钢渣矿粉混凝土的物理力学性能研究

摘　要： 　研究了钢渣矿粉细度、掺量对混凝土的工作性能和力学性能的影响，探讨了钢渣矿粉对混凝土性能的作用机理；提出了利用钢渣矿粉作掺合料制备高强、高性能混凝土的关键技术与方法。

关键词： 钢渣矿粉；水泥混凝土掺合料；混凝土性能

      钢渣是炼钢工业的废渣，其排放量约为钢产量的10 %左右，长期以来钢渣没有得到有效、彻底的利用， 造成钢渣堆积成山，占用土地资源，污染空气和水质的严重局面。钢渣中含有一定数量的水泥熟料的主要矿物C2S、C3S 等，具备可用作水泥混合材和混凝土掺合料的条件。但由于钢渣含有较大量的CaO、MgO 成分， 控制不当易造成安定性不良的后果。而且钢渣的易磨性较差，导致钢渣的活性得不到充分的发挥，限制了钢渣在水泥和混凝土中的应用。将钢渣进行闷渣和超细粉磨活化处理，可以较好地解决CaO、MgO 的有害膨胀问题，同时激发其反应活性。将经过处理的钢渣用于配制混凝土，可以使钢渣得到充分和高附加值的利用，同时提高混凝土的性能[1 ，2 ] 。随着水泥混凝土研究与应用技术的发展与深入，矿物掺合料是现代混凝土必不可少的重要组成之一，开发新型高效的矿物掺合料以满足现代混凝土的发展与需求已成为水泥混凝土研究的一个重要内容。为了更有效地利用钢渣，研究中将钢渣单独粉磨后作为矿物掺合料掺入水泥混凝土中，研究钢渣矿粉细度和掺量对混凝土的工作性能和强度的影响。磨细钢渣粉作为一种新的水泥混凝土掺合料，分布广、数量多，有较高的应用与研究价值[2 ，3 ] 。

1 　试验原料

      钢渣：武钢绿色冶金渣公司生产，勃氏比表面积为450 m2/ kg、510 m2/ kg、600 m2/ kg 的3 种钢渣矿粉， 分别以A、B、C 表示；水泥：华新水泥厂生产，PO 42. 5 ；粗集料：石灰石，针片状含量小于7. 6 % ；河砂：巴河中粗砂，含泥量小于1 % ，细度模数为2. 7～2. 9 ；减水剂：武汉武钢浩源外加剂公司生产，FDN29001 。

2 　实验方案及结果分析

2. 1 　钢渣矿粉掺量对混凝土性能的影响

      试验采用钢渣矿粉A ，实验配比及结果见表1 ，由表1 可知，利用该类钢渣矿粉做掺合料，可制备出28 d 抗压强度达到50 MPa 以上，初始坍落度大于18 cm 的高强混凝土。与基准混凝土相比，掺加钢渣矿粉的混凝土初始坍落度约大1～2 cm ，同时钢渣矿粉降低混凝土坍落度经时损失的作用也比较明显，且钢渣矿粉掺量越大，减小坍落度经时损失的作用越突出。试验结果说明，钢渣矿粉的掺入不仅有利于提高新拌混凝土的工作性能，还能抑制混凝土的经时坍落度损失。

      混凝土3 d、7 d、28 d 的抗压强度与钢渣矿粉掺量间的关系如图1 所示。由图1 可知，随着钢渣矿粉掺量由10 %增加到60 % ，混凝土3 d 和7 d 抗压强度呈明显的下降趋势。钢渣矿粉的这一影响与其矿物组成密切相关：与水泥相比，钢渣中主要有早期水化较慢的C2S 矿物，而早期水化较快的C3A、C3S 矿物量较少。因此，随着钢渣矿粉的掺入，混凝土的早期水化速度减缓，掺入比例越大，水化速度越慢，从而混凝土的坍落度经时损失也减小，混凝土的早期(3 d、7 d) 强度也越低[3～6 ] 。而钢渣矿粉掺量对混凝土28 d 抗压强度的影响可分为2 个阶段来分析：在钢渣矿粉掺量为10 %～20 %时，钢渣矿粉的加入可使混凝土的28 d 抗压强度略有提高，但增加率较小；当钢渣矿粉的掺量超过20 %以后，随着钢渣矿粉掺量的增加，混凝土的抗压强度开始呈明显的下降趋势。这是因为当掺量较小(20 %以下) 时，钢渣粉在水化产物Ca (OH) 2 等激发下开始水化，对混凝土的强度发展有利；而掺量过大时，水泥量相应减少，造成C2S2H 凝胶量较少，从而强度下降[5～7 ] 。因此，在钢渣矿粉的使用中应特别重视钢渣矿粉掺量对混凝土强度的影响，在合理掺量范围内使用。

2. 2 　钢渣矿粉细度对混凝土性能的影响

      实验中分别采用A、B、C 3 种钢渣矿粉试配C20 、C40 、C60 混凝土，研究了钢渣矿粉细度对工作性能(新拌混凝土的坍落度及1 h 和3 h 坍落度损失) 和力学性能(混凝土的7 d、28 d 和90 d 抗压强度) 的影响。试验中混凝土配比的部分参数见表2 ，表2 还列出了同一掺量(20 %) 、不同比表面积的钢渣矿粉(A、B、C) 混凝土的抗压强度值。

2. 2. 1 　钢渣矿粉比表面积对混凝土工作性能的影响

      根据上述之试验方案，分别确定了配制C20 、C40 、C60 不同强度等级混凝土的配比及钢渣矿粉的掺量， 研究了在相同掺量(20 %) 的情况下，不同比表面积的钢渣矿粉A、B、C 对新拌的掺钢渣矿粉混凝土(C20 、C40 、C60) 初始坍落度、1 h 、3 h 坍落度经时损失的影响规律，实验结果如图2 、图3 、图4 所示。

      由图2 、图3 、图4 可见，对于C20～C60 混凝土，钢渣矿粉的掺量为胶凝材料总量的20 %时，钢渣矿粉越细混凝土初始坍落度越小，钢渣矿粉细度对混凝土的坍落度经时损失的影响较大。例如，钢渣矿粉的比表面积为600 m2/ kg 时，对于C20 混凝土，1 h 坍落度经时损失约为2 cm ，而对C60 混凝土1 h 坍落度经时损失则高达4～5 cm。由此可见，混凝土的强度等级越高，钢渣矿粉细度对混凝土工作性能的影响越大。

2. 2. 2 　钢渣矿粉比表面积对混凝土力学性能的影响

      由表2 可知，掺加钢渣矿粉的混凝土后期强度增进率较大，C20～C60 各级别混凝土的90 d 抗压强度相比28 d 强度都有较大的增加。钢渣矿粉的细度对混凝土抗压强度的影响也颇为显著，C20～C60 各级别混凝土的3 d、28 d、90 d 抗压强度都随细度的增大而增加。例如，掺比表面积为600 m2/ kg 钢渣矿粉的混凝土C20 、C40 、C60 的90 d 强度，相比掺加比表面积为510 m2/ kg 的钢渣矿粉的混凝土分别提高了15 %左右。对C60 系列高强混凝土而言，如图5 所示，随着钢渣矿粉比表面积由450 m2/ kg 增加到600 m2/ kg ，混凝土的28 d 抗压强度增加了近6 MPa 。

      比较表2 中的数据可发现，随着混凝土强度等级的提高，钢渣矿粉细度大小对混凝土强度的影响趋势是逐渐变缓。综合考虑钢渣粉磨的电耗及细度对混凝土抗压强度的贡献率， 钢渣矿粉的细度不宜超过600 m2/ kg ，采用该细度的钢渣矿粉已能够制备出28 d 抗压强度接近70 MPa 的高强混凝土。在相同细度的情况下，钢渣矿粉掺量超过20 %时，混凝土的强度下降。试验结果表明，通过增加钢渣矿粉的细度可提高混凝土的抗压强度。钢渣矿粉的这一特性为提高钢渣矿粉在混凝土中的掺量、增加混凝土的废渣利用率创造了有利条件。试验进一步研究了在不同掺量情况下钢渣细度对混凝土强度的影响规律， 混凝土的配合比参照表1 设计，得到的实验结果如图6 所示。由图6 可见，通过提高细度，可以显著地增加钢渣矿粉的水泥替代率，采用比表面积为510～600 m2/ kg 的钢渣矿粉，在其掺量为40 %～50 % ，胶凝材料总用量为380 kg/ m3 的情况下，可配制出强度接近40 MPa 的混凝土。结果表明，如果钢渣矿粉的比表面积由450 m2/ kg 提高至510 m2/ kg ，在达到相同混凝土强度的情况下，可使钢渣矿粉的掺量增加10 %以上；而如果钢渣矿粉的比表面积由450 m2/ kg 提高至600 m2/ kg ， 在达到相同混凝土强度的情况下，则可使钢渣矿粉的掺量增加1 倍以上。

3 　结　论

a. 研制开发出一种新型矿物掺和料———钢渣矿粉，其合理比表面积为450～600 m2/ kg ，钢渣矿粉的掺入可以有效提高混凝土的工作性能，尤其在减小混凝土的坍落度经时损失方面具有突出作用。

b. 钢渣矿粉的掺量对混凝土强度有重要影响，钢渣矿粉的掺入将降低混凝土的早期强度；比表面积为450 m2/ kg 的钢渣矿粉，当其掺量超过20 %时，混凝土的28 d 强度随钢渣矿粉掺量的增加而降低；通过提高钢渣矿粉的细度可显著提高混凝土的强度，在达到相同强度的情况下，钢渣矿粉的比表面积由450 m2/ kg 提高到600 m2/ kg 时，其掺量可增加1 倍以上。

c. 利用钢渣矿粉取代20 %～50 %的普通硅酸盐水泥，可配制出坍落度大于20 cm、1 h 坍落度经时损失小于6 cm、大流动度C20～C60 不同强度等级混凝土。

参考文献

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[2 ] 　赵旭光，赵三银，李　宁，等. 高钢渣掺量和高强度钢渣水泥的研制[J ] . 武汉理工大学学报，2004 ，26 (1) ：38～41.

[3 ] 　沈卫国，周明凯，赵青林，等. 钢渣粉煤灰路面基层材料的研制[J ] . 武汉理工大学学报，2002 ，24 (5) ：15～18.

[4 ] 　仲晓林，宫武伦，梁富智. 磨细钢渣作泵送混凝土掺合料的性能和研究[J ] . 工业建筑，1993 ，7 ：44～53.

[5 ] 　朱文琪，何雄伟，朱继东，等. 钢渣沥青混合料施工工艺研究[J ] . 武汉理工大学学报，2003 ，25 (12) ：116～118.

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[7 ] 　陈益民，张洪滔. 磨细钢渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J ] . 水泥，2001 ，5 ：1～4.