复掺钢渣细集料混凝土力学及耐久性研究

张忠哲　姬永生　徐之山　高芙蓉　马明明

摘 要：以C60普通混凝土为基准，将部分细集料采用钢渣进行替换，胶凝材料由不同比例的矿物掺合料复掺代替，组成复掺钢渣细集料混凝土。通过对复掺钢渣细集料混凝土与基准混凝土强度的比较，将强度优选组与基准混凝土进行抗侵蚀及抗冻性能的测试。结果表明：延长复掺钢渣细集料混凝土的养护时间，可以提高其抗压性能;普通混凝土与复掺钢渣混凝土强度优选组，在6个月硫酸盐与镁盐侵蚀条件下的抗折、抗压侵蚀系数均大于0.8;强度优选组中抗冻性能可达到F150的要求，而GFKS-1则可以满足F200的要求。

关键词：钢渣;矿物掺合料;抗压强度;耐久性

中图分类号：TU528.41   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.025

Study on Mechanics and Durability of Concrete Mixed with Steel Slag Fine Aggregate

ZHANG Zhongzhe， JI Yongsheng， XU Zhishan， GAO Furong， MA Mingming

（Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering，

China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract： This article based on C60 ordinary concrete. Part of the fine aggregate was replaced by steel slag， and the cemented material was replaced by different proportions of mineral admixture to form a composite steel slag fine aggregate concrete. By comparing the strength of the composite slag fine aggregate concrete with the reference concrete， the strength preferred group and the reference concrete were tested for corrosion resistance and frost resistance. The results show that the curing time of the composite steel slag fine aggregate concrete can be prolonged， and the compressive performance can be improved. The strength of ordinary concrete and composite steel slag concrete is better， and the flexural and anti-resistant under the condition of 6 months of sulfate and magnesium salt erosion The pressure erosion coefficient is greater than 0.8; the frost resistance of the strength group can meet the requirements of F150， while the GFKS-1 can meet the requirements of F200.

Key words： steel slag; mineral admixture; compressive strength; durability

我國钢渣每年产量8 000万t，而转化率仅为20%[1]，因而钢渣的资源化利用成为亟待解决的难题。由于钢渣中富含活性玻璃质化学成分[2]，且含有SiO2、Fe2O3、C2S、C3S等与硅酸盐熟料相似的活性矿物成分[3-4]，有利于提高胶结充填体强度[5]，其胶凝活性也与水泥相差无几[6]，所以很多学者尝试将钢渣用于工程领域。

相关研究表明：钢渣的细集料与界面结构的黏结力较大，能提升混凝土抗压强度、耐水性和抗冲磨强度[7-8];钢渣掺入沥青混凝土，对其高温稳定性、劈裂强度、水稳定性和耐磨性的提升是有利的[9-11];再生骨料中掺加适宜比例的钢渣粉，可提升混凝土的工作性能，如在提高抗压强度、降低胶凝材料的早期水化热等方面[12-13];采用钢渣作为混凝土的集料可使混凝土界面过渡区得以改善，提高所配制的混凝土的抗压强度[14]。

在前期众多专家对钢渣混凝土研究的基础上，笔者将钢渣粉与矿物掺合料复掺，并将钢渣集料与天然砂混合使用，对钢渣混凝土抗压性能和耐久性进行研究，从而为钢渣的资源化利用提供参考。

1 试验材料

（1）水泥。P.O 42.5R级普通硅酸盐水泥，其物理性能、化学成分和混合材掺量分别见表1～表3。

（2）钢渣粉、粉煤灰、矿渣粉。钢渣粉经过长期静置陈化处理，使得游离氧化钙（f-CaO）的含量满足规范要求，并将其作为研磨源，研磨后的粉体密度为3.37 g/cm3，比表面积为425～500 m2/kg，安定性达到规范要求;粉煤灰的密度为2.40 g/cm3，Ⅰ级，比表面积为446±5 m2/kg，烧失量为2%;矿渣粉的密度为2.93 g/cm3，S95级，比表面积为400±5 m2/kg。

（3）细集料。本试验选用天然砂和经过陈化处理后0.16～5 mm的钢渣作为细集料，物理性能指标见表4。

（4）粗集料。本试验选用粒径为5～20 mm、级配良好的卵石作为粗集料。粗集料的物理性能指标见表5，级配分布见表6。

2 钢渣混凝土抗压性能试验研究

（1）参考《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）配置一组C60的基准混凝土。根据张忠哲等[15]的研究（具体比例见表7），确定矿物掺合料复掺比例，并参考韩艳丽等[16]和刘攀[17]的研究成果，确定钢渣细集料的替换率为50%，对基准混凝土进行相应调整后，建立的配合比见表8。

（2）根据表8所列配合比制作100 mm×100 mm×100 mm的混凝土抗压强度试件，并参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）进行试验;制作100 mm×100 mm×400 mm的混凝土冻融循环试件，并参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）进行试验;制作40 mm×40 mm×160 mm的混凝土抗侵蚀试件，参照《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》（GB/T 749—2008）中的K法，进行试验。

普通混凝土及复掺钢渣细集料混凝土的试验结果见表9和图1，可以看出：

（1）钢渣粉和粉煤灰复掺时，混凝土在各养护龄期的整体强度随着粉煤灰掺量的增加而下滑，当钢渣粉和粉煤灰的复掺比例为2∶1时，其强度为该组强度最优异的，在选择钢渣粉与粉煤灰复掺比例时应控制替换水泥量不超过30%，两者比例应为2∶1。

（2）钢渣粉和矿渣粉复掺时，3 d期龄的抗压强度会随矿渣粉掺量的增多逐步降低;而从7～56 d期龄的抗压强度可以看出，当钢渣粉和矿渣粉掺量为1∶1时，其强度为该组强度最高的，所以钢渣粉和矿渣粉的最优比例为1∶1，钢渣粉和粉煤灰的混合掺量不宜超过40%。

（3）钢渣粉、粉煤灰和矿渣粉复掺时，随着替换总量的增加，复掺钢渣细集料混凝土的抗压强度降低，并且掺量相同时，随着矿渣粉的减少，抗压强度下降。而在56 d养护龄期时，钢渣粉、粉煤灰和矿渣粉复掺比例为2∶1∶1时抗压强度最高。

（4）从整体上看，复掺钢渣细集料混凝土随着养护龄期的增加，其抗压强度不断提升，在56 d龄期时均已大幅度提升，在合理搭配下其强度可以超过普通混凝土抗压强度。

钢渣细集料表面坚固多孔，易与天然集料结合形成“齿轮咬合力”，增加集料间相互支撑。胶凝材料在水化过程时，渗入到钢渣细集料孔洞的会令钢渣细集料与天然集料更好地包裹在一起，增强钢渣混凝土的“锚固效应”。钢渣粉摻入到混凝土当中，混凝土的强度较普通混凝土要低。这是因为与水泥相比，钢渣粉的水化速率和强度发展均较慢[18]，且矿物掺合料替换量较大，在早期强度和特性方面水化效果不如普通混凝土，造成钢渣混凝土较普通混凝土强度略低。

3 复掺钢渣细集料混凝土抗侵蚀性能研究

结合复掺钢渣细集料混凝土抗压强度试验得出的结论，矿物掺合料复掺钢渣混凝土的力学性能表现较为出色，故将各复掺组中的强度优选组作为此次抗侵蚀试验的研究对象，结合冯勇等[19]的研究，将SO2-4的含量确定为8 000 mg/L，Mg2+确定为3 000 mg/L。将28 d标准养护的试件，分类放置于两种侵蚀溶液及淡水中，试验确定相应龄期试块的抗折、抗压侵蚀系数。试件抗侵蚀性能达到破坏的标志为：每组试块的计算结果K蚀≤0.8[20]。将复掺钢渣细集料混凝土中强度优选组与普通混凝土放在相应浓度的SO2-4、Mg2+和淡水溶液中，对试验所得抗折、抗压强度数据与侵蚀系数进行整理得到表10和图2。

（1）从整体上看：经过6个月硫酸盐及镁盐的侵蚀，普通混凝土与复掺钢渣细集料混凝土强度优选组的抗折、抗压侵蚀系数随着养护龄期的增加，其数值均超过0.8的标准值，可见处于0.29这一低水胶比情况下，混凝土密实度的提高使得混凝土抗侵蚀性能有很大的提升。可见，为保证混凝土的抗侵蚀性能，应该适当降低水胶比。

（2）采用低水胶比，并结合矿物掺合料的填充效应和微集料效应，混凝土内部微小孔洞封闭，混凝土整体的密实度得以改善，这就使得裹覆侵蚀介质的水难以进入混凝土中[21]。在整个胶凝材料中，矿物掺合料的替换，使得水泥的掺入量降低，抑制了CH的产生。将水泥水化产生的CH反应转化为C-S-H改善了过渡层的性质，其填充作用对降低过渡层孔隙率有相应帮助[22]。混凝土界面过渡区的密实度提高，使得侵蚀介质难以大量填充其中造成膨胀破坏。而在未水化之前水泥的物理堆积密实度的完善，更加对混凝土内部密实度提高有着明显作用。复掺钢渣细集料混凝土中界面过渡区的紧密堆积使得薄弱区域的物理架构更加坚固，并伴随胶凝材料二次水化反应的进行，其产物与SO2-4、Mg2+进行反应填充内部孔洞，令内部结构更加紧密，环境中的侵蚀介质不能顺畅地从外部进入内部，避免了大量钙矾石（Aft）、单硫型水化硫铝酸钙（AFm）和Mg（OH）2的生成，从而使得混凝土内部产生微裂缝的概率得以降低，增强了混凝土的抗侵蚀性能[23-24]。

4 复掺钢渣细集料混凝土的抗冻性能测试

对复掺钢渣细集料混凝土中的强度优选组进行抗冻性能检测，将试件进行28 d标准养护后，放入冻融试验机进行测试。每相邻50次循环周期，对试件进行动弹性模量和质量损失的记录。当试验满足下列条件之一时结束试验：①当试件的相对动弹性模量降低至60%或质量损失率超过5%;②循环次数达到200次。

试件进行冻融循环的数据见表11～表13和图3、图4，可以看出：

（1）复掺钢渣细集料混凝土强度优选组的抗冻性能均能实现F150的要求。GFKS-1在经过200次冻融循环后，依然确保质量损失率没有超过5%，相对动弹性模量为60.9%，能够满足F200要求，其他各组则不能满足要求。

（2）毛细孔中的水会在温度降低后受冻结冰，从而导致体积膨胀，伴随着扩展孔隙或者多余水的排出，而这一过程产生压力将会导致试件的破坏[25]。而级配的合理选择，使得复掺钢渣细集料混凝土内部集料之间的孔隙得以优化，毛细孔的数量得以降低，而其造成的破坏也会减弱。

矿物掺合料的加入使得多余的水分和CH反应生成C-S-H，使得集料附近的胶凝材料含量提高，增加了集料与基体的胶结能力，同时使得孔隙率也随之降低[26]。混凝土内部的密实度决定了混凝土内部渗透性的好坏，渗透性对于水分迁移的渗透压力和冰冻前临界饱和度的控制起主要影响[27-28]。矿物掺合料的形态效应、微集料效应和二次水化反应的复合叠加，使得混凝土内部密实度得到改善，渗透性得以提升，由此对混凝土的抗冻性产生积极作用。

5 结 语

（1）复掺钢渣细集料混凝土在养护时间延长时，可以提高其抗压强度。钢渣混合集料混凝土加入钢渣粉和粉煤灰的最优比例为2∶1，钢渣粉和矿渣粉的最优比例为1∶1，钢渣粉、粉煤灰和矿渣粉的最优比例为2∶1∶1。

（2）普通混凝土与复掺钢渣细集料混凝土强度优选组，在6个月硫酸盐及镁盐侵蚀条件下的抗折、抗压侵蚀系数均大于0.8。从中可以看出，在侵蚀条件下降低水胶比对混凝土的抗侵蚀性能有很大帮助，而矿物掺合料的加入，对于混凝土内部侵蚀物质的形成有抑制作用，能够进一步改善混凝土的抗侵蚀性能。

（3）普通混凝土在历经150次冻融循环时，动弹性模量下降到59.4%。而复掺钢渣细集料混凝土强度优选组抗冻性均能满足F150的要求，而GFKS-1则能够达到F200的要求。在矿物掺合料合理搭配的情况下，对于混凝土的抗冻性更加有利。

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【责任编辑 崔潇菡】

收稿日期：2018-09-29

基金项目：国家自然科学基金面上项目（51972337）

作者简介：张忠哲（1991—），男，吉林四平人，博士研究生，主要从事新型土木工程材料研究工作

E-mail：zhangzzhaos@163.com