钢渣细骨料泡沫混凝土的制备及性能

王 浩 ，项国圣 ，李华健

(安徽工业大学 建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032)

泡沫混凝土(foam concrete，FC)是一种通过发泡剂将空气截留在浆体中的轻质混凝土[1]，具有流动性高、水泥含量低、集料消耗少、质量轻和隔热性能好等优点，被广泛用于外墙保温隔热[2]、屋面保温[3]、室内地面保温和桥空洞填充[4]等方面。钢渣作为钢铁生产中的副产品，产量大(为粗钢的15%～20%)，但综合利用率低，大量钢渣被填埋或堆放，不仅严重污染环境且造成资源浪费[5]。钢渣与硅酸盐水泥的成分相似，也具有一定的胶凝性，可部分取代水泥。因此，将钢渣用于制备混凝土，变固废为资源，是实现钢渣再生循环利用的一种新途径，对促进绿色发展、推动碳达峰、碳中和具有重要意义[6-8]。

越来越多的学者采用钢渣部分取代水泥制备混凝土，研究其对混凝土力学性能的影响。袁振等[9]、回丽丽等[10]研究表明，水泥中掺入适量的钢渣可降低混凝土的放热量，减少FC 因热应力而产生的裂缝，一定程度上可改善FC 的力学性能；黄伟等[11]研究表明，在混凝土中掺入钢渣有利于胶凝材料的生成，混凝土结构更密实、稳定；张耄耋等[12]、Qasrawi 等[13]研究表明，钢渣与水泥具有协同作用，一定程度上可提高钢渣泡沫混凝土(steel slag foamed concrete, SSFC)的后期强度；周学军等[14]研究表明，钢渣掺量和水胶比对SSFC 的导热系数、抗压强度影响较大。但目前学者多采用钢渣微粉替代水泥，钢渣细骨料替代部分水泥制备SSFC，可减少化学激发和超细粉磨步骤，降低工程成本，利于实现钢渣的大宗量使用[15-16]。鉴于此，选用钢渣细骨料替代部分水泥制备SSFC，研究钢渣取代量(钢渣与钢渣、水泥总质量比，下同)、钢渣粒径及水胶比(水与钢渣、水泥总质量比，下同)对SSFC 力学性能和导热性能的影响，以期进一步促进钢渣的循环利用。

1 试 验

1.1 原料

安徽海螺牌P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥、安徽马鞍山马钢钢渣、自来水、武汉市某公司生产的发泡剂。水泥与钢渣的的表观密度分别为3 100，3 400 kg/m3，化学成分如表1。

表1 水泥和钢渣的化学成分 w/%Tab.1 Chemical composition of cement and steel slag w/%

1.2 试验过程

SSFC 制备流程及性能测试如图1，依据固定原材料质量法设计试验原料配合比，制备的SSFC 干密度为700 kg/m3。使用电子天平按设计比例称取钢渣、水泥与水，放入适当体积的容器中混合搅拌得水泥混合浆体，搅拌时间约3 min；将50 g 发泡剂与水按质量比1∶30 混合，使用泡沫制备机(HT-60 型，河南华泰新材科技股份有限公司)制备出稳定细小泡沫。将制备的泡沫加入浆体中进行二次搅拌，制备出均匀的泡沫水泥混合浆体，将其浇筑到100 mm×100 mm×100 mm 的模具中1 d 后脱模，在自然养护条件下养护至适当龄期后；将试件放入(60±5)℃的电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)内烘干至4 h 内质量无变化，取出冷却至室温，进行相应的性能测试。

图1 SSFC 的制备流程及性能测试Fig.1 Preparation process and performance test of SSFC

1.2.1 优选配比试验

按图1 所示流程制备SSFC，其中钢渣取代量取10%，20%，30%，40%，50%；钢渣粒径取0.60，1.18，2.36 mm连续级配；钢渣水胶比取0.35，0.40，0.45，0.50，0.55。参照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》进行SSFC 试件抗压强度试验，测试不同钢渣取代量、钢渣粒径及钢渣水胶比下SSFC 试件的抗压强度，通过分析不同因素下SSFC 抗压强度变化趋势，得出制备SSFC 的原料最优配合比。

1.2.2 正交试验

基于配比优选试验，设计L9(33)正交试验。三因素的三水平分别为钢渣粒径0.60，1.18，2.36 mm 连续级配；钢渣取代量20%，30%，40%；水胶比0.40，0.45，0.50。按图1 所示流程制备不同因素、水平下的SSFC 试件。试件养护至龄期后，采用压力试验机(TYE-2000 型，无锡建仪仪器机械有限公司)，电动抗折试验机(DKZ-6000 型，无锡建仪仪器机械有限公司)，扫描电子显微镜(JEM-6510 型)，导热系数测试仪(TC3000E 型，西安夏溪电子科技有限公司)等，参照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》、GB/T 11968—2020《蒸压加气混凝土砌块》、GB/T 32064—2015《建筑用材料导热系数和扩散系数瞬态平面热源测试法》对试件进行相关性能测试。

2 结果与分析

2.1 SSFC 的优选配合比

在水胶比(水与钢渣、水泥总质量比，下同)0.45，钢渣粒径0.60，1.18，2.36 mm 条件下，钢渣取代量与SSFC 试件抗压强度的关系如图2。由图2 可看出：3 种粒径下随钢渣取代量的增大，SSFC 的抗压强度均呈先增后减的变化趋势；钢渣取代量为20%，30%，40%时的抗压强度高于取代量为10%，50%，钢渣掺量过小或过大时试件抗压强度较低，钢渣掺量适量时试件抗压强度较高。这是因为水泥与钢渣具有协同作用，可促进相互的水化反应，随钢渣掺量的增加，生成更多的胶凝物质，利于试件抗压强度的提高，但随钢渣掺量的不断增加，浆体易发生分层离析现象，气泡分布不均匀，试件上下部分干体积密度不一致，结构疏松，导致试件易破坏，抗压强度降低。

图2 钢渣取代量与SSFC 试件抗压强度的关系Fig.2 Relationship between substitution amount of steel slag and compressive strength of SSFC specimens

钢渣取代量为20%，30%，40%时，钢渣粒径、水胶比对钢渣抗压强度的影响如图3。由图3 可看出，不同钢渣粒径、钢渣取代量下，SSFC 抗压强度均随水胶比增大呈先增后减的趋势。水胶比较小时，水泥和钢渣的水化反应不完全，生成的胶凝物质较少，且浆体的流动性较低，泡沫与浆体难以搅拌均匀，混合过程中泡沫易发生破裂，导致SSFC 抗压强度较低；水胶比较大时，浆体流动性较大，气泡易上移，浆体下沉，泡沫与浆体难以混合均匀，水胶比越大，沉降现象越明显，甚至会发生分层现象，使试块结构不稳定、易破坏，导致SSFC 抗压强度较低。钢渣取代量为20%，30%，40%时，SSFC 的最优抗压强度对应的水胶比和钢渣粒径均分别为0.45，1.18 mm。钢渣粒径过小时，钢渣不能充当骨料给试块提供足够的强度；钢渣粒径过大时，大颗粒钢渣之间的孔隙变大，大孔占比增多，试块受压时压力易集中在大孔上，致使大孔先破裂，破裂的大孔过多时，试件易发生破坏，且浆体不能较好地包裹大颗粒钢渣，钢渣周边生成的胶凝物质较少，结构疏松、不稳定。

图3 钢渣取代量、钢渣粒径、水胶比对SSFC 试件抗压强度的影响Fig.3 Influence of substitution amount of steel slag,particle size of steel slag, and water binder ratio on compressive strength of SSFC specimens

综上，SSFC 试件的最优配合比为钢渣取代量20%、钢渣粒径1.18 mm、水胶比0.45，此时试件抗压强度最大，为1.80 MPa。

2.2 不同因素对SSFC 抗压强度影响的程度

基于配合比优选试验结果，设计的正交试验结果及极差分析如表2，3。从表2，3 可看出：试件抗压强度最大为1.80 MPa，最优配合比为钢渣取代量20%、钢渣粒径1.18 mm、水胶比0.45，与2.1 所示实验结果一致；三因素对抗压强度影响程度为钢渣取代量＞钢渣粒径＞水胶比。

表2 正交试验结果Tab.2 Orthogonal test results

表3 正交试验极差分析结果Tab.3 Orthogonal test range analysis results

钢渣粒径1.18 mm、水胶比0.45 时，不同钢渣取代量自然养护28 d SSFC 试件的扫描电子显微镜(scanning electronic microscopy, SEM)图像如图4。由图4 可看出：钢渣取代量为10%时，SSFC 的孔隙分布不均匀，大孔隙较多，孔隙结构变形较小；钢渣取代量为20%时，孔隙分布较均匀、孔径较小、大孔隙较少；钢渣取代量为30%时，孔隙分布较均匀，大孔隙及连通孔隙较多，平均孔径较大；钢渣取代量为40%，50%时，孔隙分布不均匀，大孔隙与连通孔隙较多。由此可看出钢渣的最优取代量为20%。

2.3 钢渣取代量对SSFC 力学性能的影响

由正交试验结果可知，钢渣取代量对SSFC 抗压强度的影响最大。为研究SSFC 的适用性，探讨钢渣取代量对SSFC 的导热性能、抗折强度、吸水率等力学性能的影响及最优配合比SSFC 的水稳定性。

2.3.1 导热性能

钢渣粒径为1.18 mm、水胶比为0.45 时，钢渣取代量与SSFC 试件导热系数的关系曲线如图5。由图5可看出，试件的导热系数随钢渣取代量的增大而减小。这是由于钢渣的表观密度大于水泥，试件干体积密度相同时，钢渣取代量越大，其孔隙率越大；钢渣细骨料起到骨架作用，可改变试件内部孔隙结构，钢渣取代量越大，试件连通孔隙率越大，致使SSFC 试件孔径变大，结构疏松，导热性能降低。最优配合比下试件的导热系数为0.167 3 W/(m·K)，满足JG/T 266—2011《泡沫混凝土》要求的0.18 W/(m·K)，此条件下的制备的SSFC 可用作保温材料。

图5 钢渣取代量与SSFC 试件导热系数的关系Fig.5 Relationship between the substitution amount of steel slag and the thermal conductivity of SSFC specimens

2.3.2 抗折强度

钢渣粒径1.18 mm、水胶比0.45 时，钢渣取代量与自然养护28 d SSFC 抗折强度的关系如图6。由图6 可看出：SSFC 的抗折强度随钢渣取代量的增加先增后减；钢渣取代量为20%时，抗折强度最大，为1.02 MPa，大于文献[17]中制备的FC 抗折强度。

图6 钢渣取代量与SSFC 试件抗折强度的关系Fig.6 Relationship between the substitution amount of steel slag and the flexural strength of SSFC specimens

2.3.3 吸水性

钢渣粒径1.18 mm、水胶比0.45 时，钢渣取代量与SSFC 试件吸水率的关系如图7。由图7 可看出，此条件下制备的SSFC 吸水率随钢渣取代量的增加而增加，不同钢渣取代量下SSFC 的吸水率在25%～35%之间变化。这是由于钢渣发生水化反应时，会消耗更多的水分，导致钢渣取代量越大吸水率越大。

图7 钢渣取代量与SSFC 试件吸水率的关系Fig.7 Relationship between the substitution amount of steel slag and the water absorption of SSFC specimens

2.3.4 水稳定性

SSFC 在自然与浸水养护下SSFC 试件的抗压强度如图8。由图8 可看出：在浸水和自然养护条件下试件的抗压强度均随养护时间的增长而逐渐增加，且养护28 d 后试件抗压强度增幅较小；与自然养护相比，浸水养护试件抗压强度均有所下降，养护龄期为7，14，28，60 d 时，浸水养护试件的强度分别为自然养护下试件强度的78.9%，81.2%，86.1%，86.8%。这是因为水具有软化作用，浸水养护时，水分在SSFC毛细孔径中的迁移削弱了晶体粒子间的黏结力，破坏了试件原有的内部结构，致使浸水养护强度较低；养护时间越长，浸水养护试件中水泥与钢渣水化越完全，生成的胶凝物质越多，两者之间差距越来越小。由此表明SSFC 在长时间浸水条件下仍能保持一定的强度，水稳定性较好。

图8 养护时长与SSFC 试件抗压强度的关系Fig.8 Relationship between the curing time amount of steel slag and compressive strength of SSFC specimens

综上，最优配合比时SSFC 导热系数为0.167 3 W/(m·K)、抗折强度为1.02 MPa，吸水性与水稳定性良好，具有较好的物理性能。

3 结 论

以钢渣作为细骨料制备SSFC，探讨钢渣粒径、钢渣取代量和水胶比对SSFC 抗压强度、抗折强度、导热性、吸水率等力学性能的影响，主要结论如下：

1) SSFC 抗压强度随钢渣取代量、钢渣粒径和水胶比的增加均呈先增后减的变化趋势；制备SSFC 的最优配合比为钢渣粒径1.18 mm、钢渣取代量20%和水胶比0.45；三因素对SSFC 7 d 抗压强度的影响程度为钢渣取代量＞钢渣粒径＞水胶比。

2) 掺入适量的钢渣可改善SSFC 孔隙结构，钢渣粒径1.18 mm、水胶比0.45 时，20%钢渣取代量下的SSFC 平均孔径最小、孔隙分布最均匀。

3) 随钢渣取代量的增大，SSFC 的导热系数减小、抗折强度先增大后减小、吸水率增加，抗压强度增大；最优配合比时SSFC 导热系数为0.167 3 W/(m·K)、抗折强度为1.02 MPa、吸水性良好，浸水养护60 d 的抗压强度可达自然养护的86.8%，水稳定性较好。