基于正交試驗的鋼渣混凝土坍落度及其損失研究

梁胡 李瑞嬌 韋忠海 藍天助

摘要：為了提高鋼渣在混凝土中的利用率，文章以鋼渣混凝土坍落度研究為目標，以鋼渣粉摻量、鋼渣細集料摻量、鋼渣粗集料摻量為影響因子，采用L16（45）正交表，開展了鋼渣混凝土工作性能試驗研究。結果表明：影響鋼渣混凝土的坍落度因素排序為：鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量＞鋼渣粗集料摻量；單因素分析進一步表明，當鋼渣粉摻量較小時，摻一定量的鋼渣粉，可以提高混凝土的流動性，但隨著鋼渣粉摻入量的進一步加大，鋼渣混凝土坍落度降低；鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料及鋼渣粗集料摻量的增大而減小，且在一定時間后，鋼渣細集料及鋼渣粗集料的摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

關鍵詞：鋼渣混凝土；鋼渣粗集料；鋼渣細集料；鋼渣粉；坍落度

中圖分類號：U416.03A020054

0引言

隨著基礎設施建設的發展，我國對混凝土的需求量逐年增加［1］，每年需要消耗大量的砂石及水泥。砂石開采在一定程度上會破壞自然環境，而生產水泥成本較高，因此，尋求新的資源替代傳統砂石及水泥，降低混凝土生產成本，是21世紀的重要課題方向之一。

目前對鋼渣替代水泥及砂石制作鋼渣混凝土方面的研究也較多，張忠哲等［2］開展了鋼渣細集料替代部分細集料的C60混凝土強度及耐久性試驗研究，得出了鋼渣混合集料混凝土加入鋼渣粉和粉煤灰的最優比例；張浩等［3］開展了采用不同生產工藝的鋼渣取代礦粉、細集料及粗集料的混凝土試驗研究，分析了不同取代率對混凝土強度的影響，并得出了最優的取代比例。綜上所述，現有研究表明，在合理配合比條件下，鋼渣可以取代部分水泥及傳統砂石材料制作強度及耐久性優良的混凝土。然而，混凝土除了滿足強度及耐久性要求外，還需具備良好的工作性能，現階段缺乏對鋼渣替代傳統材料后工作性能的研究，因此，為了研究鋼渣替代鋼渣粉及傳統砂石后工作性能的變化規律，并進一步優化鋼渣混凝土配合比設計，本文以鋼渣混凝土的坍落度為研究目標，開展了不同影響因素下的鋼渣混凝土工作性能試驗研究，為鋼渣在混凝土中的進一步利用及優化提供參考。

1原材料

1.1粗集料

1.1.1普通碎石

普通碎石粗集料采用石灰巖碎石，集料粒徑主要集中在9.5～19 mm，＜4.75 mm顆粒含量為0.6%，可忽略不計。其他物理力學指標良好，滿足混凝土用碎石［4］的要求。

1.1.2鋼渣粗集料

試驗采用防城港市某鋼廠陳化12個月的鋼渣，該鋼廠鋼渣為轉爐鋼渣，其主要化學成分為CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Mn、Al2O3、P2O5，占據了鋼渣總成分含量的97.34%。

為了減少兩種粗集料級配差異對混凝土試驗結果的影響，試驗對鋼渣粗集料進行了篩分，篩分后的鋼渣粗集料各篩孔累計篩余與普通碎石相同。

根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）［5］，測定鋼渣粗、細集料吸水特性如下頁圖1所示。由圖1可知，鋼渣粗集料吸水率隨時間的增大而增大，且在一定時間后趨于穩定，24 h后，鋼渣粗集料的吸水率為2.9%，比普通碎石吸水率大。

鋼渣粗集料物理力學指標如表2所示。鋼渣粗集料堅固性良好，其壓碎值及針片狀顆粒含量滿足混凝土用粗集料的要求，但鋼渣粗集料的表觀密度及松散堆積密度較大，且鋼渣粗集料比普通碎石重量大。

1.2細集料

1.2.1河砂

試驗采用的河砂來源于廣西北海合浦縣，該河砂含泥量少，顆粒呈渾圓狀，壓碎值低，砂整體質量良好，級配良好，細度模數為2.67，屬于中砂。

1.2.2鋼渣細集料

試驗用鋼渣細集料種類與鋼渣粗集料相同，為防城港鋼廠陳化12個月的轉爐鋼渣。鋼渣細集料的基本指標如表3所示。該鋼渣細集料質地堅硬，物理力學性質良好，但表觀密度及堆積密度比河砂大。由圖1鋼渣細集料吸水特性曲線可知，鋼渣細集料吸水率隨時間的變化規律與粗集料類似，其吸水率隨時間的增大而增大，且在一定時間后趨于穩定，24 h后，鋼渣細集料的吸水率為3.03%，比河砂吸水率大。

1.3膠凝材料

1.3.1水泥

試驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥，該水泥7 d抗壓強度為42MPa，28 d抗壓強度為49MPa，凝結時間滿足混凝土用水泥標準［6］，煮沸法安定性合格。

1.3.2鋼渣粉

試驗所采用的鋼渣粉是由防城港鋼廠生產的鋼渣集料經過磨細等工藝加工而成，各項指標滿足《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》（GB/T 20491-2017）［7］規范使用要求。

1.4減水劑

采用南寧市雨潤建材化工有限公司的高效緩凝型減水劑，呈黃褐色，pH值為7.1，建議摻量為1%～2%，減水率為20%～27%。不同摻量下減水效果不同，摻量為1.5%時，減水率為25%。

2鋼渣混凝土坍落度試驗

為了科學有效地選擇多種因素進行試驗，本次研究選用四水平五因素正交表設計正交試驗，通過正交試驗，可大大減少試驗次數。本次正交試驗選擇鋼渣粉摻量（A）、鋼渣細集料摻量（B）、鋼渣粗集料摻量（C）為正交試驗影響因子，其中鋼渣粉摻量為質量比摻量，鋼渣細集料摻量、鋼渣粗集料摻量為體積比摻量。選用L16（45）正交表［8］，各因素水平如表4所示。各因子水平數為4，共16組試驗，各組試驗在不同影響因素下的水平安排列表如表5所示。

不同鋼渣摻量的混凝土按普通混凝土配合比設計方法［9］設計。本次試驗設計C30鋼渣混凝土，由普通混凝土配制強度經驗公式計算得配制強度為38MPa，水灰比根據碎石混凝土強度經驗公式計算確定，計算得鋼渣混凝土水灰比為0.53，鋼渣混凝土坍落度按180 mm考慮，減水劑采用1.5%的最佳摻量，考慮減水劑后用水量為170 kg。由于鋼渣混凝土原材料的表觀密度存在差異，混凝土砂率采用細集料體積與粗細集料體積之比，鋼渣混凝土砂率采用37%。按絕對體積法計算公式，得出16組不同鋼渣混凝土配合比數據如表6所示。

根據表6混凝土配合比配料，配制30 L的鋼渣混凝土，按比例稱重后投入混凝土拌鍋，測量鋼渣混凝土0 min、40 min、80 min、120 min、160 min的混凝土坍落度，并觀察保水性。

3試驗結果及分析

3.1不同影響因素及其水平下的鋼渣混凝土坍落度

通過上述試驗，不同影響因素及其水平下的16種鋼渣混凝土0 min、40 min、80 min、120 min、160 min的坍落度如表7所示。由表7可知，剛出鍋的鋼渣混凝土坍落度最大，0 min混凝土坍落度最大值為217 mm，最小值為167 mm，且剛出鍋時，除了第3組、第4組、第7組、第8組、第12組混凝土有輕微泌水外，其余組的鋼渣混凝土保水性良好，各組混凝土工作性能滿足泵送要求。40 min后，鋼渣混凝土坍落度有所降低，混凝土坍落度最大值為194 mm，最小值為111 mm，各組混凝土保水性良好。由此可見，經過一定時間后，不同鋼渣摻量的混凝土坍落度損失相差較大，部分鋼渣混凝土已無法滿足泵送混凝土工作性的要求。經過160 min后，各組混凝土坍落度都較小，混凝土坍落度最大值為35 min，最小值為10 min，部分混凝土已不再具有流動性。

表8為不同時間下各影響因素對鋼渣混凝土坍落度影響的極差分析表。分析顯示，三個因子對0 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為：鋼渣粗集料摻量＞鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量；對40 min、80 min、120 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為：鋼渣細集料摻量＞鋼渣粗集料摻量＞鋼渣粉摻量；對160 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為：鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量＞鋼渣粗集料摻量。

3.2不同因素對鋼渣混凝土坍落度的影響

3.2.1鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粉摻量變化曲線如下頁圖2所示。由圖2可知，0 min時鋼渣混凝土的坍落度隨鋼渣粉的摻量的增加先增大后減小，當鋼渣粉摻量較小時，摻一定量的鋼渣粉與水泥混合，可以改善膠凝材料的顆粒級配。級配良好的膠凝材料可以改善混凝土的泌水性，從而提高混凝土的流動性，但隨著鋼渣粉摻量的進一步增大，鋼渣混凝土的流動性會降低。由于鋼渣粉需水量比水泥大，在用水量一定的情況下，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土中的自由水減少，導致鋼渣混凝土坍落度值減小。分析顯示，當鋼渣粉摻量為15%時，0 min鋼渣混凝土坍落度值最佳。

40 min、80 min、120 min后的鋼渣混凝土坍落度值隨鋼渣粉摻量的變化規律大致相同，即一段時間后，鋼渣混凝土的坍落度隨著鋼渣粉摻量的增大而增大，且當鋼渣混凝土的模擬運輸時間較大時，鋼渣混凝土坍落度值很小，鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土的流動性影響較小。當鋼渣混凝土拌和完成后，在運輸過程中，膠凝材料會逐漸發生水化反應。隨著膠凝材料水化反應的進行，消耗了一定的水，且水化反應會產生大量的水化熱，導致水分蒸發，使混凝土中的自由水減少，混凝土流動性降低。與水泥相比，鋼渣粉活性較低，其水化反應速度比水泥慢，所以，鋼渣粉有利于減少鋼渣混凝土的坍落度損失。

3.2.2鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量變化曲線如圖3所示。由圖3可知，鋼渣細集料摻量對混凝土坍落度有一定的影響，總體而言，鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的增大而減小。鋼渣表面粗糙、孔隙多，濕潤鋼渣細集料的用水量比普通砂大，且鋼渣細集料棱角比普通砂更明顯，所以，在用水量一定的條件下，鋼渣細集料的摻量越大，0 min鋼渣混凝土坍落度減小。40 min、80 min鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量變化的平均斜率比0min鋼渣混凝土坍落度大，主要是因為鋼渣細集料的吸水率隨時間的增大而增大。鋼渣特性研究顯示，0～80 min鋼渣細集料吸水率增長較快。將鋼渣細集料摻入混凝土中后，鋼渣細集料會吸收混凝土中的自由水，導致鋼渣混凝土坍落度降低。但隨著時間延長，鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響逐漸減小，曲線顯示160min后的鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的曲線趨于平緩。主要是因為到一定時間后，鋼渣混凝土中的自由水較少，鋼砂吸水逐漸減弱，所以，鋼渣細集料摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

3.2.3鋼渣粗集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量變化曲線如圖4所示。由圖4可知，鋼渣粗集料摻量對混凝土坍落度有一定的影響，其影響規律與鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響類似。總體而言，鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量的增大而減小。其原因與鋼渣細集料類似，即鋼渣粗集料表面粗糙、孔隙多，濕潤鋼渣粗集料的用水量比普通碎石大，所以，在用水量一定的條件下，鋼渣粗集料摻量越大，0 min鋼渣混凝土坍落度越小。40 min、80 min鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量變化的平均斜率比0 min鋼渣混凝土坍落度大，但隨著時間延長，鋼渣粗集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響逐漸減小，160 min后的鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的曲線趨于平緩。

4結語

（1）鋼渣粉、鋼渣細集料、鋼渣粗集料對混凝土的工作性能都有一定影響，極差分析顯示三個因子對0 min鋼渣混凝土坍落度的影響排序為：鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量＞鋼渣粗集料摻量；但經過一定時間后，鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為：鋼渣粗集料摻量＞鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量。

（2）通過分析鋼渣粉摻入量對混凝土坍落度的影響可知，0 min時鋼渣混凝土的坍落度隨鋼渣粉的摻量先增大后減小，40 min、80 min、120 min后的鋼渣混凝土坍落度值隨著鋼渣粉摻量的增大而增大，且當鋼渣混凝土模擬運輸時間較大時，鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土的流動性影響較小。

（3）單因子分析顯示，鋼渣細集料及鋼渣粗集料摻量對混凝土坍落度的影響規律基本相同，其坍落度隨摻量的增大而減小，在一定時間后，當鋼渣混凝土坍落度較小時，鋼渣細集料及鋼渣粗集料的摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

參考文獻

［1］戚長亞.混凝土坍落度損失機理及保坍類材料研究［D］.武漢：武漢理工大學，2015.

［2］張忠哲，姬永生，徐之山，等.復摻鋼渣細集料混凝土力學及耐久性研究［J］.人民黃河，2020，42（3）：127-132.

［3］張浩，于先坤，龍紅明.鋼渣復合取代礦粉、砂和石用作混凝土摻合料與骨料及其性能分析［J］.過程工程學報，2020，20（4）：432-439.

［4］GB-T14685-2011，建筑用卵石、碎石［S］.

［5］JTG E42-2005，公路工程集料試驗規程［S］.

［6］GB 175-2007，通用硅酸鹽水泥［S］.

［7］GB/T 20491-2017，用于水泥和混凝土中的鋼渣粉［S］.

［8］茆詩松，周紀薌，陳穎.試驗設計（第二版）［M］.北京：中國統計出版社，2012.

［9］JGJ55-2011，普通混凝土配合比設計規程［S］.

基金項目：2020 年度第三批廣西交通運輸行業重點科技項目清單-科技成果推廣項目“鋼渣混凝土的安定性及質量提升應用技術研究”（桂交便函〔2020〕56號）； 崇左市科技計劃項目“錳渣的路用性能及無害化關鍵技術研究與應用”（編號：崇科FA2019008）；廣西企茅公路建設有限公司“鋼渣鎳渣在沿海地區高等公路中的應用技術研究”（編號：2021gxjgclkf004）；鋼渣改良路基填土的減害增效應用研究（編號：桂科AD19245014）

作者簡介：梁胡（1993—），助理工程師，主要從事高速公路建設管理工作。