nèi)部的具有水化活性的成分發(fā)生的水化反應(yīng)，實際上還可以優(yōu)化水化產(chǎn)物的整體組成，提高能夠吸附和固化住氯離子的物質(zhì)。如水化產(chǎn)物CSH凝膠及水化鋁酸鹽凝膠的數(shù)量。其實提高混凝土的抗氯離子滲透能力關(guān)鍵還是要減少氯離子的滲透途徑，可以從鋼渣集料與砂、石級配關(guān)系分析，盡量減少混凝土內(nèi)部空隙。

2.4 抗碳化試驗

碳化，即CO2擴散到混凝土內(nèi)部，與Ca(OH)2以及其他膠凝體系發(fā)生反應(yīng)的過程，如果能將混凝土縫隙加以密封，可以阻止碳化進行。當(dāng)然有研究發(fā)現(xiàn)，混凝土碳化程度與抗壓強度有一定關(guān)系，抗壓強度大的試件，碳化深度反而小[10]。也有試驗發(fā)現(xiàn)與普通混凝土相比，添加鋼渣的混凝土碳化深度會有所減小。并且，這種碳化深度的減小在碳化的初始階段不是很明顯，但是隨著碳化齡期的延長，碳化深度會呈現(xiàn)出較明顯的減小。隨著水化齡期的延長，鋼渣自身的活性成分發(fā)生水化反應(yīng)，同時微小顆粒發(fā)揮出填充的效應(yīng)，從而優(yōu)化內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，顯著改善混凝土的抗氣體的滲透性能，最終表現(xiàn)出抑制碳化的效果。

3 結(jié)論與展望

如何最大限度的將鋼渣應(yīng)用到水泥、混凝土等建筑材料中，已成為現(xiàn)階段的研究熱點。眾多研究結(jié)果也表明，鋼渣是可以應(yīng)用到混凝土材料中的。但是由于鋼渣本身的特點，例如化學(xué)組成波動較大不易控制，游離氧化鈣含量相對較高容易導(dǎo)致體積穩(wěn)定性問題等。鋼渣作為礦物摻合料，要實現(xiàn)大規(guī)模、高附加值資源化利用，仍然有很多問題沒有解決。因此，為實現(xiàn)鋼渣的大規(guī)模高效率的應(yīng)用，在鋼渣水化機理、如何激發(fā)鋼渣活性等方面還需要深入研究。

[1]李云峰，王玲，林暉.摻鋼渣粉混凝土工作性和力學(xué)性能研究[J].原材料及輔助材料，2008，（9）：38-40.

[2]張錦瑞，劉淑賢，吳根，等.鋼渣微粉對混凝土性能的影響[J].科技資訊，2008，（6）：29-30.

[3]施惠生，郭蕾.鋼渣對硅酸鹽水泥水化硬化的影響研究[J].水泥技術(shù),2004,(2):21-24.

[4]王保民，胡斌，藺懷義.鋼渣混凝土強度特性的試驗研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2004,21（4）：77-79.

[5]白敏,尚建麗，張松榆，等.鋼渣替代粗集料配制混凝土的試驗研究[J].混凝土,2005,(7):62-70.

[6]康明.鋼渣用于混凝土的安定性評價與控制研究[J].固廢利用，2013,(2):15-17.

[7]楊錢榮,楊全兵.含鋼渣復(fù)合摻合料對混凝土耐久性的影響[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010, 38(8):1200-1204.

[8]尚建麗，邢琳琳.鋼渣粗集料混凝土耐久性的試驗研究[J].水泥混凝土，2012，（8）：25-30.

[9]王強，楊建偉，閻培渝.鋼渣在混凝土總應(yīng)用面臨的耐久性問題[J].建筑科學(xué)與工程，2012，（9）：290-295.

[10]趙旭光,趙三銀,李寧，等.高鋼渣摻量和高強度鋼渣水泥的研制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2004,26(1): 38-41.

As a by-product for steelmaking,not only environmental pollution can be removed,but huge economical benefits can be created if steel slag can be deeply developed and utilized.A review is given on the application of slag in concrete.Effect of chemical composition and dosage of slag on the performance of concrete is also discussed,including fluidity,stability,frost resistance,chloride ion permeability and carbonation are discussed in detail.The importance of this research subject is also pointed out.

steel slag;concrete;fluidity;strength;durability

薛旭峰（1992-），男，本科，土木工程專業(yè)。

強）（

2014-5-30）