張忠哲　姬永生　徐之山　高芙蓉　馬明明

摘 要：以C60普通混凝土為基準(zhǔn)，將部分細集料采用鋼渣進行替換，膠凝材料由不同比例的礦物摻合料復(fù)摻代替，組成復(fù)摻鋼渣細集料混凝土。通過對復(fù)摻鋼渣細集料混凝土與基準(zhǔn)混凝土強度的比較，將強度優(yōu)選組與基準(zhǔn)混凝土進行抗侵蝕及抗凍性能的測試。結(jié)果表明：延長復(fù)摻鋼渣細集料混凝土的養(yǎng)護時間，可以提高其抗壓性能;普通混凝土與復(fù)摻鋼渣混凝土強度優(yōu)選組，在6個月硫酸鹽與鎂鹽侵蝕條件下的抗折、抗壓侵蝕系數(shù)均大于0.8;強度優(yōu)選組中抗凍性能可達到F150的要求，而GFKS-1則可以滿足F200的要求。

關(guān)鍵詞：鋼渣;礦物摻合料;抗壓強度;耐久性

中圖分類號：TU528.41?? 文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.025

Study on Mechanics and Durability of Concrete Mixed with Steel Slag Fine Aggregate

ZHANG Zhongzhe， JI Yongsheng， XU Zhishan， GAO Furong， MA Mingming

（Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering，

China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract： This article based on C60 ordinary concrete. Part of the fine aggregate was replaced by steel slag， and the cemented material was replaced by different proportions of mineral admixture to form a composite steel slag fine aggregate concrete. By comparing the strength of the composite slag fine aggregate concrete with the reference concrete， the strength preferred group and the reference concrete were tested for corrosion resistance and frost resistance. The results show that the curing time of the composite steel slag fine aggregate concrete can be prolonged， and the compressive performance can be improved. The strength of ordinary concrete and composite steel slag concrete is better， and the flexural and anti-resistant under the condition of 6 months of sulfate and magnesium salt erosion The pressure erosion coefficient is greater than 0.8; the frost resistance of the strength group can meet the requirements of F150， while the GFKS-1 can meet the requirements of F200.

Key words： steel slag; mineral admixture; compressive strength; durability

我國鋼渣每年產(chǎn)量8 000萬t，而轉(zhuǎn)化率僅為20%[1]，因而鋼渣的資源化利用成為亟待解決的難題。由于鋼渣中富含活性玻璃質(zhì)化學(xué)成分[2]，且含有SiO2、Fe2O3、C2S、C3S等與硅酸鹽熟料相似的活性礦物成分[3-4]，有利于提高膠結(jié)充填體強度[5]，其膠凝活性也與水泥相差無幾[6]，所以很多學(xué)者嘗試將鋼渣用于工程領(lǐng)域。

相關(guān)研究表明：鋼渣的細集料與界面結(jié)構(gòu)的黏結(jié)力較大，能提升混凝土抗壓強度、耐水性和抗沖磨強度[7-8];鋼渣摻入瀝青混凝土，對其高溫穩(wěn)定性、劈裂強度、水穩(wěn)定性和耐磨性的提升是有利的[9-11];再生骨料中摻加適宜比例的鋼渣粉，可提升混凝土的工作性能，如在提高抗壓強度、降低膠凝材料的早期水化熱等方面[12-13];采用鋼渣作為混凝土的集料可使混凝土界面過渡區(qū)得以改善，提高所配制的混凝土的抗壓強度[14]。

在前期眾多專家對鋼渣混凝土研究的基礎(chǔ)上，筆者將鋼渣粉與礦物摻合料復(fù)摻，并將鋼渣集料與天然砂混合使用，對鋼渣混凝土抗壓性能和耐久性進行研究，從而為鋼渣的資源化利用提供參考。

1 試驗材料

（1）水泥。P.O 42.5R級普通硅酸鹽水泥，其物理性能、化學(xué)成分和混合材摻量分別見表1～表3。

（2）鋼渣粉、粉煤灰、礦渣粉。鋼渣粉經(jīng)過長期靜置陳化處理，使得游離氧化鈣（f-CaO）的含量滿足規(guī)范要求，并將其作為研磨源，研磨后的粉體密度為3.37 g/cm3，比表面積為425～500 m2/kg，安定性達到規(guī)范要求;粉煤灰的密度為2.40 g/cm3，Ⅰ級，比表面積為446±5 m2/kg，燒失量為2%;礦渣粉的密度為2.93 g/cm3，S95級，比表面積為400±5 m2/kg。

（3）細集料。本試驗選用天然砂和經(jīng)過陳化處理后0.16～5 mm的鋼渣作為細集料，物理性能指標(biāo)見表4。

（4）粗集料。本試驗選用粒徑為5～20 mm、級配良好的卵石作為粗集料。粗集料的物理性能指標(biāo)見表5，級配分布見表6。

2 鋼渣混凝土抗壓性能試驗研究

（1）參考《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）配置一組C60的基準(zhǔn)混凝土。根據(jù)張忠哲等[15]的研究（具體比例見表7），確定礦物摻合料復(fù)摻比例，并參考韓艷麗等[16]和劉攀[17]的研究成果，確定鋼渣細集料的替換率為50%，對基準(zhǔn)混凝土進行相應(yīng)調(diào)整后，建立的配合比見表8。

（2）根據(jù)表8所列配合比制作100 mm×100 mm×100 mm的混凝土抗壓強度試件，并參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）進行試驗;制作100 mm×100 mm×400 mm的混凝土凍融循環(huán)試件，并參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）進行試驗;制作40 mm×40 mm×160 mm的混凝土抗侵蝕試件，參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》（GB/T 749—2008）中的K法，進行試驗。

普通混凝土及復(fù)摻鋼渣細集料混凝土的試驗結(jié)果見表9和圖1，可以看出：

（1）鋼渣粉和粉煤灰復(fù)摻時，混凝土在各養(yǎng)護齡期的整體強度隨著粉煤灰摻量的增加而下滑，當(dāng)鋼渣粉和粉煤灰的復(fù)摻比例為2∶1時，其強度為該組強度最優(yōu)異的，在選擇鋼渣粉與粉煤灰復(fù)摻比例時應(yīng)控制替換水泥量不超過30%，兩者比例應(yīng)為2∶1。

（2）鋼渣粉和礦渣粉復(fù)摻時，3 d期齡的抗壓強度會隨礦渣粉摻量的增多逐步降低;而從7～56 d期齡的抗壓強度可以看出，當(dāng)鋼渣粉和礦渣粉摻量為1∶1時，其強度為該組強度最高的，所以鋼渣粉和礦渣粉的最優(yōu)比例為1∶1，鋼渣粉和粉煤灰的混合摻量不宜超過40%。

（3）鋼渣粉、粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻時，隨著替換總量的增加，復(fù)摻鋼渣細集料混凝土的抗壓強度降低，并且摻量相同時，隨著礦渣粉的減少，抗壓強度下降。而在56 d養(yǎng)護齡期時，鋼渣粉、粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例為2∶1∶1時抗壓強度最高。

（4）從整體上看，復(fù)摻鋼渣細集料混凝土隨著養(yǎng)護齡期的增加，其抗壓強度不斷提升，在56 d齡期時均已大幅度提升，在合理搭配下其強度可以超過普通混凝土抗壓強度。

鋼渣細集料表面堅固多孔，易與天然集料結(jié)合形成“齒輪咬合力”，增加集料間相互支撐。膠凝材料在水化過程時，滲入到鋼渣細集料孔洞的會令鋼渣細集料與天然集料更好地包裹在一起，增強鋼渣混凝土的“錨固效應(yīng)”。鋼渣粉摻入到混凝土當(dāng)中，混凝土的強度較普通混凝土要低。這是因為與水泥相比，鋼渣粉的水化速率和強度發(fā)展均較慢[18]，且礦物摻合料替換量較大，在早期強度和特性方面水化效果不如普通混凝土，造成鋼渣混凝土較普通混凝土強度略低。

3 復(fù)摻鋼渣細集料混凝土抗侵蝕性能研究

結(jié)合復(fù)摻鋼渣細集料混凝土抗壓強度試驗得出的結(jié)論，礦物摻合料復(fù)摻鋼渣混凝土的力學(xué)性能表現(xiàn)較為出色，故將各復(fù)摻組中的強度優(yōu)選組作為此次抗侵蝕試驗的研究對象，結(jié)合馮勇等[19]的研究，將SO2-4的含量確定為8 000 mg/L，Mg2+確定為3 000 mg/L。將28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的試件，分類放置于兩種侵蝕溶液及淡水中，試驗確定相應(yīng)齡期試塊的抗折、抗壓侵蝕系數(shù)。試件抗侵蝕性能達到破壞的標(biāo)志為：每組試塊的計算結(jié)果K蝕≤0.8[20]。將復(fù)摻鋼渣細集料混凝土中強度優(yōu)選組與普通混凝土放在相應(yīng)濃度的SO2-4、Mg2+和淡水溶液中，對試驗所得抗折、抗壓強度數(shù)據(jù)與侵蝕系數(shù)進行整理得到表10和圖2。

（1）從整體上看：經(jīng)過6個月硫酸鹽及鎂鹽的侵蝕，普通混凝土與復(fù)摻鋼渣細集料混凝土強度優(yōu)選組的抗折、抗壓侵蝕系數(shù)隨著養(yǎng)護齡期的增加，其數(shù)值均超過0.8的標(biāo)準(zhǔn)值，可見處于0.29這一低水膠比情況下，混凝土密實度的提高使得混凝土抗侵蝕性能有很大的提升?？梢?，為保證混凝土的抗侵蝕性能，應(yīng)該適當(dāng)降低水膠比。

（2）采用低水膠比，并結(jié)合礦物摻合料的填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)，混凝土內(nèi)部微小孔洞封閉，混凝土整體的密實度得以改善，這就使得裹覆侵蝕介質(zhì)的水難以進入混凝土中[21]。在整個膠凝材料中，礦物摻合料的替換，使得水泥的摻入量降低，抑制了CH的產(chǎn)生。將水泥水化產(chǎn)生的CH反應(yīng)轉(zhuǎn)化為C-S-H改善了過渡層的性質(zhì)，其填充作用對降低過渡層孔隙率有相應(yīng)幫助[22]?；炷两缑孢^渡區(qū)的密實度提高，使得侵蝕介質(zhì)難以大量填充其中造成膨脹破壞。而在未水化之前水泥的物理堆積密實度的完善，更加對混凝土內(nèi)部密實度提高有著明顯作用。復(fù)摻鋼渣細集料混凝土中界面過渡區(qū)的緊密堆積使得薄弱區(qū)域的物理架構(gòu)更加堅固，并伴隨膠凝材料二次水化反應(yīng)的進行，其產(chǎn)物與SO2-4、Mg2+進行反應(yīng)填充內(nèi)部孔洞，令內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，環(huán)境中的侵蝕介質(zhì)不能順暢地從外部進入內(nèi)部，避免了大量鈣礬石（Aft）、單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）和Mg（OH）2的生成，從而使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫的概率得以降低，增強了混凝土的抗侵蝕性能[23-24]。

4 復(fù)摻鋼渣細集料混凝土的抗凍性能測試

對復(fù)摻鋼渣細集料混凝土中的強度優(yōu)選組進行抗凍性能檢測，將試件進行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后，放入凍融試驗機進行測試。每相鄰50次循環(huán)周期，對試件進行動彈性模量和質(zhì)量損失的記錄。當(dāng)試驗滿足下列條件之一時結(jié)束試驗：①當(dāng)試件的相對動彈性模量降低至60%或質(zhì)量損失率超過5%;②循環(huán)次數(shù)達到200次。

試件進行凍融循環(huán)的數(shù)據(jù)見表11～表13和圖3、圖4，可以看出：

（1）復(fù)摻鋼渣細集料混凝土強度優(yōu)選組的抗凍性能均能實現(xiàn)F150的要求。GFKS-1在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，依然確保質(zhì)量損失率沒有超過5%，相對動彈性模量為60.9%，能夠滿足F200要求，其他各組則不能滿足要求。

（2）毛細孔中的水會在溫度降低后受凍結(jié)冰，從而導(dǎo)致體積膨脹，伴隨著擴展孔隙或者多余水的排出，而這一過程產(chǎn)生壓力將會導(dǎo)致試件的破壞[25]。而級配的合理選擇，使得復(fù)摻鋼渣細集料混凝土內(nèi)部集料之間的孔隙得以優(yōu)化，毛細孔的數(shù)量得以降低，而其造成的破壞也會減弱。

礦物摻合料的加入使得多余的水分和CH反應(yīng)生成C-S-H，使得集料附近的膠凝材料含量提高，增加了集料與基體的膠結(jié)能力，同時使得孔隙率也隨之降低[26]。混凝土內(nèi)部的密實度決定了混凝土內(nèi)部滲透性的好壞，滲透性對于水分遷移的滲透壓力和冰凍前臨界飽和度的控制起主要影響[27-28]。礦物摻合料的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和二次水化反應(yīng)的復(fù)合疊加，使得混凝土內(nèi)部密實度得到改善，滲透性得以提升，由此對混凝土的抗凍性產(chǎn)生積極作用。

5 結(jié) 語

（1）復(fù)摻鋼渣細集料混凝土在養(yǎng)護時間延長時，可以提高其抗壓強度。鋼渣混合集料混凝土加入鋼渣粉和粉煤灰的最優(yōu)比例為2∶1，鋼渣粉和礦渣粉的最優(yōu)比例為1∶1，鋼渣粉、粉煤灰和礦渣粉的最優(yōu)比例為2∶1∶1。

（2）普通混凝土與復(fù)摻鋼渣細集料混凝土強度優(yōu)選組，在6個月硫酸鹽及鎂鹽侵蝕條件下的抗折、抗壓侵蝕系數(shù)均大于0.8。從中可以看出，在侵蝕條件下降低水膠比對混凝土的抗侵蝕性能有很大幫助，而礦物摻合料的加入，對于混凝土內(nèi)部侵蝕物質(zhì)的形成有抑制作用，能夠進一步改善混凝土的抗侵蝕性能。

（3）普通混凝土在歷經(jīng)150次凍融循環(huán)時，動彈性模量下降到59.4%。而復(fù)摻鋼渣細集料混凝土強度優(yōu)選組抗凍性均能滿足F150的要求，而GFKS-1則能夠達到F200的要求。在礦物摻合料合理搭配的情況下，對于混凝土的抗凍性更加有利。

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【責(zé)任編輯 崔瀟菡】

收稿日期：2018-09-29

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（51972337）

作者簡介：張忠哲（1991—），男，吉林四平人，博士研究生，主要從事新型土木工程材料研究工作

E-mail：zhangzzhaos@163.com