钢渣粉作掺合料配制混凝土性能研究

孟祥杰，黄小文，张胜彪

（重庆建研科之杰新材料有限公司，重庆 402761）

钢渣粉作掺合料配制混凝土性能研究

孟祥杰，黄小文，张胜彪

（重庆建研科之杰新材料有限公司，重庆 402761）

本文开展了钢渣粉做混合材配制混凝土的相关性能实验，主要研究了钢渣粉对水泥的标准稠度需水量、凝结时间、安定性、胶砂及混凝土相关性能的影响规律。研究发现：钢渣粉掺量控制在 15% 以内，配制的混凝土各项性能均能满足设计要求。

钢渣粉；混凝土；流变性；安定性；强度

0 前言

钢渣是钢厂炼钢时排放的废渣，属于一种典型的固体废弃物。目前已有大量的废弃钢渣堆放在钢厂附近，占用土地、浪费资源、破坏环境。当前建筑行业的迅猛发展，耗用大量的水泥、砂、石等自然资源，造成了环境污染，河床坍塌，以及自然资源的严重破坏。若能将钢渣大量地应用于混凝土中，不仅解决废弃物的堆放问题，还能节约自然资源，保护环境，同时能给企业、社会带来巨大的经济效益、社会效益、环境效益。所以本文展开钢渣粉作掺合料配制混凝土的性能研究[2]。

1 原材料介绍

（1）胶凝材料

水泥：福建三德水泥厂产 P·O42.5，比重 3.14g/cm3，比表面积 360m2/kg。

粉煤灰：厦门嵩能粉煤灰开发有限公司产Ⅰ级粉煤灰，比表面积为 448m2/kg，比重为 2.18g/cm3。

矿粉：厦门三钢产，比表面积为 480m2/kg，比重为2.82g/cm3。

钢渣粉：福建三钢产，比表面积为 410m2/kg，比重为3.21g/cm3。

（2）集料

标准砂：厦门产 ISO 标准砂。

石子：福建南安产碎石（花岗岩），连续级配。

砂：福建漳州产河砂，细度模数 2.9，含泥量正常。

（3）其他

外加剂：福建科之杰产聚羧酸系减水剂，掺量 1.7%，减水率 20%。

水：自来水。

2 钢渣粉做混合材性能试验研究

2.1 标准稠度需水量、凝结时间、沸煮安定性试验

本节对钢渣粉作水泥混合材时的标准稠度用水量、凝结时间、安定性作了详细的研究。

表 1 钢渣粉作混合材的水泥标稠需水量、凝结时间、安定性

观察表 1 可以发现：

（1）钢渣粉掺量 0～50%，随着钢渣粉掺量的不断增加，胶材的标准稠度需水量在逐渐下降，说明钢渣粉的加入能够减少胶材的需水量，即相同用水量的情况下，胶材的拌合物流动度会增大。钢渣粉做混合材具有一定的减水功能，在一定程度上可以改善混凝土的工作性能。

分析其原因：首先是钢渣粉的颗粒粒径小于水泥，当作混合材加入时，能够更好的填充在水泥颗粒之间，使得体系级配更优良，增加密实度，从而降低用水量；其次是钢渣粉成分不同于水泥，主要为早期水化较慢的 C2S，而早期水化较快的 C3A、C3S 较少，水化速度较水泥慢，在一定程度上也减少用水量，改善流动性[6]。

（2）观察凝结时间可知，掺加钢渣粉的标稠试样初凝时间与空白样（基准水泥）没有太大差异，在 2h 左右，而终凝时间有明显的差异，空白样终凝时间为 4h36min；而掺入钢渣的标稠试样终凝时间 3h20min 上下，比空白样时间缩短了一个多小时，说明钢渣粉的加入对水泥初凝时间影响不大，但缩短了终凝时间。

分析其原因可能是钢渣粉取代量增加后，胶凝体系单位质量中起到调凝作用的石膏用量相对减少，而同时钢渣粉本身碱含量较高，钢渣粉的掺入提高体系的碱度，促进水泥凝结硬化，所以表现为终凝时间缩短。

（3）安定性试验结果分析：试验测试基准样与掺入钢渣粉的试样安定性都合格，说明钢渣粉即使掺量达到 50%，内部的不稳定因素（游离氧化钙）也不会导致体积稳定性不良，说明不稳定成分含量低于指标要求。

2.2 钢渣粉对水泥流变性影响

试验过程中水灰比为 0.5，水固定为 250g 。试验设计钢渣粉掺量 0、15%、30%、45%、60%、75%，观察对浆体流变性的影响，见图 1。

图 1 钢渣粉对净浆流动性影响曲线

由净浆流变性试验结果观察，空白实验用时 246s，60min 后搅拌流动时间为 259s，比初始用时稍长。钢渣粉取代水泥测试流动时间，当钢渣粉取代量在 15% 时初始为197s，与空白相比用时大幅度减少，说明钢渣粉的加入，赋予良好的流动性，减少了用水量，60min 以后测试流动用时为 229s，说明掺加钢渣粉 60min 损失不很明显。

随着钢渣粉掺量的增加，掺量超过 45% 时，初始用时不会明显地减少，说明试样的流动性不会随着钢渣粉的加入而呈现线性关系，只是在小范围内改变试样的流动性。从整体来看[2]，钢渣粉的加入增加初始流动度，减少用水量，间接地降低了水灰比，对于试样 60min 流动度，即 1h 损失也有良好的贡献。这与李永鑫研究“钢渣粉掺量在一定范围内可以提高浆体的流变性，改善胶材浆体的流动性”相符[3]。

2.3 钢渣粉对胶砂性能影响

钢渣粉作为水泥混合材时表现出一定的活性，为了研究钢渣粉的活性大小，设计钢渣粉、粉煤灰、矿粉做混合材时对水泥胶砂扩展度及强度的影响，通过与粉煤灰和矿粉的综合比较，分析钢渣粉的工作性能与胶凝性能。

2.3.1 钢渣粉对胶砂流动性的影响

具体试验结果见图 2。

图 2 各混合材不同掺量的胶砂扩展度曲线

分析图 2 中三条曲线知：

（1）比较三种混合材随着掺量的增加对胶砂扩展度的影响规律是：矿粉＞钢渣粉＞粉煤灰。

（2）三种混合材表现出共同的规律是：掺量在 20% 以下，随着掺量的增加，试样的扩展度越来越大。当掺量介于20% 与 30% 之间时，掺加钢渣粉与矿粉试样的扩展度略有下降，当掺量超过 30% 时，随着掺量的增加，扩展度又在不断的增大；掺加粉煤灰的试样随着掺量的增加扩展度呈现逐渐增长的趋势。

2.3.2 钢渣粉对胶砂强度的影响

图 3 各混合材不同掺量 7d 抗折强度曲线

图 4 各混合材不同掺量 7d 抗压强度曲线

图 5 各混合材不同掺量 56d 抗折强度曲线

图 6 各混合材不同掺量 56d 抗压强度曲线

图 3、 4 分别研究了钢渣粉、粉煤灰、矿粉做混合材对胶砂早期抗折与抗压强度的影响，分析结果可以发现：

（1）整体来看三种混合材的试块早期抗折强度都呈现下降的趋势，分析对强度贡献的大小依然是：矿粉＞钢渣粉＞粉

评价钢渣粉对胶砂强度影响规律。具体试验结果见图3～6。煤灰；掺量超过 20% 以后钢渣粉、粉煤灰的抗折强度与矿粉有了明显的差异；而掺量在 10% 时钢渣粉抗折强度甚至与矿粉强度相当。可见若在保证强度前提下钢渣粉的掺量不宜过大，控制在 10%～20% 之间较好。

（2）三种混合材对试块早期抗压强度的影响从总体来看都呈现下降的趋势，但是就单因素来看，各混合材对抗压强度影响结果是：矿渣粉＞钢渣粉＞粉煤灰，与抗折强度规律一样，超过 20% 以后强度下降比较明显，产生这种情况的原因是：矿渣中硅酸三钙较多，早期发生水化反应比较剧烈，生成较多的水化硅酸钙，故强度最高；而粉煤灰强度值最低，说明粉煤灰早期水化物质较少，水化速度较慢，强度发展迟缓，另一可能原因是粉煤灰达不到 II 级粉煤灰等级要求，活性较低。

（3）掺加钢渣粉的胶砂试样抗压强度随着钢渣粉掺量的增加强度下降比较明显，钢渣粉掺量控制在 10%～20%，早期抗压强度还能满足 20MPa 以上。早期强度规律显示：钢渣粉的最佳掺量宜控制在 10%～20%。

图 5、6 分析了钢渣粉、粉煤灰、矿粉做混合材对胶砂后期强度的影响规律。分析结果：矿渣粉＞钢渣粉＞粉煤灰，与早期强度发展规律相似。

各混合材对后期抗折强度的影响规律：掺加矿粉胶砂后期抗折强度发展较好，比较稳定，即使掺量不断增大，强度发展也比较均衡；掺加钢渣粉胶砂强度随着钢渣粉掺量的增大而减小；掺加粉煤灰的胶砂抗折强度在掺量在 10%～20%时发展较稳定，但是超过 20% 以后就会有明显的下降。

掺加钢渣粉胶砂后期抗压强度在 20% 时是 57.8MPa，此时强度损失很小，随着掺量增加，强度有所下降，考虑到拌制混凝土时石子的加入会降低混凝土的强度，所以钢渣粉的掺量宜控制在 10% ～20%[4]。

2.4 钢渣粉对混凝土性能影响

按照 JGJ55—2011《混凝土配合比设计规程》设计大掺量钢渣混凝土强度等级为 C30 的配合比 ，试验设计强度C30，其配合比为 W:C:S:G:A=177:360:787:1022:14。

钢渣粉掺量选取 0、5%、10%、15%、20%、30%、40%，混凝土抗压试验结果见图 7。

图 7 钢渣粉不同掺量取（代%）量各龄期强度变化曲线

观察钢渣粉作掺合料强度结果，三条曲线反映出同一规律：不管是 3d、7d 还是 28d 强度，随着钢渣粉掺量的增加，混凝土强度呈现下降的趋势。 7d 强度代表早期强度，当钢渣粉掺量在 10% 时，强度能够达到 25MPa；超过 10%，强度开始下降，观察后期 28d 强度增长趋势；掺量在 20% 强度发展比较好，能够达到 36MPa 以上；紧接着随着掺量增加混凝土强度低于 35MPa；强度降低较快，此时不能满足设计要求。所以结合前面的胶砂流动度及强度发展情况，综合分析，钢渣粉掺量宜控制在 15% 以内[5]。

3 结论

通过对钢渣粉掺合料的研究，我们可以得出以下结论：

（1）钢渣粉即使掺量在 50% 时，内部的不稳定因素（游离氧化钙）也不会导致水泥体积稳定性不良，不稳定成分含量达到指标要求。

（2）钢渣粉的加入增加水泥初始流动度，减少用水量，间接的降低了水灰比，对于试样 60min 流动度，即 1h 损失也有良好的贡献。

（3）通过胶砂与混凝土实验可知，钢渣粉掺量控制在15% 以内，对胶砂、混凝土的早期强度影响较大，但后期影响微乎其微。

[1] 刘天成．钢渣高效活化及在绿色建材中的应用．2008 材料学 [D]．

[2] 许远辉，陆文雄．钢渣活性激发的研究现状与发展[J]．上海大学学报．2004,2(10)

[3] 李永鑫，陈益民．含钢渣粉掺合料的水泥混凝土组成、结构与性能的研究 [D]. 2003.

[4] 关少波．钢渣粉活性与胶凝性及其混凝土性能的研究．材料学[D]．2008.

[5] Ziari, H. and M. M. Khabiri (2007). "Preventive maintenance of flexible pavement and mechanical properties of steel slag asphalt." Journal of Environmental Engineering and Landscape Management 15(3): 188b-192b．

[6]（美）库马·梅塔 （美）保罗 J.M. 蒙特罗．混凝土微观结构性能和材料 [M]．中国电力出版社，2008,09．

［通讯地址］重庆建研科之杰新材料有限公司（402761）

孟祥杰（1985－），男，河北沧州人，重庆大学毕业，硕士。