钢渣对混凝土性能影响的研究进展

薛旭峰，房增星，姜正林，喻鹏，宗兰，张士萍

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

钢渣对混凝土性能影响的研究进展

薛旭峰，房增星，姜正林，喻鹏，宗兰，张士萍

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

钢渣做为炼钢企业的副产品，产量非常大，如能合理开发和应用，不仅能降低环境污染，还具有很高的经济效益。文章主要介绍了钢渣在混凝土中的应用情况，讨论了钢渣的成分及掺量对混凝土的流动性、体积安定性、抗冻性、抗氯离子渗透性以及抗碳化性能的影响，指出了此课题研究的重要性。

钢渣；混凝土；流动性；强度；耐久性

0 引言

钢渣是炼钢企业的废渣之一，也是钢铁行业的主要固体废弃物之一。钢渣的产量非常大，年产1万t的炼钢厂，每年可排出钢渣约2 500 t。由于炼钢过程中工艺要求不同，钢渣的化学成分相差较大。同时，由于钢渣本身的一些缺陷，如较难磨细、水化活性较低、化学成分波动较大等，因此实际利用率相对较低。钢渣用来制备混凝土之前一般都需要进行二次加工。近年来，我国对钢渣在建筑材料领域的应用的研究越来越多。钢渣本身的化学成分与水泥是相似的，也就是说同样具有一定的胶凝性能。将钢渣用于制备水泥、混凝土等建筑材料不仅可以显著降低水泥用量，而且能够减少生产水泥所消耗的能源和资源，降低了CO2的排放，对环境保护具有积极的作用。

1 钢渣的应用对混凝土流动性及强度的影响

1.1 钢渣对流动性的影响

钢渣的掺加对新拌混凝土的流动性有很大的影响。李云峰等[1]研究发现钢渣粉、矿渣粉作为活性矿物掺合料加入混凝土中,对混凝土的流动性有积极作用。这是由于钢渣的水化机理，水化速度较水泥慢，且改变了水化基体的孔道大小与分布，使得浆体流动性增强。掺加矿渣粉时,混凝土流动性减小，掺加钢渣粉后,混凝土流动性均增大;钢渣粉、矿渣粉复掺时,混凝土流动性亦增大,且钢渣粉比例越高,流动性越大。张锦瑞等[2]则提出，钢渣矿粉的掺量对混凝土工作性能有一定的影响。钢渣中主要含有C2S矿物，C2S早期水化速度较慢，用钢渣代替水泥，C2S矿物增加，水化速度降低，混凝土的坍落度经时损失减小；并且，钢渣矿粉掺量越大，减小坍落度经时损失的作用越突出。施惠生等学者[2]也认为采用钢渣部分取代水泥，能控制新拌混凝土流动性的降低。因为在混凝土初凝前，水泥中的熟料矿物首先开始逐渐水化，同时随着水化龄期的延长，新拌混凝土的流动性也会逐渐发生损失。而钢渣掺合料中的类似于硅酸盐水泥熟料的矿物成分的活性相对较低、水化反应速率较慢，因此不能为流动性做出贡献。

同时，钢渣的细度也会影响混凝土流动性。张锦瑞等[2]提出，当钢渣掺量一定时，钢粉细度对混凝土工作性能的影响较小。施惠生等[3]认为混凝土的强度等级越高，钢渣细度对混凝土流动性的影响越大。但是钢渣的细度应控制在一定范围，过细的钢渣比表面积较大，需水量也相应增加。

1.2 钢渣对混凝土强度的影响

不同的配比对混凝土抗压强度有影响。王保民等[4]认为，由于钢渣中的C3S、C2S等物质对早期强度的促进作用，无论哪种配合比，初始阶段的抗压强度均增长较快，而后期抗压强度增长有所减慢。白敏等[5]研究表明：影响混凝土硬化后的强度的关键因素是水泥石和骨料界面位置的粘结强度，而水泥石和骨料界面强度则与水泥石本身的强度以及集料自身状况(例如表面粗糙程度、棱角的多少等)、水化凝结条件，以及混凝土的离析泌水性等因素有关。对于加了钢渣的混凝土材料，钢渣自身表面越粗糙，粘结力也就越大，从而界面粘结强度也就越高。因此钢渣的应用会显著改变混凝土微观结构，优化集料与水泥石的界面过渡区，最终大大提高了混凝土的强度。施惠生等[3]研究表明，钢渣的掺量对混凝土强度有重要影响，当钢渣的掺量低于20%的时候，钢渣并不能显著提高水泥石的强度。虽然钢渣中的一些微小颗粒能填充水泥石中的孔隙、缺陷以及优化界面过渡区，但是由于混凝土的水灰比较大，内部的孔隙率很大，因此混凝土的抗压强度出现降低现象。

2 钢渣的应用对混凝土耐久性的影响

2.1 钢渣对体积安定性的影响

从目前的众多研究成果来看，钢渣中游离的CaO、MgO等物质被认为是影响混凝土安定性的主要因素。研究发现，对于游离的CaO，因经历“过烧”的过程，活性一般会在后期发挥作用，产生膨胀，显示出安定性的不良；MgO的存在对混凝土的破坏也是不可忽视的。此外，钢渣的化学组成与水泥熟料相似，所以康明[6]从混凝土的安定性评价与调控的角度，分别研究了掺钢渣微粉、钢渣砂、钢渣石的混凝土的体积安定性，通过试验推导出了钢渣分别以掺合料、细集料和粗集料的形式应用于混凝土时的合理掺量。砂浆评定方法表明钢渣作为细骨料的掺量在30%时，试件表现出潜在安定性不良；而制备混凝土试件的评定方法则提出钢渣作为细骨料来应用时若掺量达到50%，混凝土表现出潜在安定性不良现象。由于制备混凝土试件进行评定的试验方法与实际工程上用的混凝土材料的实际情况较接近，因此认为采用制备混凝土试件进行评价钢渣混凝土的安定性更为合适。当钢渣作为细骨料用来制备混凝土时，钢渣的掺量需要控制在50%以下。钢渣作为粗骨料时，以膨胀率是否达到0.8%或者试件是否断裂作为评价安定性的依据。试验发现，当钢渣作为粗骨料应用时掺量达到30%的时候，混凝土表现出安定性不良，试件开始出现剥落开裂情况。因此，所用钢渣作为粗骨料单掺于混凝土时，其掺量应控制在30%以内。

2.2 钢渣对混凝土抗冻性能影响

杨全兵等[7]研究发现，使用钢渣制备混凝土的时候，若钢渣的掺量超过25%，水泥浆体的孔径会细化，从而增大对水的阻力，这样内部毛细孔之间的曲折度也会相应增大，导致水在毛细孔之间迁移的实际距离反而增加，造成水结冰后产生的膨胀压较难卸除，从而使混凝土的抗冻性有所降低。然而尚建丽[8]等研究发现掺加小钢渣颗粒可以间接提高抗冻性，因为其被水泥浆体包裹形成致密的结构，水结成冰的含量减少了水分的迁移，从而减少了破坏。

2.3 钢渣对抗氯离子扩散的影响

混凝土自由氯离子的扩散速率是影响钢筋锈蚀的关键因素之一，因此通常采用氯离子的扩散性能来表征混凝土中钢筋锈蚀情况。王强[9]等研究发现，当混凝土中钢渣掺量较大时，混凝土密实度降低，而且相对于粉煤灰，钢渣改善混凝土硬化浆体孔隙结构能力差很多，因而会导致混凝土的渗透性很大。但是也有众多学者研究发现，控制钢渣的掺量（一般低于20%）可以提高混凝土的抗氯离子渗透性。原因总结为：①钢渣的胶凝活性明显低于水泥，因此部分水泥被钢渣来代替，实际上等于变相地提高了水灰比，改善了水泥的水化反应环境，从而使得水泥可以更加充分地发生水化反应；②钢渣自身的微集料效应也会发挥出填充作用，可以优化混凝土的水泥石和集料的界面结构，降低内部的孔隙率、减小平均孔径，最终提高密实度，改善抗渗性；③随着水化龄期的延长，钢渣中的具有水化活性的成分也开始慢慢发生水化反应，产生的反应产物同样可以填充内部的孔隙，即可以提高密实度；④钢渣内部的具有水化活性的成分发生的水化反应，实际上还可以优化水化产物的整体组成，提高能够吸附和固化住氯离子的物质。如水化产物CSH凝胶及水化铝酸盐凝胶的数量。其实提高混凝土的抗氯离子渗透能力关键还是要减少氯离子的渗透途径，可以从钢渣集料与砂、石级配关系分析，尽量减少混凝土内部空隙。

2.4 抗碳化试验

碳化，即CO2扩散到混凝土内部，与Ca(OH)2以及其他胶凝体系发生反应的过程，如果能将混凝土缝隙加以密封，可以阻止碳化进行。当然有研究发现，混凝土碳化程度与抗压强度有一定关系，抗压强度大的试件，碳化深度反而小[10]。也有试验发现与普通混凝土相比，添加钢渣的混凝土碳化深度会有所减小。并且，这种碳化深度的减小在碳化的初始阶段不是很明显，但是随着碳化龄期的延长，碳化深度会呈现出较明显的减小。随着水化龄期的延长，钢渣自身的活性成分发生水化反应，同时微小颗粒发挥出填充的效应，从而优化内部的孔结构，显著改善混凝土的抗气体的渗透性能，最终表现出抑制碳化的效果。

3 结论与展望

如何最大限度的将钢渣应用到水泥、混凝土等建筑材料中，已成为现阶段的研究热点。众多研究结果也表明，钢渣是可以应用到混凝土材料中的。但是由于钢渣本身的特点，例如化学组成波动较大不易控制，游离氧化钙含量相对较高容易导致体积稳定性问题等。钢渣作为矿物掺合料，要实现大规模、高附加值资源化利用，仍然有很多问题没有解决。因此，为实现钢渣的大规模高效率的应用，在钢渣水化机理、如何激发钢渣活性等方面还需要深入研究。

[1]李云峰，王玲，林晖.掺钢渣粉混凝土工作性和力学性能研究[J].原材料及辅助材料，2008，（9）：38-40.

[2]张锦瑞，刘淑贤，吴根，等.钢渣微粉对混凝土性能的影响[J].科技资讯，2008，（6）：29-30.

[3]施惠生，郭蕾.钢渣对硅酸盐水泥水化硬化的影响研究[J].水泥技术,2004,(2):21-24.

[4]王保民，胡斌，蔺怀义.钢渣混凝土强度特性的试验研究[J].特种结构，2004,21（4）：77-79.

[5]白敏,尚建丽，张松榆，等.钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研究[J].混凝土,2005,(7):62-70.

[6]康明.钢渣用于混凝土的安定性评价与控制研究[J].固废利用，2013,(2):15-17.

[7]杨钱荣,杨全兵.含钢渣复合掺合料对混凝土耐久性的影响[J].同济大学学报(自然科学版),2010, 38(8):1200-1204.

[8]尚建丽，邢琳琳.钢渣粗集料混凝土耐久性的试验研究[J].水泥混凝土，2012，（8）：25-30.

[9]王强，杨建伟，阎培渝.钢渣在混凝土总应用面临的耐久性问题[J].建筑科学与工程，2012，（9）：290-295.

[10]赵旭光,赵三银,李宁，等.高钢渣掺量和高强度钢渣水泥的研制[J].武汉理工大学学报,2004,26(1): 38-41.

As a by-product for steelmaking,not only environmental pollution can be removed,but huge economical benefits can be created if steel slag can be deeply developed and utilized.A review is given on the application of slag in concrete.Effect of chemical composition and dosage of slag on the performance of concrete is also discussed,including fluidity,stability,frost resistance,chloride ion permeability and carbonation are discussed in detail.The importance of this research subject is also pointed out.

steel slag;concrete;fluidity;strength;durability

薛旭峰（1992-），男，本科，土木工程专业。

强）（

2014-5-30）