钢渣骨料在混凝土中的应用研究

张冠军

钢渣是炼钢过程中产生的以硅酸二钙、硅酸三钙为主要成分的熔融物经冷却后得到的炼钢副产物。钢渣一般呈松堆状态，比较坚硬，主要含有SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO 等化学成分。研究表明，钢渣可以作为混凝土中砂石骨料的替代品，以钢渣作骨料的混凝土的许多性能都优于砂石骨料混凝土。笔者以钢渣作粗、细骨料配制混凝土，研究钢渣骨料对混凝土强度及抗冻融、抗渗、抗收缩性能方面的影响，为钢渣混凝土的实际应用提供理论依据。

1 试验原料

1.1 水泥

选用P·O42.5水泥，其物理性能见表1。

表1 P·O42.5水泥物理性能

1.2 粉煤灰

选用Ⅱ级粉煤灰，45μm筛筛余为18.8%。

1.3 矿渣粉

选用S95级矿渣粉。

1.4 细骨料

机制砂：石灰石破碎制砂，颗粒粒径＜5mm。

钢渣人工砂：钢渣破碎筛分，颗粒粒径＜5mm。

细骨料物理性能见表2，累计筛余见表3。

表2 细骨料物理性能

表3 细骨料累计筛余

1.5 粗骨料

钢渣粗骨料：陈化3 个月以上的钢渣破碎颗粒。粗骨料物理性能见表4，不同粒径分级筛余见表5，钢渣粗骨料压蒸粉化率检测结果见表6，钢渣混凝土体积稳定性试验芯样试件检测结果见表7。

表4 钢渣粗骨料物理性能

表5 不同粒径钢渣粗骨料分级筛余

表6 钢渣粗骨料压蒸粉化率检测结果

表7 钢渣混凝土体积稳定性试验芯样试件检测结果

经压蒸粉化率试验检测，钢渣粗骨料粉化率为5.70%；沸煮后的钢渣混凝土薄片试件及芯样试件均未出现开裂、疏松或崩溃等现象，芯样试件强度损失率为10.4%，合格。上述检测结果表明，钢渣骨料混凝土体积稳定性合格，钢渣可作为粗、细骨料配制混凝土。

1.6 外加剂

采用高效聚羧酸减水剂。

1.7 拌合水

采用自来水拌合。

2 实验方法及结果分析

用钢渣作为粗、细骨料配制混凝土，研究不同配合比下的钢渣粗、细骨料对混凝土强度、抗冻融、抗渗、抗收缩性能的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）微观分析方法，测试分析钢渣混凝土的微观形貌。表8为采用钢渣作粗、细骨料配制钢渣混凝土的配合比。

表8 采用钢渣作粗、细骨料配制钢渣混凝土的配合比

2.1 钢渣的化学成分分析

图1为钢渣X射线衍射分析图。由图1可以看出，钢渣成分中含有硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸钙等与水泥熟料类似的化学成分，在碱性环境下会产生一定的胶凝活性，有利于混凝土强度的后期发展。将钢渣应用于混凝土中，能够改善骨料—水泥石界面结构。

图1 钢渣X射线衍射分析图

2.2 钢渣混凝土强度及和易性分析

图2～图4 为不同原料配制的混凝土不同龄期的强度对比。由图2～图4可以看出，钢渣混凝土与普通混凝土各龄期强度相差不大，甚至优于普通混凝土强度。在砂率和矿物掺合料相同的前提下，掺加粉煤灰配制的水泥混凝土各龄期强度均低于掺加矿渣粉配制的水泥混凝土，但和易性优于掺加矿渣粉配制的水泥混凝土拌合物。混凝土的强度均随掺合料比例的增加而降低。用机制砂、石灰石等体积取代钢渣粗、细骨料配制的普通混凝土的和易性明显低于用钢渣骨料配制的混凝土，拌合物存在发散情况。

图2 不同原料混凝土7d抗压强度对比

图4 不同原料混凝土60d抗压强度对比

2.3 钢渣混凝土抗冻融、抗渗性能分析

表9为不同矿物掺合料钢渣冻融、抗渗试验结果。由表9 可以看出，采用钢渣粗、细骨料配制的钢渣混凝土经50 次冻融循环后，质量损失率均较低，基本无损失，经100次冻融循环后，质量损失率也没有明显增大，试块整体完整，没有破损情况。

由表9还可以看出，经50次和100次冻融循环后的粗、细骨料钢渣混凝土强度损失率均随原料及砂率的变化而呈现不同的变化规律，这说明即使在冻融情况下，利用钢渣作粗、细骨料的钢渣混凝土的强度仍有不同程度的发展，与普通混凝土的强度发展类似，甚至优于普通混凝土的发展。用钢渣作粗、细骨料配制的钢渣混凝土在矿物掺合料相同的情况下，不同砂率的混凝土渗透高度均随砂率的增大而略有增大。

表9 不同矿物掺合料钢渣冻融、抗渗试验结果

2.4 钢渣混凝土抗收缩性能分析

表10为不同矿物掺合料钢渣混凝土收缩对比试验结果。如表10所示，用钢渣作粗、细骨料配制的钢渣混凝土的各龄期收缩率均高于普通混凝土的收缩率。分析可知，钢渣的高吸水率使混凝土早期收缩率略高，但钢渣的“微膨胀”作用可抵消混凝土后期的部分收缩，因此，钢渣混凝土后期的收缩率相对较小。同时，钢渣细骨料因“粉料”过多，需水量较大，使得钢渣混凝土收缩率比普通混凝土大。

表10 不同矿物掺合料钢渣混凝土收缩对比试验结果

2.5 钢渣混凝土微观结构形貌分析

图5为采用钢渣作粗、细骨料配制混凝土试样水化60d的SEM测试结果。

图3 不同原料混凝土28d抗压强度对比

从图5可以看出，钢渣骨料混凝土界面过渡区水泥水化产物结构致密，界面结合紧密，没有生成定向排布的Ca（OH）2，且钢渣骨料表面被C-S-H凝胶等水化产物覆盖，说明钢渣作为混凝土骨料与水泥石有良好的粘结力。这是由于钢渣中含有的部分与硅酸盐水泥熟料相似的C2S、C3S 矿物成分，与渗入孔隙内的水泥相融，改善了骨料与水泥石的界面结构。同时，钢渣是多孔结构，其表面粗糙，能较好地与水泥水化产物相结合，使水化产物能够充分均匀地包裹钢渣，且钢渣与水泥粘结紧密。

图5 钢渣骨料混凝土试样水化60d的SEM-EDS图

3 结语

（1）通过对以钢渣作粗、细骨料配制的钢渣混凝土的研究可见，钢渣可作为粗、细骨料配制混凝土。通过合理确定砂率、胶凝材料用量、矿物掺合料等物料的比例，钢渣混凝土的力学性能可以满足施工要求。

（2）采用钢渣粗、细骨料配制的钢渣混凝土经50 次冻融循环后，质量损失率均较低，基本无损失；经100 次冻融循环后，质量损失也没有明显增大，试块整体完整，没有破损情况。

（3）在矿物掺合料相同的情况下，钢渣骨料混凝土的渗透高度随砂率的增大而略有所增大。

（4）随钢渣掺入比例的增加，钢渣混凝土各龄期的收缩率均逐渐增大，但增幅随龄期增长而逐渐降低。

（5）钢渣的主要物相中有硅酸三钙、硅酸二钙等胶凝成分。钢渣骨料混凝土界面过渡区水泥水化产物微观结构致密，钢渣骨料与水泥石粘结紧密。钢渣骨料表面粗糙，包裹有大量C-S-H 凝胶等水化产物，在界面过渡区未发现有针状AFt和结晶较好的Ca（OH）2。用钢渣作混凝土骨料可以显著改善骨料与浆体的界面过渡区，进而改善混凝土的结构。