不同因素对泵送钢渣配重混凝土性能影响及正交试验分析

李学进，闫振民，张勇，谢慧东

（1. 济南章丘市工程质量与安全生产监督站，山东 济南 250200；2. 济南市工程质量与安全生产监督站，山东 济南 250014；3. 山东华森混凝土有限公司，山东 济南 250101）

不同因素对泵送钢渣配重混凝土性能影响及正交试验分析

李学进1，闫振民2，张勇3，谢慧东3

（1. 济南章丘市工程质量与安全生产监督站，山东 济南 250200；2. 济南市工程质量与安全生产监督站，山东 济南 250014；3. 山东华森混凝土有限公司，山东 济南 250101）

试验研究了不同胶凝材料比例、砂率、石粉砂及 5～10mm 细石石子比例对钢渣混凝土表观密度的影响，通过正交设计，设计钢渣混凝土配合比，并进行钢渣混凝土的性能试验，结果表明：胶凝材料比例是影响钢渣混凝土性能的主要因素，其次是石粉砂掺量，再次是细石掺量，影响最小的是砂率。钢渣混凝土总功效系数随不同因素数值的增加均呈现先增加后减小的趋势，得出最优组合为 A2B2C3D3。

钢渣混凝土；表观密度；正交试验；功效系数

0 引言

钢渣是炼钢产生的工业废渣，约占钢产量的15%～20%。我国钢渣整体利用率很低，仅为 10% 左右，而欧洲的利用率达到 65%，日本美国的利用率则达到了100%[1,2]。大量钢渣堆存，占用了大量的土地，造成了严重的环境污染，破坏了生态环境[3]。有研究表明，钢渣主要矿物组成为 C3S、C2S、CaCO3、Ca(OH)2、SiO2和 RO 相，其中C3S和 C2S 常温下有一定的水硬活性，用于混凝土中有利于混凝土后期强度的发展及界面过渡区的改善，钢渣取代粗骨料配制的混凝土强度优于普通混凝土[4-6]。应用石灰石配制的混凝土干表观密度一般在 2400kg/m3左右，对于密度要求大于2600kg/m3的配重混凝土，需要采用较重的骨料才可以实现。钢渣表观密度一般在 3000kg/m3以上，且资源较丰富，本试验以钢渣为混凝土粗骨料，以机制砂或石粉砂为细骨料，通过改善骨料级配，配制混凝土干表观密度大于 2600kg/m3的泵送混凝土，分析胶凝材料、砂、5～10mm 细石等对混凝土表观密度的影响，同时设计正交试验并对各因素对混凝土性能的影响做出分析。

1 试验原材料与测试方法

1.1 试验原材料

水泥：山东水泥厂 P·O42.5 水泥；粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰；石灰石机制砂，石灰石石料厂尾矿石粉砂，物理性能见表 1；钢渣粗骨料，物理性能见表 2，粒径分布见表 3；5～10mm 石灰石细石，物理性能见表 4；脂肪族复合外加剂，减水率 16%，掺量为 3.0%。

表 1 机制砂、石粉砂物理性能

表 2 钢渣物理性能

表 3 钢渣各粒径分级筛余

表 4 5～10mm 细石物理性能

1.2 试验方法

配合比设计参照执行 JGJ55－2011 《普通混凝土配合比设计规程》，钢渣配重混凝土设计干表观密度≥2600kg/m3，设计强度等级 C30。由于强度等级要求不是很高，首先应考虑配制的混凝土干表观密度满足设计配重密度要求，同时要求混凝土出机坍落度大于 200mm，和易性良好，满足泵送施工要求。混凝土拌合物性能试验参照 GB/T 50080－2002 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，测定混凝土拌合物表观密度，出机及 40min 坍落度，观察坍落后混凝土试体的和易性。参照 GB/T 50081－2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》，成型 (100×100×100)mm 的混凝土试块，在温度为 (20±5)℃ 环境中静置一天，然后编号、拆模。拆模后放入温度为 (20±2)℃、相对湿度为 95% 以上的标准养护室中养护，测试其不同龄期抗压强度。

2 试验结果与讨论

2.1 不同因素对钢渣混凝土表观密度影响

钢渣表观密度较大，钢渣混凝土中钢渣骨料与砂、胶凝材料的密度相差较大，在泵送混凝土或大流动性混凝土中很容易出现离析分层现象，为保证拌合物和易性，钢渣混凝土中胶凝材料用量相对较高，对骨料级配要求会更加严格，本试验在前期试验的基础上，配合比胶凝材料用量选用470kg/m3，试验中分别通过调整砂率、胶凝材料中粉煤灰比例、石粉砂占细骨料比例及细石占粗骨料比例改善混凝土级配。试验配合比及试验结果见表 5 及图 1～4。

表 5 试验配合比及试验结果

图 1 砂率对混凝土表观密度影响曲线

图 2 胶凝材料比例对混凝土表观密度影响曲线

图 3 石粉砂占细骨料比例对混凝土表观密度影响曲线

图 4 细石占粗骨料比例对混凝土表观密度影响曲线

表 6 正交试验方案设计 L16 (44)

由表 5 试验结果及图 1～4 可以得出，通过调整混凝土用水量，在满足钢渣混凝土出机坍落度大于 200mm 要求的前提下：钢渣混凝土表观密度随砂率逐渐增大而减小，但和易性随砂率提高而改善，而且由于钢渣表观密度较大，砂率低于普通石灰石骨料混凝土，当砂率达到 38% 时，钢渣混凝土表观密度达到 2760kg/m3，拌合物工作性良好，坍落度基本没有损失；出机混凝土坍落度大于 200mm，钢渣骨料表观密度较大，较石灰石更容易下沉，为保证混凝土拌合物和易性，胶凝材料用量相对较高，钢渣混凝土表观密度随粉煤灰掺量增加先增加后减小，当水泥∶粉煤灰为 360∶110 时，拌合物表观密度最大，和易性较好；砂率相同，钢渣混凝土表观密度随石粉砂占细骨料比例的增加先增加后减小，当取代比例为40% 时，拌合物表观密度最大，为 2770kg/m3，混凝土工作性良好，但是由于石粉砂中石粉含量较高，当石粉砂取代比例过高时，拌合物粘度较大；钢渣表观密度随细石占粗料比例增加先增大后减小，当细石取代比例为 9% 时，钢渣表观密度达到最大，且拌合物工作性良好，易于施工。

2.2 钢渣配重混凝土正交试验分析

根据上述不同因素对钢渣混凝土表观密度的影响试验，正交试验中胶凝材料用量为 470kg/m3，骨料总重量为2100kg/m3，出机坍落度大于 200mm。砂率分别设计取 34%、36%、38%、40%，石粉砂占细骨料比例为 20%、40%、60%、80%，细石占粗骨料比例为 3%、6%、9%、12%。通过调整用水量，保证钢渣混凝土出机坍落度在大于 200mm 的前提下，试验研究水泥、粉煤灰比例、砂率、石粉砂比例、细石取代钢渣比例对钢渣混凝土性能的影响，确定其相互之间的最佳值。结合以上试验，确定每一个参数取四个水平进行正交试验，选取 L16(44) 正交表。以混凝土强度、工作性能、表观密度、干密度作为评价指标，换算成总功效系数，进行综合评价，并进行极差分析。正交试验方案设计及结果分析如表 6 所示。

由表 6 可以直观的看出：

（1）胶凝材料比例的极差为 0.048，最大；石粉砂极差为 0.018，次之；细石比例与砂率极差分别为 0.016 和 0.007。正交试验中极差大小表示对试验结果的影响程度，极差越大则说明该因素对评价指标的影响越明显，因此各因素对混凝土总体性能的影响主次顺序为：水泥粉煤灰比例＞石粉砂比例＞细石比例＞砂率。

（2）随着各不同因素数值的增大，均呈现出先增大后减小的趋势，得出最优方案为 A2B2C3D3，根据试验结果，混凝土出机坍落度 215mm，和易性良好，湿表观密度为2770kg/m3，干密度为 2680kg/m3，28d 抗压强度为 42.6MPa。

3 试验结论

（1）钢渣混凝土表观密度随砂率增加而降低，随粉煤灰掺量、石粉砂比例及细石比例增加均先增大后减小。拌合物工作性能随砂率、粉煤灰掺量和细石掺量增加而改善，流动性能更好。

（2）正交试验分析表明各因素对混凝土总体性能的影响主次顺序为：水泥粉煤灰比例＞石粉砂比例＞细石比例＞砂率，最佳方案为 A2B2C3D3。

[1] 杨波，石林．钢渣混凝土研究现状分析[J]．高新技术，2011(7):11-12．

[2] MOTZ H，CEISELER J．Products of steel slag an opportunity to save natural resources．Waste Management，2001,，21(3):285-293.

[3]杨华明，张广业．钢渣资源化的现状与前景[J]．矿产综合利用，1999(6):35-37.

[4]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．

[5]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．

[6] 张海霞，王龙志，谭文杰．钢渣作为配重混凝土集料的研究[J]．21世纪建筑材料，2011(2):90-92.

[7] WU Shaopeng， XUE Yongjie，YE Qunshan．Utilization of steel slag as aggregates for stone mastic asphalt (SMA) mixtures [J].Building and Environment，2007, 42(7):2580-2585.

［通讯地址］山东济南高新区凤山路山东华森混凝土有限公司 （250101）

Influence of different factors on the performance of steel concrete and orthogonal experiment analysis

Li Xuejin1, Yan Zhenmin2, Zhang Yong3, Xie Huidong3
(1. Jinan Zhangqiu Center for Quality Supervision and Safety in Production of Building Engineering, Shandong Jinan 250200; 2. Jinan Center for Quality Supervision and Safety in Production of Building Engineering,Shandong Jinan 250014; 3. Shandong Huasen Concrete Co. Ltd.,Shandong Jinan 250101)

The influences of binding material, sand ratio, power sand and 5-10mm finger stone on steel concrete bulk density was studied. Orthogonal test was carried out, results show as follows:affect the steel concrete performance of the main facts is the binding material proportion followed by power sand content, 5-10mm finger stone content and sand ratio. Total efficacy coefficient of concrete was first increased and then decreasesd as the different factors numerical increase, the best design project was A2B2C3D3.

steel concrete; bulk density; orthogonal test; efficacy coefficient

李学进（1972－），本科，从事建筑材料检测工作。