復摻鋼渣細集料混凝土力學及耐久性研究

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，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摻代替，組成復摻鋼渣細集料混凝土。通過對復摻鋼渣細集料混凝土與基準混凝土強度的比較，將強度優選組與基準混凝土進行抗侵蝕及抗凍性能的測試。結果表明：延長復摻鋼渣細集料混凝土的養護時間，可以提高其抗壓性能;普通混凝土與復摻鋼渣混凝土強度優選組，在6個月硫酸鹽與鎂鹽侵蝕條件下的抗折、抗壓侵蝕系數均大于0.8;強度優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

我國鋼渣每年產量8 000萬t，而轉化率僅為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化學成分[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]，所以很多學者嘗試將鋼渣用于工程領域。

相關研究表明：鋼渣的細集料與界面結構的黏結力較大，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，對其高溫穩定性、劈裂強度、水穩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上，筆者將鋼渣粉與礦物摻合料復摻，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。鋼渣粉經過長期靜置陳化處理，使得游離氧化鈣（f-CaO）的含量滿足規范要求，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過陳化處理后0.16～5 mm的鋼渣作為細集料，物理性能指標見表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計規程》（JGJ 55—2011）配置一組C60的基準混凝土。根據張忠哲等[15]的研究（具體比例見表7），確定礦物摻合料復摻比例，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%，對基準混凝土進行相應調整后，建立的配合比見表8。

（2）根據表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《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）進行試驗;制作100 mm×100 mm×400 mm的混凝土凍融循環試件，并參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（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。

普通混凝土及復摻鋼渣細集料混凝土的試驗結果見表9和圖1，可以看出：

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

（2）鋼渣粉和礦渣粉復摻時，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、粉煤灰和礦渣粉復摻時，隨著替換總量的增加，復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養護齡期時，鋼渣粉、粉煤灰和礦渣粉復摻比例為2∶1∶1時抗壓強度最高。

（4）從整體上看，復摻鋼渣細集料混凝土隨著養護齡期的增加，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”。鋼渣粉摻入到混凝土當中，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 復摻鋼渣細集料混凝土抗侵蝕性能研究

結合復摻鋼渣細集料混凝土抗壓強度試驗得出的結論，礦物摻合料復摻鋼渣混凝土的力學性能表現較為出色，故將各復摻組中的強度優選組作為此次抗侵蝕試驗的研究對象，結合馮勇等[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標準養護的試件，分類放置于兩種侵蝕溶液及淡水中，試驗確定相應齡期試塊的抗折、抗壓侵蝕系數。試件抗侵蝕性能達到破壞的標志為：每組試塊的計算結果K蝕≤0.8[20]。將復摻鋼渣細集料混凝土中強度優選組與普通混凝土放在相應濃度的SO2-4、Mg2+和淡水溶液中，對試驗所得抗折、抗壓強度數據與侵蝕系數進行整理得到表10和圖2。

（1）從整體上看：經過6個月硫酸鹽及鎂鹽的侵蝕，普通混凝土與復摻鋼渣細集料混凝土強度優選組的抗折、抗壓侵蝕系數隨著養護齡期的增加，其數值均超過0.8的標準值，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。可見，為保證混凝土的抗侵蝕性能，應該適當降低水膠比。

（2）采用低水膠比，并結合礦物摻合料的填充效應和微集料效應，混凝土內部微小孔洞封閉，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的產生。將水泥水化產生的CH反應轉化為C-S-H改善了過渡層的性質，其填充作用對降低過渡層孔隙率有相應幫助[22]。混凝土界面過渡區的密實度提高，使得侵蝕介質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，更加對混凝土內部密實度提高有著明顯作用。復摻鋼渣細集料混凝土中界面過渡區的緊密堆積使得薄弱區域的物理架構更加堅固，并伴隨膠凝材料二次水化反應的進行，其產物與SO2-4、Mg2+進行反應填充內部孔洞，令內部結構更加緊密，環境中的侵蝕介質不能順暢地從外部進入內部，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，從而使得混凝土內部產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 復摻鋼渣細集料混凝土的抗凍性能測試

對復摻鋼渣細集料混凝土中的強度優選組進行抗凍性能檢測，將試件進行28 d標準養護后，放入凍融試驗機進行測試。每相鄰50次循環周期，對試件進行動彈性模量和質量損失的記錄。當試驗滿足下列條件之一時結束試驗：①當試件的相對動彈性模量降低至60%或質量損失率超過5%;②循環次數達到200次。

試件進行凍融循環的數據見表11～表13和圖3、圖4，可以看出：

（1）復摻鋼渣細集料混凝土強度優選組的抗凍性能均能實現F150的要求。GFKS-1在經過200次凍融循環后，依然確保質量損失率沒有超過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冰，從而導致體積膨脹，伴隨著擴展孔隙或者多余水的排出，而這一過程產生壓力將會導致試件的破壞[25]。而級配的合理選擇，使得復摻鋼渣細集料混凝土內部集料之間的孔隙得以優化，毛細孔的數量得以降低，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能力，同時使得孔隙率也隨之降低[26]。混凝土內部的密實度決定了混凝土內部滲透性的好壞，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]。礦物摻合料的形態效應、微集料效應和二次水化反應的復合疊加，使得混凝土內部密實度得到改善，滲透性得以提升，由此對混凝土的抗凍性產生積極作用。

5 結 語

（1）復摻鋼渣細集料混凝土在養護時間延長時，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比例為2∶1，鋼渣粉和礦渣粉的最優比例為1∶1，鋼渣粉、粉煤灰和礦渣粉的最優比例為2∶1∶1。

（2）普通混凝土與復摻鋼渣細集料混凝土強度優選組，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，對于混凝土內部侵蝕物質的形成有抑制作用，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150次凍融循環時，動彈性模量下降到59.4%。而復摻鋼渣細集料混凝土強度優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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【責任編輯 崔瀟菡】

收稿日期：2018-09-29

基金項目：國家自然科學基金面上項目（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