钢渣粗骨料混凝土界面过渡区的研究

尚建丽，邢琳琳

（西安建筑科技大学 材料与矿资学院，陕西 西安 710055）

钢渣粗骨料混凝土是指采用粒径大于4.75mm的钢渣替代天然骨料配制而成的混凝土.在钢渣粗骨料满足稳定性的前提条件下，用其替代占混凝土达80%（体积分数）的天然骨料，不仅对工业废渣回收再利用有着重要意义，而且还可解决天然骨料面临日渐枯竭的问题，为混凝土的可持续发展起着积极的推进作用.

关于钢渣作为骨料配制混凝土的研究已有一些报道[1－3]，但对钢渣粗骨料界面过渡区的研究报道并不多见.本文以混凝土钢渣粗骨料界面过渡区为研究对象，结合微观测试手段，通过对天然骨料－水泥石界面及钢渣骨料－水泥石界面的对比，为进一步研究钢渣混凝土提供理论依据.

1 试验原材料及方案

1.1 原材料

水泥：陕西秦岭牌P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1；细骨料：泾阳产天然河砂，细度模数为2.71，中砂；天然骨料：碎石5～25mm连续级配，压碎值1）本文涉及的压碎值、水灰比等除特别说明外，均为质量分数或质量比.为8.1%；钢渣骨料：所用钢渣经压蒸粉化率测试和混凝土试块开裂验证符合稳定性要求，5～20mm连续级配，压碎值为12.1%，通过X射线荧光光谱分析（XRF）测得钢渣粗骨料的化学组成见表2；减水剂：西安聚能特种工程有限责任公司生产的萘系高效减水剂，减水率为18.3%.

表1 水泥的主要物理性能Table1 Main physical properties of cement

表2 钢渣的化学组成Table 2 Chemical composition（by mass）of steel slag%

1.2 试验方案

1.2.1 试件制备

以混凝土设计强度等级C30为目标，试件配合比m（水泥）∶m（砂）∶m（石）＝312∶672∶1 139，水灰比为0.52，减水剂掺量为1%.分别配制普通混凝土（A组）和钢渣粗骨料混凝土（B组），其中钢渣粗骨料混凝土中钢渣以100%替代天然骨料.对A，B两组混凝土试拌，进行和易性检测，坍落度达到50～90mm，分别将其装入100mm×100mm×100mm试模成型，然后按28，60，90d龄期进行标养.

抗压强度用于表征混凝土的宏观性能.按照GB／T 50081《普通混凝土力学性能试验方法》中规定，测定A，B两组各龄期的抗压强度.

1.2.3 显微硬度测试

用切割机将两组试件沿成型方向，在其中心切出厚度约为15mm的片状试样，其切面上应包含骨料与水泥石的界面，经粗磨、细磨后，在抛光机上抛光制成薄片.采用上海泰明光学仪器有限公司生产的HXD－1000显微硬度仪（图1）测定混凝土界面的显微硬度.以骨料与水泥石的界面为基准作1条法线，取法线与界面的交接点为测试显微硬度的起始点，从骨料开始每隔10μm测其显微硬度.

图1 显微硬度仪Fig.1 Micro－hardness tester

1.2.4 SEM 测试

分别取包含骨料－水泥石界面的新鲜断面，并制成约为1cm3的试样，采用美国FEI公司生产的Quant 200型扫描电子显微镜（SEM）对喷金处理后的试样进行骨料与水泥浆体界面的形貌观察.

1.2.5 能谱分析

Quant 200型扫描电子显微镜自带有X射线能谱仪（EDXA），用EDXA对骨料与水泥浆体界面过渡区进行微区元素分析，从骨料表面开始，沿水泥石基体方向进行线扫描，获得钙硅质量比（m（CaO）／m（SiO2））变化规律.

2 试验结果及分析

2.1 混凝土抗压强度

经实测，A，B两组混凝土的抗压强度见表3.

如 100 JD 36×6中，100为适用于最小井径100 mm，JD为深井多级泵，36 为流量（m3/h），6 为叶轮级数；

表3 不同龄期混凝土抗压强度Table3 Compressive strength of different ages concrete MPa

由表3可见，钢渣骨料混凝土各个龄期强度均高于普通混凝土.通过分析可知，虽然钢渣粗骨料自身强度低于碎石骨料强度（压碎指标差别），但是由于钢渣表面粗糙，孔隙较多，实际水灰比有所降低，使得形成的界面黏结力较高.当受到外力作用时，钢渣粗骨料与水泥水化产物界面应力梯度降低，从而提高了混凝土整体强度.

2.2 界面过渡区特征

A，B两组试样界面过渡区的显微硬度多组平行点的测试结果如图2所示.

由图2可知，在骨料部分，普通碎石各点显微硬度值均较大于钢渣骨料；A，B两组试样在紧靠界面处的硬度值均较高，但随着距离的增加，硬度值随之减小.A组试样在距界面50μm处出现硬度低谷，其平均值约为22.59MPa，随后其显微硬度处于稳定状态，说明此时已进入水泥浆体部分；B组试样在距界面40μm处呈现拐点，其显微硬度平均值约为28.22MPa，之后处于稳定状态.

图2 A，B试样界面过渡区显微硬度Fig.2 Micro－hardness of ITZ for A，B samples

另外由图2还可看出，钢渣骨料－水泥石的界面过渡区的显微硬度均高于碎石－水泥石过渡区，这表明钢渣骨料与水泥石的黏结强度大于碎石与水泥石的黏结强度.分析可知，由于钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的矿物C2S，C3S，它们部分溶解后与水泥一同渗入孔隙内，改善了骨料与水泥石的界面结构.同时钢渣是多孔结构，表面粗糙摩擦力大，能较好地与水泥水化产物相结合，使水化产物能够充分均匀地包裹钢渣.

2.3 界面微观形貌

采用扫描电子显微镜（SEM）对28d碎石骨料和钢渣骨料混凝土中骨料－水泥石界面区微观形貌进行观察，其SEM照片如图3所示.

图3 A，B试样界面过渡区SEM照片Fig.3 SEM photos in ITZ of A，B samples

为了更好地观察试样ITZ水化产物的形貌，分别将A，B两组试样的ITZ放大10 000倍，用扫描电子显微镜（SEM）观察各自形貌特征，如图4所示.

图4 A，B试样ITZ水化产物的SEM照片Fig.4 SEM photos of hydration in ITZ of A，B samples（10 000×）

由图4可以看出，A组界面过渡区水化产物较为疏松，上面附着少量未水化的水泥颗粒，且出现了少量孔洞；而B组试样界面过渡区水化产物结构较密实，这表明钢渣骨料与水泥石有较好的黏结能力.

2.4 EDXA检测

用射线能谱分析仪（EDXA）分别对90d龄期A，B两组试样进行半定量分析，以10μm作为扫描基准，从骨料表面开始，沿着水泥石基体方向进行线扫描.以骨料至水泥石方向上Si元素的突然变化点作为界面过渡区的起点[4]，分析钙硅质量比（m（CaO）／m（SiO2））变动值，将 m（CaO）／m（SiO2）值从不稳定至稳定所经历的区间长度作为推断界面宽度的依据，结果见表4.

表4 界面过渡区化学组成Table4 Chemical composition（by mass）of interfacial transition zone %

根据扫描结果可以计算出A，B两组试样在界面区的m（CaO）／m（SiO2），所得结果如图5所示.

图5 界面过渡区的m（CaO）／m（SiO2）值Fig.5 m（CaO）／m（SiO2）in interfacial transition zone

从m（CaO）／m（SiO2）变化中可以看出，A 组m（CaO）／m（SiO2）均大于B组试样，表明天然骨料－水泥石界面区有较多CH存在.A组试样m（CaO）／m（SiO2）值在距界面50μm之后逐渐下降，后趋于稳定，由此可推断，天然骨料－水泥石界面过渡区约为50μm；B组试样 m（CaO）／m（SiO2）值在距界面40μm后趋于稳定，说明钢渣骨料－水泥石界面过渡区约为40μm，这与显微硬度测试结果基本吻合.

3 结论

（1）以钢渣100%替代碎石粗骨料配制的C30混凝土，其28d抗压强度可达到55.6MPa，是普通碎石混凝土的1.1倍.在保证钢渣骨料具有良好稳定性的条件下，最大限度利用钢渣骨料替代天然骨料是一条可行的技术途径.

（2）钢渣粗骨料混凝土界面过渡区显微硬度大于普通混凝土界面过渡区，这是由于钢渣骨料表面粗糙，使其与水泥水化物结合力提高所致.

（3）钢渣粗骨料混凝土界面过渡区结构较密实，孔隙较少；普通骨料混凝土界面过渡区结构较疏松且有少量孔洞.

（4）在钢渣骨料－水泥石界面过渡区范围内，m（CaO）／m（SiO2）在距界面40μm 处趋于稳定.测试表明，该界面过渡区宽度小于普通混凝土界面过渡区宽度（50μm）.

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