鋼渣粉與粉煤灰復合混凝土的性能研究

劉宇澤

(西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730124)

1 緒論

人們發現單摻一種礦物摻合料雖然均能提高混凝土的整體性能[1-3]，如利用鋼渣粉、粉煤灰、礦渣粉可以改善混凝土的工作性能及二次水化作用，但是單摻一種礦物摻合料的混凝土也存在一些缺陷，特別是摻量越大的時候，這些缺陷越突出。如大量摻入粉煤灰的混凝土的早期強度會降低，由于材料沒有足夠的堿度儲備，其抗碳化能力也會下降;大量摻入礦渣粉的混凝土的和易性不好，容易引入氣體，體積收縮率高，容易開裂;大量摻入鋼渣粉的混凝土早期強度低等。基于以上原因，一些專家學者就開始研究不同礦物摻合料之間的復合超疊加效應[4-6]。由于不同的礦物摻合料的性能指標(如化學組成、活性組分含量、細度、結構狀態等)都不相同，每一種摻合料都有自身的固有的特性，配出的混凝土也各有所長，因此將不同的摻合料復合來配制混凝土，根據現代復合材料理論，定能充分利用礦物摻合料自身的特性，發揮自身所長，來彌補單摻一種摻合料混凝土的性能缺陷。研究發現將硅粉與粉煤灰復合使用配制混凝土，不僅解決了粉煤灰混凝土早期強度發展慢的問題，而且還能有效地解決摻加硅灰混凝土需水量大及混凝土早期收縮大的問題。周焱昌[7]經大量研究提出大摻量礦渣—粉煤灰復合混凝土的力學性能和耐久性均居于大摻量礦渣混凝土和大摻量粉煤灰混凝土之間，與礦渣混凝土相差不大，但遠高于粉煤灰混凝土。像這樣利用不同摻合料的復合效應配制混凝土的實例還有很多，在此就不再一一列舉。基于此，在本節主要研究了鋼渣粉與粉煤灰二元復合配制混凝土的工作性能和力學性能，分析比較了復合型摻合料的混凝土與單摻一種摻合料的混凝土的差異。

1.1 混凝土配合比

試驗用的鋼渣粉為經磨細的唐鋼的鋼渣，其比表面積為500 m2/kg，礦渣粉是唐山提供的S95級礦渣粉，其比表面積為450 m2/kg，水泥采用青島山水集團生產的山水東岳牌42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料采用的是石灰石碎石，細集料采用的是天然的中粗河砂，外加劑采用高效FDN。本試驗是將鋼渣粉、粉煤灰作為摻合料，先固定鋼渣粉與粉煤灰的總的取代量為30%，來確定鋼渣粉與粉煤灰之間的最佳配比，在此基礎上，通過與基準混凝土作比較，分析不同的取代量對混凝土工作性能和力學性能的影響。本試驗是按C30的強度等級設計混凝土的配合比。為了使試驗有可比性，本試驗固定水膠比為0.4，砂率為0.4，膠體材料為380 kg/m3，高效減水劑為1.6%，使鋼渣粉與粉煤灰取代水泥的量從20%～50%來變化的。以初始坍落度、不同齡期的抗壓強度作為考核指標。基準混凝土的膠凝材料全部是42.5的普通水泥配制的混凝土。具體的試驗配比如表1所示。

表1 鋼渣粉與粉煤灰復合配制混凝土的配合比

1.2 試驗結果以及分析

1.2.1 試驗結果

按照上面的試驗方法以及混凝土配合比進行試驗，成型混凝土試塊，得到不同摻量鋼渣粉和粉煤灰復合混凝土的初始坍落度，以及不同齡期的摻合料混凝土的抗壓強度，具體的試驗值如表2所示。

1.2.2 試驗結果分析

1)鋼渣粉與粉煤灰的比例對復合型摻合料混凝土的工作性能與力學性能的影響(見圖1)。

圖1 鋼渣粉與粉煤灰的比例對復合型摻合料混凝土的坍落度的影響

由表2及圖1可知，在固定總摻量為30%的鋼渣粉與粉煤灰的復合體系中，與基準混凝土的初始坍落度相比，復合型摻合料混凝土的初始坍落度增加，并且隨著粉煤灰摻入量的增加而有不同程度的增加。因此可以說，鋼渣粉與粉煤灰復合可以在一定的程度上改善混凝土的流動性、和易性等工作性能，并且粉煤灰的需水性比鋼渣粉的要小。

由表2及圖2可看出，與基準混凝土的抗壓強度相比，摻加了鋼渣粉與粉煤灰的復合型摻合料混凝土的7 d和28 d的抗壓強度大幅度降低。但是隨著粉煤灰摻量的增加對混凝土的7 d和28 d的抗壓強度影響不大，而使90 d的抗壓強度得到明顯的提高。由此可見，粉煤灰對復合型摻合料混凝土后期強度的發展貢獻比較大。當鋼渣粉與粉煤灰的比例為5∶5的時候，復合型摻合料混凝土的抗壓強度達到最大值，因此可以說，鋼渣粉與粉煤灰的最佳配比是5∶5。

圖2 鋼渣粉與粉煤灰的比例對復合型摻合料混凝土的抗壓強度的影響

2)取代量對復合型摻合料混凝土的工作性能與力學性能的影響。

由表2及圖3可以看出，與基準混凝土的初始坍落度相比，鋼渣粉與粉煤灰的復合摻合料混凝土的坍落度變大了，而且隨著總取代量的增加而有不同程度的增加。因此可以說，在混凝土的工作性能方面，鋼渣粉與粉煤灰復合可以在一定程度上改善混凝土的流動性、和易性等工作性能，鋼渣粉與粉煤灰之間有很好的適應性。這兩種摻合料復合可以達到超疊加的效果。

由表2以及圖4可看出，復合型摻合料混凝土的7 d，28 d的抗壓強度小于基準混凝土的值，即鋼渣粉與粉煤灰復合降低了混凝土的早期強度。并且隨著總取代量的增加，強度值降低的越快，特別是7 d強度更明顯。7 d的抗壓強度從29.13 MPa降低了14.85 MPa，下降幅度高達49%。但是，復合型摻合料混凝土的90 d的抗壓強度要明顯高于基準混凝土。90 d的強度隨著取代量的增加是先增大再減小，在總取代量小于30%時，90 d的強度隨著取代量的增加而增加，在總取代量達到30%時，強度達到最大值，當總取代量大于30%時，90 d的強度隨著取代量的增加而降低，但是最終的強度值還是比基準混凝土的大。因此，鋼渣粉與粉煤灰復合的最佳取代量是30%。

圖3 總取代量對復合型混凝土的坍落度的影響

圖4 總取代量對復合型摻合料的抗壓強度的影響

2 結語

鋼渣粉與粉煤灰有較好的適應性，鋼渣粉與粉煤灰復合可以大大改善混凝土的工作性能，但是使復合型摻合料混凝土的早期強度大幅度降低。當鋼渣粉與粉煤灰的比例為5∶5，取代量在30%以內時，其后期強度隨取代量的增大而增大，90 d的抗壓強度超過基準混凝土，當取代量大于30%時，強度隨摻量的增加卻呈現出下降的趨勢，當取代量為30%時，強度達到最大值。因此鋼渣粉與粉煤灰的最佳取代量為30%。

[1] 仲曉林，宮武倫，梁富智.磨細鋼渣作泵送混凝土摻合料的性能和應用[J].工業建筑，1993(6):7.

[2] 陳益民，張洪滔.磨細鋼渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J].水泥，2001(12):5.

[3] 馬保國，李宗津.高活性混凝土摻合料的制備技術和方法[P].中國專利，專利申請號:99116326.

[4] 覃維祖.大摻量粉煤灰混凝土與高性能混凝土[J].混凝土與水泥制品，1995(2):22-26.

[5] 李紅輝.大摻量粉煤灰高性能混凝土研究[D].北京:北京建筑工程學院工學碩士學位論文，2007:12.

[6] 沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1989:6-296.

[7] 周焱昌.高性能大摻量工業廢渣混凝土的制備技術、特性研究及機理分析[D].南京:東南大學學位論文，2000.