钢渣-矿渣混凝土性能的试验

康海鑫 ，张仁巍，陈 琴，田 震 ，陈胜毅

（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004；2.三明学院 工程材料与结构加固福建省高等学校重点实验室，福建 三明 365004）

我国工业在迅速发展过程中产生了大量的工业废料，对环境造成了巨大污染。鼓励加大对工业废弃料的研究及再利用是国家出台的一项环保政策。钢渣是钢铁冶炼的一种副产品，产量大，堆积需要占用大量土地，污染社会和自然环境，因其化学成分与水泥相似因而具有一定的潜在活性[1]，将其作为混凝土掺合料使用成为学术和工程界重要的研究及应用方向[2-3]。有研究表明，钢渣活性是影响混凝土性能的重要因素，活性高低与其所处的条件有很大关系[4-5]。矿渣混凝土具有高强、低水化热以及良好的耐久性能等优点，是一种环境友好型绿色建材[6]，应用前景广阔，其能给钢渣提供的环境条件的复杂程度要高于普通混凝土。目前大多数学者是将钢渣作为普通混凝土的掺合料进行研究，鲜有研究钢渣对矿渣混凝土性能的影响。

因此，为了探讨钢渣在对矿渣混凝土性能的影响情况，本文以粉煤灰为参照，对矿渣混凝土掺入钢渣量后的工作性能、强度、收缩、抗碳化、抗氯离子渗透及收缩等情况进行试验研究，并分析了钢渣掺量对矿渣混凝土的基本力学和耐久性能的影响情况，为其他研究者及工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥：由福建省水泥股份有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为340 m2/kg，28d抗压、抗折强度分别为50.4 MPa和8.9 MPa；细集料：采用天然河砂，属Ⅱ区中砂，其细度模数为2.6，含泥量为1.8%；粗集料：采用5～31.5 mm连续级配的碎石，含泥量为0.6%，针片颗粒含量2%，堆积密度1390 kg/m3；外加剂：由福建建工材料科技开发有限公司生产型号为TW-10的高效性能泵送剂，减水率为18%；矿渣粉：福建省三明精通矿微粉有限公司生产的S95级高炉矿渣粉；粉煤灰品种为F类Ⅱ级，由福建省永安瑞祥粉煤灰科技有限公司生产，其细度为16.8%，需水量比为101%；钢渣粉由福建省三明市鑫胜贸易有限公司生产，其性能参数详见表1。

表1 矿物掺合料技术参数

1.2 试验设计

矿渣混凝土的基准配合比如表2所示，在此基础上，以粉煤灰为参照，钢渣掺量分别为胶凝材料总量的0%、10%、15%和25%加入到矿渣混凝土中，与相对应粉煤灰掺量的矿渣混凝土性能进行比较。

表2 矿渣粉混凝土配合比 单位：kg/m3

1.3 试验方法

力学试验：成型采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试模，标准养护28、56 d；强度测试采用无锡建仪仪器机械有限公司生产的TYE-2000A型压力试验机。

抗裂试验：试件成型采用800 mm×600 mm×100 mm模具，测试采用《普通混泥土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB50082-2009中规定的混凝土早期抗裂试验装置与方法。

碳化试验：成型采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试模，碳化养护采用沧州泰达公路建筑仪器厂生产的混凝土碳化试验箱，用配置好的1%酚酞酒精溶液喷洒在开裂面进行显色反应，测量10个未显色部分作为碳化深度，求平均值。

电通量试验：试件采用直径为100 mm，高度为50 mm的柱形塑料试模成型后振实，标准养护室内养护56 d，试验仪器采用北京首瑞测控技术有限公司生产的RCM-F型多功能混凝土耐久性综合试验仪，在试验装置的阴阳极机玻璃槽内分别放入质量分数为3%的NaCl溶液和0.3 mol/L的NaOH溶液，接上电源后进行6 h试验。

收缩试验：尺寸采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，试模底部覆盖一层塑料布并在表面涂抹两道润滑油，以减少混凝土接触表面的摩擦，保证混凝土自由伸缩变形，试验过程在（20±2）℃，相对湿度为（60±5）%的条件下采用非接触法进行。

2 结果与讨论

2.1 混凝土工作性能

新拌混凝土的工作性能是影响混凝土应用的重要因素，其评价指标主要有混凝土的坍落度、粘聚性和保水性，其中坍落度值可以通过坍落度实验测得，粘聚性及保水性通常由肉眼判断。表3为矿渣混凝土掺入钢渣和粉煤灰后的基本工作性能参数。从表3中可以看出，在本试验的最大掺量范围内，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的落度值呈递增趋势，在掺量为15%至25%时增幅明显，达到最大值200 mm，且粘聚性和保水性良好；钢渣掺入后未能明显改善混凝土的坍落度值，掺量在15%～25%之间不影响混凝土的粘聚性和保水性，也不会破坏矿渣混凝土本身的坍落度值，但是钢渣掺量达到25%时，混凝土的粘聚性和保水性能表现一般。粉煤灰具有众多优点，其“滚珠效应”能够改善混凝土的工作性能[7]，但钢渣不具备该特性，或许这是钢渣掺杂在对混凝土工作性能上表现不如粉煤灰的原因之一。

表3 掺粉煤灰和钢渣的混凝土拌合物性能

2.2 力学性能

图1 钢渣、粉煤灰掺量对混凝土力学性能影响

力学性能是测试是检验混凝土能否实用的基本要求，混凝土抗压强度试验结果及钢渣和粉煤灰掺量对矿渣混凝土的力学性能影响情况如图1所示。从图中可以看出，掺入钢渣的矿渣混凝土28d和56d抗压强度整体比掺入粉煤灰的要低，混凝土强度随粉煤灰掺量先增加后保持不变，随钢渣掺量先增加后降低。与空白组对比，粉煤灰和钢渣掺量都能达到25%，但钢渣的最佳掺量为10%；同为25%掺量情况下，掺钢渣和粉煤灰矿渣混凝土28d分别增长6.4%和13.6%，56d强度分别增长0%和15.5%，说明钢渣对矿渣混凝土后期强度的增幅影响程度弱于粉煤灰。

2.3 耐久性能

2.3.1 抗裂与抗碳化性能

图2为矿渣混凝土单位面积总开裂面积随钢渣、粉煤灰掺量变化的曲线图。从图2得出，在掺量为15%以内时，矿渣混凝土单位面积总开裂面积随钢渣、粉煤灰掺量增加呈交替变化。在10%的掺量条件下，钢渣矿渣混凝土的单位面积总开裂面积值大于粉煤灰矿渣混凝土；掺量达到15%时，粉煤灰矿渣混凝土的单位面积总开裂面积值略大于钢渣矿渣混凝土，但掺量达到25%时，钢渣矿渣混凝土单位面积总开裂面积值显著降低，远低于掺粉煤灰矿渣混凝土。说明在25%的掺量时，相较于粉煤灰，钢渣能够明显改善矿渣混凝土的抗裂性能。

矿渣混凝土的抗碳化能力随钢渣、粉煤灰掺量而变化的情况如图3所示。从图中可以看出，矿渣混凝土28d碳化深度随钢渣掺量增加而增大，随粉煤灰掺量增加先减小后增大，说明粉煤灰在掺量为15%以内时能够改善矿渣混凝土的抗碳化性能，钢渣掺入到矿渣混凝土中后不能改善其抗碳化性能，反而有不利影响，这与大多数学者研究普通钢渣混凝土的结论一致。

图2 粉煤灰、钢渣掺量对抗裂性能的影响

图3 粉煤灰、钢渣掺量对抗碳化性能的影响

2.3.2 抗氯离子渗透能力

图4 粉煤灰、钢渣掺量对电通量性能的影响

抗氯离子渗透能力能够检测混凝土的密实性，是体现混凝土耐久性能优劣的重要参数。试验中通常采用快速扩散法进行检测，电通量法就是其中方法之一。矿渣混凝土电通量值随粉煤灰、钢渣掺量变化情况如图4所示。从图中可以看出，矿渣混凝土中掺入粉煤灰或钢渣后的电通量值随掺量增加而减小，空白组电通量值2585.3 C，掺入25%粉煤灰、钢渣的矿渣混凝土电通量值分别为813.5和1476.7 C，参照混凝土氯离子渗透性能的电通量评判标准[8]可知，纯矿渣混凝土的氯离子渗透性等级为中等，掺量为25%的粉煤灰、钢渣矿渣混凝土氯离子渗透性等级分别为低和很低，说明钢渣和粉煤灰都能改善矿渣混凝土的抗氯离子渗透性能，粉煤灰的改善效果大于钢渣。

2.3.3 收缩能力

通常情况下，硬化初期混凝土内部的毛细孔和凝胶孔充满水分，水泥水化又会消耗水分，随着时间迁移，加上水份蒸发减少，孔隙内失水产生凹液面，对孔隙产生收缩力，致使孔隙收缩，导致混凝土体积收缩，较大的体积收缩容易引起混凝土开裂。粉煤灰和钢渣对矿渣混凝土收缩率性能的影响情况如图5所示。从图中可以看出，矿渣混凝土掺入钢渣的收缩率整体比掺入粉煤灰的要大。与空白组的6.25×10-4收缩率相比，在25%的掺量以内，收缩率随粉煤灰、钢渣的掺量增加而减小；钢渣掺量在15%以内矿渣混凝土收缩率基本不变，当掺量加到25%时收缩率有明显降低，说明钢渣能够改善混凝土的收缩情况。综合考虑掺入钢渣矿渣混凝土力学、抗裂、抗碳化和抗渗透性能，认为矿渣混凝土最佳钢渣掺量为15%。

图5 粉煤灰、钢渣掺量对收缩率性能的影响

3 结论与讨论

（1）与粉煤灰相比，钢渣随着掺量的增加未能明显改善矿渣混凝土的坍落度；钢渣掺量在低于25%时不影响混凝土的粘聚性、保水性和坍落度值，但掺量达到25%时该两种性能表现却一般。（2）掺入钢渣的矿渣混凝土28d和56d抗压强度整体比掺入粉煤灰的要低；与空白组对比，在强度性能表现方面，钢渣掺量能达到25%；同为25%掺量情况下，钢渣对矿渣混凝土后期强度的增幅影响程度弱于粉煤灰。（3）耐久性性能方面，掺钢渣的矿渣混凝土单位面积总开裂面积值显著降低，大大小于掺粉煤灰混凝土，说明钢渣能够改善矿渣混凝土的抗裂性能；矿渣混凝土28d碳化深度随钢渣掺量增加而增大，钢渣不能改善其抗碳化性能；掺入钢渣会降低矿渣混凝土的电通量值，掺量为25%的粉钢渣矿渣混凝土氯离子渗透性等级很低，说明钢渣能改善矿渣混凝土的抗氯离子渗透性能，但改善效果弱于粉煤灰；掺钢渣的矿渣混凝土收缩率比掺粉煤灰的要大，掺量在15%以内的钢渣矿渣混凝土收缩率基本不变，当掺量加到25%时收缩率有明显降低，说明在不影响混凝土收缩的情况下能适当地掺入钢渣。（4）综合考虑掺入钢渣矿渣混凝土力学、抗裂、抗碳化、抗渗透及收缩性能，在本试验的设定的参数范围内，认为矿渣混凝土中的钢渣最佳掺量为15%。