基于正交试验的钢渣混凝土坍落度及其损失研究

梁胡 李瑞娇 韦忠海 蓝天助

摘要：为了提高钢渣在混凝土中的利用率，文章以钢渣混凝土坍落度研究为目标，以钢渣粉掺量、钢渣细集料掺量、钢渣粗集料掺量为影响因子，采用L16（45）正交表，开展了钢渣混凝土工作性能试验研究。结果表明：影响钢渣混凝土的坍落度因素排序为：钢渣细集料掺量＞钢渣粉掺量＞钢渣粗集料掺量；单因素分析进一步表明，当钢渣粉掺量较小时，掺一定量的钢渣粉，可以提高混凝土的流动性，但随着钢渣粉掺入量的进一步加大，钢渣混凝土坍落度降低；钢渣混凝土坍落度随钢渣细集料及钢渣粗集料掺量的增大而减小，且在一定时间后，钢渣细集料及钢渣粗集料的掺量对混凝土坍落度影响不明显。

关键词：钢渣混凝土；钢渣粗集料；钢渣细集料；钢渣粉；坍落度

中图分类号：U416.03A020054

0引言

随着基础设施建设的发展，我国对混凝土的需求量逐年增加［1］，每年需要消耗大量的砂石及水泥。砂石开采在一定程度上会破坏自然环境，而生产水泥成本较高，因此，寻求新的资源替代传统砂石及水泥，降低混凝土生产成本，是21世纪的重要课题方向之一。

目前对钢渣替代水泥及砂石制作钢渣混凝土方面的研究也较多，张忠哲等［2］开展了钢渣细集料替代部分细集料的C60混凝土强度及耐久性试验研究，得出了钢渣混合集料混凝土加入钢渣粉和粉煤灰的最优比例；张浩等［3］开展了采用不同生产工艺的钢渣取代矿粉、细集料及粗集料的混凝土试验研究，分析了不同取代率对混凝土强度的影响，并得出了最优的取代比例。综上所述，现有研究表明，在合理配合比条件下，钢渣可以取代部分水泥及传统砂石材料制作强度及耐久性优良的混凝土。然而，混凝土除了满足强度及耐久性要求外，还需具备良好的工作性能，现阶段缺乏对钢渣替代传统材料后工作性能的研究，因此，为了研究钢渣替代钢渣粉及传统砂石后工作性能的变化规律，并进一步优化钢渣混凝土配合比设计，本文以钢渣混凝土的坍落度为研究目标，开展了不同影响因素下的钢渣混凝土工作性能试验研究，为钢渣在混凝土中的进一步利用及优化提供参考。

1原材料

1.1粗集料

1.1.1普通碎石

普通碎石粗集料采用石灰岩碎石，集料粒径主要集中在9.5～19 mm，＜4.75 mm颗粒含量为0.6%，可忽略不计。其他物理力学指标良好，满足混凝土用碎石［4］的要求。

1.1.2钢渣粗集料

试验采用防城港市某钢厂陈化12个月的钢渣，该钢厂钢渣为转炉钢渣，其主要化学成分为CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Mn、Al2O3、P2O5，占据了钢渣总成分含量的97.34%。

为了减少两种粗集料级配差异对混凝土试验结果的影响，试验对钢渣粗集料进行了筛分，筛分后的钢渣粗集料各筛孔累计筛余与普通碎石相同。

根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）［5］，测定钢渣粗、细集料吸水特性如下页图1所示。由图1可知，钢渣粗集料吸水率随时间的增大而增大，且在一定时间后趋于稳定，24 h后，钢渣粗集料的吸水率为2.9%，比普通碎石吸水率大。

钢渣粗集料物理力学指标如表2所示。钢渣粗集料坚固性良好，其压碎值及针片状颗粒含量满足混凝土用粗集料的要求，但钢渣粗集料的表观密度及松散堆积密度较大，且钢渣粗集料比普通碎石重量大。

1.2细集料

1.2.1河砂

试验采用的河砂来源于广西北海合浦县，该河砂含泥量少，颗粒呈浑圆状，压碎值低，砂整体质量良好，级配良好，细度模数为2.67，属于中砂。

1.2.2钢渣细集料

试验用钢渣细集料种类与钢渣粗集料相同，为防城港钢厂陈化12个月的转炉钢渣。钢渣细集料的基本指标如表3所示。该钢渣细集料质地坚硬，物理力学性质良好，但表观密度及堆积密度比河砂大。由图1钢渣细集料吸水特性曲线可知，钢渣细集料吸水率随时间的变化规律与粗集料类似，其吸水率随时间的增大而增大，且在一定时间后趋于稳定，24 h后，钢渣细集料的吸水率为3.03%，比河砂吸水率大。

1.3胶凝材料

1.3.1水泥

试验采用42.5级普通硅酸盐水泥，该水泥7 d抗压强度为42MPa，28 d抗压强度为49MPa，凝结时间满足混凝土用水泥标准［6］，煮沸法安定性合格。

1.3.2钢渣粉

试验所采用的钢渣粉是由防城港钢厂生产的钢渣集料经过磨细等工艺加工而成，各项指标满足《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》（GB/T 20491-2017）［7］规范使用要求。

1.4减水剂

采用南宁市雨润建材化工有限公司的高效缓凝型减水剂，呈黄褐色，pH值为7.1，建议掺量为1%～2%，减水率为20%～27%。不同掺量下减水效果不同，掺量为1.5%时，减水率为25%。

2钢渣混凝土坍落度试验

为了科学有效地选择多种因素进行试验，本次研究选用四水平五因素正交表设计正交试验，通过正交试验，可大大减少试验次数。本次正交试验选择钢渣粉掺量（A）、钢渣细集料掺量（B）、钢渣粗集料掺量（C）为正交试验影响因子，其中钢渣粉掺量为质量比掺量，钢渣细集料掺量、钢渣粗集料掺量为体积比掺量。选用L16（45）正交表［8］，各因素水平如表4所示。各因子水平数為4，共16组试验，各组试验在不同影响因素下的水平安排列表如表5所示。

不同钢渣掺量的混凝土按普通混凝土配合比设计方法［9］设计。本次试验设计C30钢渣混凝土，由普通混凝土配制强度经验公式计算得配制强度为38MPa，水灰比根据碎石混凝土强度经验公式计算确定，计算得钢渣混凝土水灰比为0.53，钢渣混凝土坍落度按180 mm考虑，减水剂采用1.5%的最佳掺量，考虑减水剂后用水量为170 kg。由于钢渣混凝土原材料的表观密度存在差异，混凝土砂率采用细集料体积与粗细集料体积之比，钢渣混凝土砂率采用37%。按绝对体积法计算公式，得出16组不同钢渣混凝土配合比数据如表6所示。

根据表6混凝土配合比配料，配制30 L的钢渣混凝土，按比例称重后投入混凝土拌锅，测量钢渣混凝土0 min、40 min、80 min、120 min、160 min的混凝土坍落度，并观察保水性。

3试验结果及分析

3.1不同影响因素及其水平下的钢渣混凝土坍落度

通过上述试验，不同影响因素及其水平下的16种钢渣混凝土0 min、40 min、80 min、120 min、160 min的坍落度如表7所示。由表7可知，刚出锅的钢渣混凝土坍落度最大，0 min混凝土坍落度最大值为217 mm，最小值为167 mm，且刚出锅时，除了第3组、第4组、第7组、第8组、第12组混凝土有轻微泌水外，其余组的钢渣混凝土保水性良好，各组混凝土工作性能满足泵送要求。40 min后，钢渣混凝土坍落度有所降低，混凝土坍落度最大值为194 mm，最小值为111 mm，各组混凝土保水性良好。由此可见，经过一定时间后，不同钢渣掺量的混凝土坍落度损失相差较大，部分钢渣混凝土已无法满足泵送混凝土工作性的要求。经过160 min后，各组混凝土坍落度都较小，混凝土坍落度最大值为35 min，最小值为10 min，部分混凝土已不再具有流动性。

表8为不同时间下各影响因素对钢渣混凝土坍落度影响的极差分析表。分析显示，三个因子对0 min钢渣混凝土的坍落度的影响排序为：钢渣粗集料掺量＞钢渣细集料掺量＞钢渣粉掺量；对40 min、80 min、120 min钢渣混凝土的坍落度的影响排序为：钢渣细集料掺量＞钢渣粗集料掺量＞钢渣粉掺量；对160 min钢渣混凝土的坍落度的影响排序为：钢渣细集料掺量＞钢渣粉掺量＞钢渣粗集料掺量。

3.2不同因素对钢渣混凝土坍落度的影响

3.2.1钢渣粉掺量对钢渣混凝土坍落度的影响

钢渣混凝土坍落度随钢渣粉掺量变化曲线如下页图2所示。由图2可知，0 min时钢渣混凝土的坍落度随钢渣粉的掺量的增加先增大后减小，当钢渣粉掺量较小时，掺一定量的钢渣粉与水泥混合，可以改善胶凝材料的颗粒级配。级配良好的胶凝材料可以改善混凝土的泌水性，从而提高混凝土的流动性，但随着钢渣粉掺量的进一步增大，钢渣混凝土的流动性会降低。由于钢渣粉需水量比水泥大，在用水量一定的情况下，随着钢渣粉掺量的增加，混凝土中的自由水减少，导致钢渣混凝土坍落度值减小。分析显示，当钢渣粉掺量为15%时，0 min钢渣混凝土坍落度值最佳。

40 min、80 min、120 min后的钢渣混凝土坍落度值随钢渣粉掺量的变化规律大致相同，即一段时间后，钢渣混凝土的坍落度随着钢渣粉掺量的增大而增大，且当钢渣混凝土的模拟运输时间较大时，钢渣混凝土坍落度值很小，钢渣粉掺量对钢渣混凝土的流动性影响较小。当钢渣混凝土拌和完成后，在运输过程中，胶凝材料会逐渐发生水化反应。随着胶凝材料水化反应的进行，消耗了一定的水，且水化反应会产生大量的水化热，导致水分蒸发，使混凝土中的自由水减少，混凝土流动性降低。与水泥相比，钢渣粉活性较低，其水化反应速度比水泥慢，所以，钢渣粉有利于减少钢渣混凝土的坍落度损失。

3.2.2钢渣细集料掺量对钢渣混凝土坍落度的影响

钢渣混凝土坍落度随钢渣细集料掺量变化曲线如图3所示。由图3可知，钢渣细集料掺量对混凝土坍落度有一定的影响，总体而言，钢渣混凝土坍落度随钢渣细集料掺量的增大而减小。钢渣表面粗糙、孔隙多，湿润钢渣细集料的用水量比普通砂大，且钢渣细集料棱角比普通砂更明显，所以，在用水量一定的条件下，钢渣细集料的掺量越大，0 min钢渣混凝土坍落度减小。40 min、80 min钢渣混凝土坍落度随钢渣细集料掺量变化的平均斜率比0min钢渣混凝土坍落度大，主要是因为钢渣细集料的吸水率随时间的增大而增大。钢渣特性研究显示，0～80 min钢渣细集料吸水率增长较快。将钢渣细集料掺入混凝土中后，钢渣细集料会吸收混凝土中的自由水，导致钢渣混凝土坍落度降低。但随着时间延长，钢渣细集料掺量对钢渣混凝土坍落度的影响逐渐减小，曲线显示160min后的钢渣混凝土坍落度随钢渣細集料掺量的曲线趋于平缓。主要是因为到一定时间后，钢渣混凝土中的自由水较少，钢砂吸水逐渐减弱，所以，钢渣细集料掺量对混凝土坍落度影响不明显。

3.2.3钢渣粗集料掺量对钢渣混凝土坍落度的影响

钢渣混凝土坍落度随钢渣粗集料掺量变化曲线如图4所示。由图4可知，钢渣粗集料掺量对混凝土坍落度有一定的影响，其影响规律与钢渣细集料掺量对钢渣混凝土坍落度的影响类似。总体而言，钢渣混凝土坍落度随钢渣粗集料掺量的增大而减小。其原因与钢渣细集料类似，即钢渣粗集料表面粗糙、孔隙多，湿润钢渣粗集料的用水量比普通碎石大，所以，在用水量一定的条件下，钢渣粗集料掺量越大，0 min钢渣混凝土坍落度越小。40 min、80 min钢渣混凝土坍落度随钢渣粗集料掺量变化的平均斜率比0 min钢渣混凝土坍落度大，但随着时间延长，钢渣粗集料掺量对钢渣混凝土坍落度的影响逐渐减小，160 min后的钢渣混凝土坍落度随钢渣细集料掺量的曲线趋于平缓。

4结语

（1）钢渣粉、钢渣细集料、钢渣粗集料对混凝土的工作性能都有一定影响，极差分析显示三个因子对0 min钢渣混凝土坍落度的影响排序为：钢渣细集料掺量＞钢渣粉掺量＞钢渣粗集料掺量；但经过一定时间后，钢渣混凝土的坍落度的影响排序为：钢渣粗集料掺量＞钢渣细集料掺量＞钢渣粉掺量。

（2）通过分析钢渣粉掺入量对混凝土坍落度的影响可知，0 min时钢渣混凝土的坍落度随钢渣粉的掺量先增大后减小，40 min、80 min、120 min后的钢渣混凝土坍落度值随着钢渣粉掺量的增大而增大，且当钢渣混凝土模拟运输时间较大时，钢渣粉掺量对钢渣混凝土的流动性影响较小。

（3）单因子分析显示，钢渣细集料及钢渣粗集料掺量对混凝土坍落度的影响规律基本相同，其坍落度随掺量的增大而减小，在一定时间后，当钢渣混凝土坍落度较小时，钢渣细集料及钢渣粗集料的掺量对混凝土坍落度影响不明显。

参考文献

［1］戚长亚.混凝土坍落度损失机理及保坍类材料研究［D］.武汉：武汉理工大学，2015.

［2］张忠哲，姬永生，徐之山，等.复掺钢渣细集料混凝土力学及耐久性研究［J］.人民黄河，2020，42（3）：127-132.

［3］张浩，于先坤，龙红明.钢渣复合取代矿粉、砂和石用作混凝土掺合料与骨料及其性能分析［J］.过程工程学报，2020，20（4）：432-439.

［4］GB-T14685-2011，建筑用卵石、碎石［S］.

［5］JTG E42-2005，公路工程集料试验规程［S］.

［6］GB 175-2007，通用硅酸盐水泥［S］.

［7］GB/T 20491-2017，用于水泥和混凝土中的钢渣粉［S］.

［8］茆诗松，周纪芗，陈颖.试验设计（第二版）［M］.北京：中国统计出版社，2012.

［9］JGJ55-2011，普通混凝土配合比设计规程［S］.

基金项目：2020 年度第三批广西交通运输行业重点科技项目清单-科技成果推广项目“钢渣混凝土的安定性及质量提升应用技术研究”（桂交便函〔2020〕56号）； 崇左市科技计划项目“锰渣的路用性能及无害化关键技术研究与应用”（编号：崇科FA2019008）；广西企茅公路建设有限公司“钢渣镍渣在沿海地区高等公路中的应用技术研究”（编号：2021gxjgclkf004）；钢渣改良路基填土的减害增效应用研究（编号：桂科AD19245014）

作者简介：梁胡（1993—），助理工程师，主要从事高速公路建设管理工作。