改性钢渣水泥基材料早强性能研究与应用

蒋育红，任建军，刘全威，杨 辉，杨 浩，余 平

（1.安徽工业大学建筑工程学院 安徽马鞍山 243002；2.江苏都市交通规划设计研究院有限公司 江苏南京 211100；3.马鞍山路桥工程有限公司 安徽马鞍山 243000；4.瑞马丸建（安徽）工程支护科技有限公司 安徽马鞍山 243000）

中国作为世界上钢铁产量最大的国家，每炼制1t 钢铁就会产生150－200 kg 钢渣，但对钢渣的利用率却不足30%［1］，基于国家节能减排的大环境，针对钢渣再利用的研究层出不穷。 张浩［2］将钢渣和磷酸溶液、硅烷偶联剂、硬酯酸混合处理后得到的多孔改性钢渣粉并用于充当橡胶填料。 从矿物和化学成分方面分析，钢渣与硅酸盐水泥组成相似［3］，可见以钢渣为原料制备的胶凝材料仍具有一定研究价值。 赵计辉［4］发现在水泥中掺入磨细后的钢渣、矿渣粉末可以明显提高其材料力学性能。 Fathollah Sajedi［5］、Marie Michel［6］和J.I. Es⁃calante－Garcia［7］使用钢渣粉、矿粉部分替代硅酸盐水泥，添加活性激发剂并制备胶砂试块，试验结果表明适量掺加钢渣、矿渣并添加活性激发剂可有效提高材料的早期和中期的力学性能。 王金邦［8］发现钢渣在pH ＞12 的环境中随着碱溶液的浓度增加，浆体水化放热速率及放热总量逐渐升高，钢渣水化速度显著加快。

P·O 42.5 水泥作为硅酸盐熟料的一种，若利用其水化过程中提供的碱性环境作为钢渣粉末的激发条件，理应可以提高水泥基材料的早期强度。因此，本文以MSP 和P·O 42.5 水泥为主要原料，探究该新型绿色材料对水泥基材料力学性能发展的影响规律，并筛选出早期强度较高的水泥基材料配合比，以满足实际工程需要。

1 试验方案

1.1 试验原材料

本试验使用的胶凝材料包括：P·O 42.5 水泥作为主要胶凝材料；S90 级硅灰和Ⅱ级粉煤灰作为矿料逐级填充材料空隙，用于提升材料密实度和强度；添加HCSA 膨胀剂以应对材料收缩；使用MSP改善材料早强性能。 另外以0.5 mm－1 mm 粒径石英砂作为细骨料，聚羧酸减水剂和有机硅消泡剂作为外加剂，用于改善材料力学性能及和易性。

1.2 试验方法

本试验在已有高强水泥基材料配合比［9］的基础上，保持胶砂比和水灰比不变，基于控制变量法，在0－20%区间内以5%为一级，使用MSP 分级替代水泥，研究该新型绿色材料对水泥基材料流动度以及强度发展的影响。 基于上述试验得出的结果，采用正交试验法，研究MSP 掺量、减水剂掺量、粉煤灰掺量和水灰比这四种变量对水泥基材料1 d强度的影响，以筛选出早期和晚期强度均较高的早强水泥基材料配合比。 本试验按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》［10］，使用水泥胶砂抗折抗压试验机测试试件力学性能。

2 试验结果及分析

2.1 MSP 单因素试验结果及分析

以MSP 掺量为单一变量的试验结果如下表1。根据表1 可以看出，当MSP 掺量提高至20%时，水泥基材料的1 d 抗折强度和抗压强度均较高，远远强于未掺入MSP 的空白对照组；随着MSP 掺量增加，水泥基材料后期抗压强度和抗折强度均有不同程度降低，其中实验组5 的试件相较于空白对比组强度下降最多，其28 d 抗压强度降低54%，抗折强度降低26%。 以MSP 掺量为横坐标，材料不同龄期的抗折强度和抗压强度为纵坐标，绘制趋势图，如下图1（a）、1（b）所示，分析可知MSP 的掺入有效提升了水泥基材料的早期强度，但其对材料后期强度的发展存在一定的负面影响，不同掺量下的后期强度降低程度不同。 且其对于抗折强度和抗压强度的影响规律也不相同，该试验中以1 d 抗折强度为指标的MSP 最优掺量为15%，而以1 d 抗压强度为指标的MSP 最优掺量为20%；4 个不同掺量的试验组中，28 d 抗折强度相对空白组的降低幅度也明显低于28 d 抗压强度的降低幅度，可见无论是早期强度的提高还是后期强度的降低，MSP对抗压强度的影响都要比对抗折强度的影响更加显著。

图1 MSP 对材料力学性能影响

表1 MSP 掺量试验结果

水泥基材料流动度和折压比随MSP 掺量的变化趋势如下图1（c）、1（d）所示。 分析图片可知，随着MSP 掺量的增加，材料的初始流动度和30 min 流动度逐渐降低，两次测量之间的流动度损失逐渐增大，最大达到107 mm；材料的折压比在掺量较低（5%）时无明显变化，但随着MSP 的掺量增加，材料折压比有显著提高。 由此可见，MSP 加入后材料凝结速度加快，且掺入量越多效果越明显；其次MSP 的掺量较大（＞5%）时，对水泥基材料韧性也有一定改善作用。

MSP 作为一种可再利用绿色材料，由钢渣经过改性后磨细制成，其主要成分钢渣的含量高达95%（质量分数）左右，其成分也基本与钢渣相同。 主要矿相成分包括C2S、Ca2Fe2O5，还有一些少量的C3S、Ca（OH）2和CaCO3，以及一些未结晶的玻璃相物质［11］。 MSP 和P·O 42.5 普通硅酸盐水泥混合后，水泥水化反应产生的Ca（OH）2会引起体系碱性快速提高［12］，碱性环境可有效激发钢渣粉体的活性，加快其内部玻璃相物质的解离速度，促进体系内C2S、C3S 的形成［13］，从而有效提高水泥基材料早期强度。 同时，体系反应过程中生成C－SH（水化硅酸钙）和C－A－H（水化铝酸钙）凝胶产物，以及具有一定填充性的CaCO3和AFt，均有利于水泥基材料体系密实度的增加［6］，在加快体系内材料水化速率的基础上，进一步提高水泥基材料早期强度，具体表现在MSP 加入后，水泥基材料的初始流动度逐渐下降，且30 min 内的流动度损失明显增大，凝结速度显著加快。

2.2 正交试验结果及分析

通过单因素试验法，了解MSP 对水泥基材料流动度、抗折强度和抗压强度等性能的影响，以及不用掺量对上述性能的影响规律，分析单因素试验所得数据并依据此设计正交试验，筛选出早强水泥基材料的最优配比。 在本试验中，保持胶砂比、硅灰掺量、消泡剂与膨胀剂掺量不变，以1 d 抗压强度和抗折强度作为主要指标，研究MSP、粉煤灰、减水剂含量和水灰比对水泥基材料早期强度的影响规律。

选用正交表L16（44）进行正交试验，设置四种因素分别为MSP 掺量（简称A）、减水剂掺量（简称B）、粉煤灰掺量（简称C）、水灰比（简称D），各因素设计水平表如下表2。

表2 正交试验因素水平表

1 d 强度作为早强材料的重要参数，也主要以1 d 强度作为早强水泥基材料早强性能的评定指标，1 d 强度试验结果见表3。

表3 1 d 强度正交试验结果表

（1）极差分析

1 d 试件的强度试验及计算结果如下表4 所示。 由极差分析结果可知，1 d 抗折强度最大为6.15 MPa，满足早强性能要求。 分析平均强度可知，在1 d 抗折强度的影响因素中，减水剂添加量和水灰比的影响比较明显，其中减水剂添加量的极差最大达到4.44 MPa，MSP 和粉煤灰掺量的影响较小。粉煤灰掺量的增加对水泥基材料1 d 抗折强度的提高也有一定作用，这主要是因为添加少量粉煤灰，可以提高材料体系内的密实度，由于掺入量较少，虽然粉煤灰相较于水泥水化速度较慢，但不会对水泥基材料前期强度发展速度造成太大影响，且其“火山灰效应［14］”对水泥基材料后期强度提高有一定积极作用。 1d 抗压强度最大为33.59 MPa，满足早强要求。 上述变量对水泥基材料1 d 抗压强度的影响规律与抗折强度类似，减水剂添加量和水灰比对抗压强度影响同样较大，MSP 和粉煤灰掺量次之。 根据极差分析得到1 d 抗折强度的最优配比为A1B1C2D1，1 d 抗压强度的最优配比为A3B1C2D1。

表4 1 d 强度极差分析表

（2）方差分析

1 d 强度方差分析结果如下表5 所示。 从各因素均方大小及p 值可知，影响1d 抗折、抗压强度的因素主次顺序为：减水剂掺量→水灰比→MSP 掺量→粉煤灰掺量，结果与极差直观分析结果一致，其中减水剂添加量水平对材料1 d 强度影响显著，其余因素并无显著影响。

表5 1d 强度方差分析表

3 工程应用

随着地下空间的大规模开发利用，装配式钢结构基坑支护体系与传统钢筋混凝土结构支护相比具有施工速度快、工业化程度高和可循环利用等优点，符合国家“碳达峰碳中和”的长远规划和绿色环保理念。 然而基坑支护的关键问题在于土体开挖后需尽早完成支撑安装，保证基坑安全，节省工期。 支撑节点的重要作用即是将支撑力快速有效地传递到支护体系，以平衡土压力。 从而要求节点的设计必须满足快速、高强和施工便捷等要求。 常用的装配式钢结构基坑支护体系中，钢围檩与型钢桩之间、以及角部斜撑与钢围檩之间的后浇块均采用普通细石混凝土填充，养护周期长，在养护时间较短的情况下，无法快速提高强度，使得支护体系的支撑力不足［15］；且针对施工过程中无法避免的施工、测量误差而出现的大小、形状均不规则的异型缝隙，低流动度细石混凝土并不能完全填充，不利于支护体系的承载。

国内某人行下穿开挖工程，基坑支护采用装配式钢结构体系，钢围檩和钢板桩之间存在许多异型缝隙，为尽量缩短工期且满足填充材料的强度要求，现采用最优配比早强水泥基材料填补缝隙，并制备100 mm×100 mm×100 mm 立方体试块和40 mm×40 mm×160 mm 棱柱体试块，施工过程如下图2。 测量施工现场同条件养护下试块强度，测试结果如下图3，1 d 抗折强度达到6.33 MPa，抗压强度达到37.18 MPa；3 d 抗折强度达到8.51 MPa，抗压强度达到54.85 MPa；7d 抗折强度达到9.26 MPa，抗压强度达到58.47 MPa；28 d 抗折强度达到10.34 MPa，抗压强度达到58.50 MPa，满足《建筑结构加固工程施工质量验收规范》［16］中强度要求和现场工程实际需要。

图2 基坑钢结构支护体系中早强水泥基材料的应用

图3 施工预留试块测试结果

4 结论

本文通过单因素试验和正交试验，研究了MSP 对水泥基材料力学性能的影响规律，并通过对正交试验所得数据进行极差与方差分析，了解MSP 在内的四种不同因素对水泥基材料早期强度发展的影响，并根据分析结果筛选出早期强度较高的水泥基材料配合比。 通过分析试验结果，本文获得如下结论：

1）在高强水泥基材料配合比的基础上添加新型绿色材料MSP，采用控制变量和正交试验两种试验方法，完成共22 种不同配合比的水泥基材料抗折、抗压强度测试试验，结果表明MSP 对加快水泥基材料凝结速度，提高水泥基材料早期强度等方面均有正面作用。

2）采用极差分析研究早期强度性能较好的配合比，通过调整MSP、减水剂、粉煤灰掺量和水灰比，得到各变量最佳水平分别为11%、0.3%、4%和0.20，其1d 抗压强度高达36.64 MPa，抗折强度达到6.47 MPa，具有良好的早强特性。

3）选取最优配合比用于基坑钢结构支护体系中钢围檩与型钢桩之间的异型缝隙填充，浇筑24 h抗压强度即可达到37.18 MPa，完全满足工程对1d抗压强度超出30 MPa 的要求。