鋼渣微粉與粉煤灰復合效應對混凝土力學性能與耐鹽凍性的影響

韓 凝

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

鋼渣是煉鋼廠在冶煉粗鋼時所排放的固體廢棄物。因其冶煉方式的不同，鋼渣的特性也有所不同，我國主要以轉爐鋼渣為主。近年來，隨著基礎建設的發展，用鋼量逐漸增加，隨之而來的鋼渣排放量也逐年增加，2016年鋼渣的產量約為0.65～1.2億t，尚未利用的鋼渣存放量高達10億t。2018年我國粗鋼產量為9.28億t，當年的鋼渣排放量為1.39億t[1]。

在我國，鋼渣目前可用于返回經循環、水泥混凝土摻和料、筑路以及建材方面，利用率僅為22%[2]。我國鋼渣在建筑材料中的應用主要為回填、道路、水泥熟料等[3]。鋼渣中含有金屬鐵，鐵的氧化物含量高，具有耐磨性好、抗壓強度高、抗凍性能好等優勢，將其應用于道路混凝土材料中具有先天優勢[4]。

本文選用了經磨細后的鋼渣微粉，研究其單摻以及與粉煤灰復合作業對道路用混凝土力學性能、耐鹽凍性能的影響。其中鹽凍性能的考察溶液為3.5%是基于文獻調研的基礎上。楊全兵等人研究了混凝土的鹽凍破壞機理[5-7]，基于實測數據與計算證明了濃度為2%～6%（質量分數）的NaCl溶液將產生最大的結冰壓，從而形成最嚴重的混凝土鹽凍破壞。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：海螺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；鋼渣微粉：山西太鋼哈斯科科技有限公司產，比表面積為434 m2/kg，水泥與鋼渣微粉的化學組成見表1。

表1 水泥與鋼渣的化學組成

表2 水泥的物理力學性能 MPa

1.2 試驗方法

a）物理力學性能 依據水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）（GB/T17671—1999）進行制樣與測試。力學參數為抗折強度與抗壓強度。

b）耐鹽凍性能 采用快凍法進行測試，采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082—2009）。快速凍融裝置應符合現行行業標準《混凝土抗凍試驗設備》JG/T243的相關規定。力學參數為動彈性模量。

1.3 配合比設計

本文研究鋼渣微粉不同摻量下，混凝土力學性能、耐鹽凍性能的變化；以及在鋼渣微粉用量固定的基礎上，復摻不同比例的粉煤灰，研究其復合效應對混凝土力學性能、耐鹽凍性能的變化。具體配合比設計見表3。

表3 細石混凝土配合比設計（鋼渣微粉+粉煤灰）

2 力學性能與耐鹽凍性試驗

依據表3配合比進行制樣，待養護齡期結束后，進行力學性能與耐鹽凍性能的測試。力學性能指標為抗折強度與抗壓強度。耐鹽凍性能指標為動彈性模量的變化率（正值為提高，負值為降低）。

注：before表示混凝土經受凍融前抗折強度值；after表示混凝土經受75次凍融試驗后抗折強度值。

2.1 鋼渣微粉對混凝土力學性能與耐鹽凍性能的影響

圖1 鋼渣粉摻量對混凝土抗折強度的影響

圖1所示為鋼渣微粉摻量變化對混凝土抗折強度影響的試驗結果。由圖1可見，在未進行凍融試驗前，混凝土的抗折強度隨著鋼渣微粉摻量的增加逐漸降低。在摻量為15%時，衰減的速率開始減緩。在經受75次凍融試驗后，混凝土的抗折強度隨鋼渣微粉摻量的變化與初始值的變化是不同的。隨著鋼渣微粉摻量的逐漸增加，抗折強度先增長后降低，在摻量為10%的時候，達到了最高值。除不摻鋼渣微粉的基準混凝土外，其他混凝土的抗折強度經受凍融循環試驗后，均有所提高。

圖2 鋼渣粉摻量對混凝土抗壓強度的影響

圖2所示為鋼渣微粉摻量變化對混凝土抗壓強度影響的試驗結果，在未進行凍融試驗前，混凝土的抗壓強度隨著鋼渣微粉摻量的增加逐漸降低。在鋼渣微粉摻量為5%時，有0.5 MPa的增長。在經受75次凍融試驗后，混凝土的抗壓強度隨鋼渣微粉摻量的變化與初始值的變化是相似的。隨著鋼渣微粉的摻量逐漸增加，抗壓強度先增長后降低，在摻量為15%的時候，達到了最高值。鋼渣微粉的摻量為10%、15%時，混凝土的抗壓強度值在經受凍融循環試驗后，有所提高。

圖3 鋼渣粉用量變化對混凝土彈性模量變化的影響

圖3為鋼渣微粉摻量變化對混凝土經受凍融循環時彈性模量的影響結果。在經受25次、50次凍融循環后，彈性模量的變化不存在明顯的變化規律，但在經受75次凍融循環后，試驗結果發生了較大變化，彈性模量均高于未經受凍融循環前。

2.2 鋼渣微粉與粉煤灰復合效應對混凝土力學性能與耐鹽凍性能的影響

圖4 鋼渣粉與粉煤灰復合效應對混凝土抗折強度的影響

圖4、圖5所示為鋼渣微粉與粉煤灰復摻對混凝土抗折、抗壓強度影響的試驗結果。在鋼渣用量一定的前提下，隨著粉煤灰用量的增加，抗折強度與抗壓強度的變化是一致的，均在粉煤灰用量為10%時，達到最高值，這一點在經受凍融前后基本也是一致的。

圖5 鋼渣粉與粉煤灰復合效應對混凝土抗壓強度的影響

圖6 鋼渣粉與粉煤灰復合效應對混凝土動彈性模量變化的影響

圖6為鋼渣微粉與粉煤灰復合效應對混凝土經受凍融循環時動彈性模量的影響結果。在經受25次、50次凍融循環后，動彈性模量均在粉煤灰用量10%為低值。但在經受75次凍融循環后，試驗結果發生了較大變化，動彈性模量均高于未經受凍融循環前。

3 結論

a）隨著鋼渣微粉摻量的增加，抗折強度逐漸下降；抗壓強度僅在用量為5%時，有近0.5 MPa的提高。在經歷75次的凍融循環試驗后，鋼渣微粉對混凝土抗折、抗壓強度的影響趨勢發生了較大變化，抗折強度在10%時、抗壓強度在15%時達到了最高值。鋼渣微粉的用量變化對凍融循環過程中（25次、50次）彈性模量的影響不具有規律性，但在75次后，規律明顯，隨著鋼渣微粉用量的增加，彈性模量也逐漸增加。

b）在鋼渣微粉用量為5%的基礎上，復摻粉煤灰對抗折、抗壓強度的影響基本是一致的，均在粉煤用量為10%時，達到高值。在經歷75次的凍融循環試驗后，復合效應對混凝土力學性能、凍融循環中彈性模量的影響與之前是一致的。

c）鋼渣微粉與粉煤灰復合效應有助于改善混凝土的力學性能與耐鹽凍性能。