钢渣-石粉混凝土工作性和水泥胶砂力学性能实验研究

田尔布，王逢朝，康海鑫，连跃宗，崔秀琴

（三明学院建筑工程学院，福建三明365004）



钢渣-石粉混凝土工作性和水泥胶砂力学性能实验研究

田尔布，王逢朝，康海鑫，连跃宗，崔秀琴

（三明学院建筑工程学院，福建三明365004）

摘要：利用钢渣微膨胀补偿石粉干缩的思想，复掺钢渣-石粉取代部分水泥进行混凝土工作性和水泥胶砂强度实验。实验结果分析表明：复掺钢渣-石粉增大了混凝土拌合物的坍落度，但混凝土拌合物的黏聚性和保水性会随着石粉掺量增大而变差；因钢渣具有活性，参与后期二次水化反应，3、28 d胶砂强度随着钢渣掺量（25%以内）增加而基本保持不变，而7 d的随着钢渣掺量增加而减少；石粉不具有活性，3、7、28 d胶砂强度随着石粉掺量增加整体呈现下降趋势；复掺钢渣、石粉的3、7、28 d胶砂强度随着复掺掺量增加，整体呈现下降趋势，且随着石粉掺量增加，强度下降趋势明显。

关键词：钢渣；石粉；坍落度；强度

钢渣是钢铁冶炼中排放的废弃物，由于钢渣安定性和易磨性较差，因此钢渣的综合利用率仅20%［1-2］，钢渣粉磨到一定细度时，游离的CaO和MgO被活化，在水泥水化早期就参与反应生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，经水化反应后生成较多的结晶水化物、具有膨胀特性的钙钒石，体积微膨胀；而石粉部分取代机制砂（0～20%）进行混凝土干缩试验，发现干缩率随石粉含量增加完全呈递增趋势［3-5］。对于钢渣和石粉对混凝土性能研究有很多研究［6-10］，但是很少利用钢渣微膨胀补偿石粉带来的干缩的研究还很少，因此本文将先对复掺钢渣-石粉取代部分水泥进行混凝土和水泥胶砂力学性能进行研究，以期对后续研究提供借鉴。

1 试验材料与配合比

1.1 实验材料

（1）水泥

本研究采用红狮牌P.O 42.5型普通硅酸盐水泥，其主要技术指标见表1。

表1 水泥的主要技术指标

（2）粗集料

为福建三明的花岗岩碎石，其物理性能测试结果如表2所示。

表2 粗集料性能测试结果

（3）细集料

本研究细集料为三明沙溪河产的河砂，属中砂，各项指标均符合规范的相关要求，其物理性能测试结果如表3所示。

表3 细集料性能测试结果

（4）钢渣

本实验所用钢渣的生产商为福建福建钢源粉体有限公司，主要化学成分及技术指标见表4。

表4 化学成分及技术指标

（5）石粉

本实验所用的石粉为福建省三明市某公司研磨生产的石粉，45 μm方孔筛筛余量10%，其主要化学成分及技术指标见表5。

表5 化学成分及技术指标

1.2 配合比

用于测试钢渣、石粉交叉掺量混凝土坍落度的配合比见表6。用于测试钢渣、石粉交叉掺量混凝土胶砂强度的配合比见表7。

表6 钢渣、石粉交叉掺量混凝土坍落度的配合比

表7 钢渣、石粉交叉掺量混凝土胶砂强度的配合比

2 实验与实验结果与分析

2.1 坍落度试验

根据相关的规范，在混凝土搅拌均匀后进行坍落度试验，实验结果见表8和图1。从表8和图1可以看出，随着石粉和钢渣总掺量增加，整体呈出增大趋势，而黏聚性和保水性却呈现变差趋势。从比表面积上分析，因为石粉的比表面积（320 m2/kg）略小于水泥（380 m2/kg），石粉可起到填充作用，减少使颗粒间的空隙，降低空隙水量，增加自由水量，进而增大了混凝土拌合物的流变性能，故随着石粉取代水泥质量的增加，混凝土的坍落度不断增大。同时因为石粉的吸附水能力较水泥差，致混凝土拌合物的黏聚性和保水性会随着石粉掺量增大而变差。

表8 坍落度实验结果

图1 石粉-钢渣交叉掺量混凝土的坍落度变化曲线

2.2 强度试验

2.2.1 单掺钢渣粉对胶砂强度的影响

单掺钢渣粉对胶砂强度的实验结果见表9，图2、图3为钢渣掺量和时间对胶砂抗压、抗折强度的影响曲线。

表9 单掺钢渣胶砂强度

图2 钢渣掺量对抗压强度的影响

图3 钢渣掺量对抗折强度的影响

由表9和图2可以看出，随着钢渣增加，胶砂3 d抗压强度整体呈现先增大后减小趋势，但是变化不明显，7 d抗压强度却呈现整体下降趋势，而28 d的呈现先增大后减小，最后相对持平。从图2可以看出，钢渣掺量10%左右，对胶砂强度影响开始产生突变。由于钢渣对参与早期水化几率较低，胶砂强度主要由水泥产生，因此3 d的胶砂强度随着钢渣掺量变化影响不大；而7 d胶砂强度，由于钢渣掺量增加，减少了中期水化的水泥，从而导致胶砂强度下降；由于钢渣参与了二次水化反应，胶砂28 d后期强度整体上与空白组相当，甚至更高。同样，由图3可以看出，胶砂抗折强度随着钢渣掺量增加整体上表现出与其抗压强度相近的规律。

2.2.2 单掺石粉对胶砂强度的影响

单掺石粉对胶砂强度的实验结果见表10，图4、图5为石粉掺量和时间对胶砂抗压、抗折强度的影响曲线。

表10 单掺石粉胶砂强度

图4 石粉掺量对抗压强度的影响

图5 石粉掺量对抗折强度的影响

由表10和图4可以看出，胶砂3 d、7 d、28 d抗压强度随着石粉掺量增加，整体呈现下降趋势。从图4中可以看出，3 d、7 d、28 d胶砂抗压强度下降的趋势是逐渐增大，主要因为石粉没有活性，其不参与二次水化反应，仅仅起填充效应作用，不像钢渣参与水泥中后期二次水化反应，且3 d胶砂中水泥主要进行了一次水化作用，而7 d、28 d胶砂中水泥一次、二次水化均起重要贡献，所以石粉掺量越大，二次水化作用效果就越差。因此，3 d、7 d、28 d胶砂抗压强度下降的趋势随着石粉掺量增大而增大。同理，由图5可以看出，胶砂抗折强度随着石粉掺量增加整体上表现出与其抗压强度相近的规律。

2.2.3 复掺钢渣、石粉对胶砂强度的影响

复掺钢渣、石粉对胶砂强度的实验结果见表10，图6、图7为复掺掺量和时间对胶砂抗压、抗折强度的影响曲线。

表11 复掺钢渣、石粉胶砂强度

图6 石粉、钢渣掺量对抗压强度的影响

图7 石粉、钢渣掺量对抗折强度的影响

由表11和图6可以看出，复掺钢渣、石粉的胶砂3、7、28 d抗压强度随着复掺掺量增加，整体呈现下降趋势；图6中，在石粉掺量较小（5%）范围内，由于钢渣参与二次水化作用，胶砂后期强度随着钢渣掺量增大而增大，但是随着石粉掺量增大，胶砂强度不管是早期3 d还是中后期7、28 d均处于下降趋势，且28 d胶砂强度持续快速下降的。其中，掺量（石粉：钢渣=10.0∶7.5）至（石粉：钢渣=12.5∶12.5）时，图6中抗压强度基本没有变化，这主要由于增加5%钢渣掺量对强度有利的贡献抵消石粉不利贡献。同理，图7所示，胶砂抗折强度随着复掺钢渣、石粉掺量增加整体上表现出与其抗压强度相近的规律。

3 结论

在水泥混凝土拌合物中，石粉可起到填充作用，减少使颗粒间的空隙，降低空隙水量，增加自由水量，增大了混凝土拌合物的坍落度，同时因为石粉的吸附水能力较水泥差，致混凝土拌合物的黏聚性和保水性会随着石粉掺量增大而变差。

水泥中3 d早期基本不进行二次水化反应，钢渣参与后期二次水化反应，因而3 d的胶砂强度随着钢渣掺量变化影响不大，7 d胶砂强度随着钢渣掺量增大而下降，28 d胶砂后期强度整体上基本不变，甚至更高。而石粉没有活性，3、7、28 d胶砂强度随着石粉掺量增加，整体呈现下降趋势。

复掺钢渣、石粉的3、7、28 d胶砂强度随着复掺掺量增加，整体呈现下降趋势，且随着石粉掺量增加，强度下降趋势明显。

参考文献：

［1］吴蓬，梁志强，吕宪俊.钢渣粉的胶凝性能及活化研究进展［J］.中国粉体技术，2015（4）∶80-84.

［2］张劲，陆文雄，王雪，等.钢渣的利用及其应用研究进展［J］.粉煤灰综合利用，2014，02∶46-50.

［3］涂昆，刘家祥，邓侃.钢渣粉和钢渣水泥的活性及水化机理研究［J］.北京化工大学学报（自然科学版），2015（1）∶62-68.

［4］邢琳琳.钢渣稳定性与钢渣粗骨料混凝土的试验研究［D］.西安∶西安建筑科技大学，2012.

［5］姚楚康.石粉特性对混凝土性能的影响研究［D］.武汉∶武汉理工大学，2014.

［6］蔡基伟.石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究［D］.武汉∶武汉理工大学，2006.

［7］Zhang Tongsheng，Yu Qijun，Zhang Jiangxiong，et aL. Preparation of high performance bLended cements and recLamation of iron concentrate from basic oxygen furnace steeL sLag［J］. Resources，Conservation & RecycLing . 2011，56（1）∶48-55.

［8］Yi Huang，Xu Guoping，Cheng Huigao，et aL. An overview of utiLization of steeL sLag［J］. Procedia EnvironmentaL Sciences. 2012，16（4）∶791-801.

［9］田尔布，刘奋醒，张仁巍.粗集料骨架结构的高强混凝土工作性研究［J］.公路，2011（10）∶162-165.

［10］蔡琪瑛.磨细钢渣粉对水泥混凝土性能影响的研究［J］.混凝土与水泥制品，2012（5）∶5-8.

（责任编辑：叶丽娜）

An Experimental Study on Steel Slag-stone Powder Concrete Workability and Cement Mortar Mechanical Properties

TIAN Erbu，WANG Fengchao，KANG Haixin，LIAN Yuezong，CUI Xiuqin

（SchooL of Architecture and CiviL Engineering，Sanming University，Sanming，Fujian 365004）

Abstract:Referencing the ideoLogicaL of sLag expansion compensating micro powder shrinkage，test the concrete workabiLity and mortar strength mixed with steeL sLag-powder to repLace part of the cement. SteeL sLag-stone powder increases the sLump of concrete mixture，but concrete mixture cohesiveness and water retention wiLL deteriorate with increasing stone powder content；The steeL sLag participates post-secondary hydration reaction because of its active properties，and 3，28 d mortar strength substantiaLLy unchanged with steeL sLag content（Less than 25%）increased，but 7 d mortar strength decreases with the steeL sLag content increasing；3，7，28 d mortar strength show a downward trend with stone powder dosage increase because it does not have an active；3，7，28 d mortar strength show overaLL downward trend with compLex mixed content increases，and the strength decreased significantLy with the stone powder content increases.

Key words:steeL sLag；stone powder；sLump；strength

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1674-2109（2016）03-0067-05

收稿日期：2016-01-08

基金项目：福建省教育厅科技项目（JA12307）；福建省科技厅重点项目（2013Y0076）；福建省自然科学基金指导性计划项目（2012D125）；福建省自然科学基金（2015J01646）；三明学院科研发展基金（B201302/G）。

作者简介：田尔布（1981-），男，汉族，讲师，主要从事结构工程（混凝土结构）研究。