钢渣微粉路面混凝土流动性及力学性能分析

田尔布，康海鑫 ，庄赞鹏

（1.三明学院 建筑工程学院，三明市 365004；2.福建省工程材料与结构加固重点实验室，三明学院，三明市 365004；3.三明市公路养护中心，三明市 365001）

根据国家统计局数据，2020年我国粗钢产量10.53亿t，居世界第一。钢铁工业的迅猛发展导致钢渣的排放量逐年增长，钢渣产量是粗钢产量的8%～15%，我国目前的钢渣储量已经超过2亿t[1]。

钢渣是炼钢过程中的一种副产品。钢渣具有与水泥熟料相似的矿物组成成分及化学成分，致使其具有一定的胶凝活性[2-3]，但是钢渣中存在的游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）会严重影响钢渣的体积安定性[4-5]，且钢渣中含有不易被研磨的铁和铁矿物，影响其活性作用，在混凝土工程上较少被使用。随着炼钢技术的发展，可以通过不同方法：热泼法、滚筒法、风淬法、热闷法等[6-8]等消除钢渣安定性问题，同时结合磁选技术使得钢渣中的铁质含量大大下降，这样就能让钢渣的活性得以提高。

钢渣颗粒作为骨料在路面基层进行过应用[4,9]，但是工程中易出现安定性问题，效果不佳。任新涛、宋凯强利用莱钢、日钢钢渣微粉进行复掺粉煤灰、矿渣两种掺合料进行路用性能试验，且对钢渣微粉的活性、流动性等进行相关研究，无法直接说明钢渣微粉对水泥净浆及路面混凝土的性能影响[10-11]；而孙家英利用宝钢的钢渣微粉进行市政道路路用性能研究，其钢渣微粉未进行热焖磁选，钢渣的活性、比表面积等特性与经过热焖磁选钢渣有很大的差异[12]。

因此本文利用热焖磁选后的钢渣微粉作为活性掺合料等量取代部分水泥，研究其在路面混凝土的工作性能及力学性能。

1 试验原材料与配合比设计

1.1 水泥

水泥为福建省三明市的金牛牌P.O42.5普通硅酸盐水泥。其主要技术指标及其化学成分见表1～2，符合国家标准GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

表1 水泥主要技术指标

表2 金牛牌P.O42.5水泥化学成分

1.2 钢渣

钢渣为经过热闷磁选的福建三钢（集团）有限责任公司的钢渣。钢渣的主要技术指标及其化学成分见表3～4，钢渣微粉活性指数达到二级。

表3 钢渣的主要技术指标

表4 钢渣的化学组成成分

1.3 细集料

天然河砂，属Ⅱ区中砂，细集料的主要技术指标见表5。

表5 细集料的主要技术指标

1.4 粗集料

粗集料为：粒径5～10 mm、10～31.5 mm的碎石混合成粒径5～31.5 mm连续级配的碎石，粗集料的主要技术指标见表6。

表6 粗集料的主要技术指标

1.5 水

自来水。

1.6 减水剂

减水剂为聚羧酸系型高效减水剂，减水率为35%。根据GB/T 8077—2012《混凝土外加剂均质性试验方法》、GB 8076-2008《混凝土外加剂》的试验方法得到聚羧酸系型高效减水剂的主要的技术指标，见表7。

表7 聚羧酸系型高效减水剂的主要技术指标

1.7 配合比设计

混凝土配合比设计满足JGJ 55—2019《普通混凝土配合比设计规程》进行钢渣水泥混凝土的配合比设计，本文钢渣微粉依次采用0%、10%、15%、20%等质量百分比掺量替代水泥，混凝土配合比的设计结果见表8。

表8 混凝土配合比的设计结果

2 工作性能

2.1 钢渣微粉对水泥净浆流动度的影响

钢渣微粉掺量与减水剂掺量直接影响了混凝土的和易性。减水剂的掺量可以通过水泥净浆流动度试验进行确定。根据GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》，以水泥质量为基准，钢渣微粉掺量为0%、10%、15%、20%，减水剂的掺量分别为：0%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%、1.3%、1.5%、1.7%、1.8%、1.9%。 不同掺量下的水泥净浆流动度的试验结果如图1所示。

图1 不同钢渣微粉掺量的水泥净浆流动度

由图1可知，不论钢渣微粉的掺量为多少，水泥净浆流动度随着聚羧酸系型高效减水剂的增加整体呈上升的趋势，最终趋于平缓。钢渣微粉掺量的不同，水泥净浆流动度达到最大值的减水剂掺量也明显不同，分别为：1.1%、1.3%、1.5%、1.5%。说明随着钢渣微粉掺量增加，净浆的流动性减小，主要是因为钢渣微粉的比表面积大于水泥的比表面积，钢渣微粉颗粒比水泥更细，需水量更大，需要有更多憎水性功能团分散钢渣微粉颗粒，因此要掺加更多的减水剂。为了保证减水剂掺量足够量，钢渣微粉掺量控制在20%以内，高效减水剂掺量均取1.5%，所有试验均能达到最大的流动度。

2.2 钢渣微粉对混凝土拌合物坍落度的影响

根据试验，记录混凝土拌合物在不同的钢渣微粉掺量下的坍落度数据，具体试验结果见表9、图2。

表9 各组混凝土拌合物的坍落度数值

图2 混凝土拌合物坍落度随时间变化的曲线

由图2可知，混凝土拌合物坍落度均随着时间增加呈下降趋势。但是随着钢渣微粉掺量增加，混凝土拌合物坍落度却呈现先减小后增大、再减小趋势，且钢渣微粉掺量为15%和20%的坍落度均大于掺量为10%的相应坍落度，钢渣微粉掺量为10%的混凝土拌合物坍落度最小。由于钢渣微粉的比表面积比水泥的大，在等量取代水泥情况下，拌合物需水量会随着钢渣微粉掺量增加而增大；在拌合物用水量一定的情况下，拌合物的坍落度就逐渐下降；当钢渣微粉掺量超过10%时，由于钢渣中玻璃体微珠（钢渣在急剧降温、热焖、磁选研磨生产过程中，会形成一定量玻璃体微珠）数量足够多时，起到促进拌合物流动作用，导致拌合物坍落度增大；随着钢渣微粉掺量超过15%时，因钢渣微粉比表面积大，拌合物需水量增大，玻璃体微珠起到流动性下降作用，促使了拌合物流动性又开始下降。

3 力学性能

3.1 试验

根据（JTG 3420—2020）《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》规定，制作标准尺寸150 mm×150 mm×150 mm立方体试块和标准尺寸150 mm×150 mm×550 mm菱柱体试块，进行标准养护与测试；并按照 （JTG3450—2019）《公路路基路面现场测试规程》在水泥混凝土路面现场取标准尺寸φ150×150mm圆柱劈裂抗拉强度芯样，按照标准方法进行养护与测试。

3.1 抗压强度及抗弯拉强度的试验结果与分析

混凝土立方体抗压强度试验及混凝土菱柱体抗弯拉强度试验的结果见表10。

由表10可知，混凝土抗压强度在不同的钢渣微粉掺量条件下整体呈现下降的趋势。抗压强度均大于50 MPa，抗弯拉强度均大于5.0 MPa，满足“极重、特重、重”级交通荷载等级要求。虽然随着钢渣微粉掺量增加，抗弯拉强度最大下降了11%，但是混凝土抗压和抗弯拉强度均能满足要求，主要是因为钢渣微粉参与水泥的二次水化反应，致使混凝土后期强度补强发挥了作用。

3.2 劈裂抗拉强度的试验结果与分析

取芯样并进行路面混凝土抗劈裂试验，试验结果见表11、图3。

从表11可以看出，相同掺量钢渣微粉混凝土的劈裂抗拉强度随着龄期增长而增长，在28d龄期时，劈裂抗拉强度均大于等于5.0 MPa，与表10的实验室试验结果相比，差异很小，说明室内外的试验结果相符。从图3可知，钢渣微粉掺量为0%、20%的曲线斜率明显大于掺量为10%、15%的曲线斜率，且掺量20%的曲线明显低于其他掺量的曲线，说明钢渣钢渣微粉掺量超过15%后，钢渣微粉的活性指数较低，仅达到二级，不仅影响混凝土早期劈裂弯拉强度产生，还影响后期的强度增长；从水化反应上，说明只有部分钢渣微粉参与二次水化反应，直接影响混凝土后期的强度增长。

表10 不同钢渣微粉掺量的混凝土抗压抗弯拉强度

表11 混凝土劈裂抗拉强度值

图3 不同钢渣微粉掺量的混凝土劈裂抗拉强度

4 结论

通过钢渣微粉取代水泥进行水泥净浆流动性实验、混凝土流动性、力学性能及试验路取芯劈裂弯拉等实验的测试与分析，可得如下结论：

1、钢渣微粉活性指数为二级；钢渣微粉掺量为20%以内时，高效减水剂掺量取1.5%，水泥净浆流动性均能达到最大。

2、随着钢渣微粉掺量增加，混凝土拌合物坍落度却呈现先减小后增大、再减小趋势，钢渣微粉掺量为10%的混凝土拌合物坍落度最小。

3、在钢渣微粉掺量20%内，路面混凝土力学性能达到“极重、特重、重”级交通荷载等级要求；钢渣微粉掺量超过15%后，只有部分钢渣微粉参与二次水化反应，不仅影响混凝土早期劈裂弯拉强度产生，还影响后期强度增长，建议钢渣微粉的最佳掺量为10%～15%。