钢渣/赤泥复合改性水泥混凝土工作性能和力学性能研究

刘建勋（新疆交投工程咨询有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

近年来，我国钢铁、氧化铝等建筑材料产业得到了高速发展，然而，这些材料的生产会产生大量的固体废物，同时其存储会耗费高昂成本并占用大量土地。据统计，截至2022年钢产量已超过15亿t，但钢渣尾渣等固体废物堆存量已超过20亿t，占地超20余万亩[1-2]；赤泥堆放量高达5 亿t。其中，钢渣的平均利用率可达到30%，但赤泥的综合利用率却不及5%。建筑领域作为消耗固体废物最大的领域之一，砂石集料短缺问题受到广泛关注，随着双碳战略的提出，生态混凝土面临更大的创新需求。在此背景下，高效、生态化利用这些固体废渣已成为可持续发展的重要话题之一[3]。

钢渣作为碎石材料的替代品是土木工程领域固体废物再利用的重要手段之一[4]，而赤泥作为强碱性泥浆废弃物，其含有大量的氧化铁成分，具有一定的胶凝性能，在一定程度上可替代水泥，从而减少水泥用量。与传统的碎石相比，钢渣具有压碎值低、耐磨、表面粗糙等优点，但也具有吸水膨胀导致混凝土体积稳定性不足等问题[5]。而赤泥具有很高的碱性，可能不利于强度增长。于洋[5]等利用钢渣结合其他固体废物制备超高性能混凝土，实现了钢渣的高掺量再利用；张争奇[6]等分析了钢渣掺量、粒径大小对沥青混合料的抗滑性能进行了系统分析，并推荐了最佳钢渣掺量（75%）；刘澳[7]等为提高赤泥的综合利用率，采用20%赤泥替代水泥颗粒，并研究了不同玄武岩纤维长度、掺量对赤泥混凝土的力学性能影响；安永昌[8]等将赤泥、钢渣混合配制了路面基层材料，并发现钢渣与赤泥的组合可显著降低无机结合料稳定性的收缩率，其中赤泥和钢渣均被用于替代集料；白晓红[9]等以赤泥和偏高岭土制备了地聚合物混凝土，并指出水胶比是影响该混凝土强度的主要因素。

由此可见，钢渣和赤泥已被应用于改善水泥混凝土的综合性能，尤其是钢渣，但赤泥作为水泥替代物与钢渣的复合改性应用却较少。前期研究表明赤泥能够改善混凝土的体积稳定性，可减少因钢渣产生的体积膨胀。鉴于此，本文结合普通混凝土的应用要求，研究钢渣/赤泥在复合改性水泥混凝土的综合性能，为钢渣和赤泥在水泥混凝土的推广应用提供参考。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用新疆乌鲁木齐市天山水泥厂的普通硅酸盐42.5水泥，按照《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）对水泥的各项技术指标进行测试，细度和安定性均符合标准，其他重要特性测试结果见表1。其中，水泥的细度为13.9%，需水量比92%，烧失量小于8%，含水率小于0.2%，三氧化硫含量为0.67%。

表1 42.5硅酸盐水泥基本特性

1.1.2 集料

试验用天然骨料的粒径为10mm～20mm，其物理性能指标见表2。混凝土用细集料为天然河砂，细度模数为3.0，满足II级砂的技术要求，技术指标见表3。

表2 粗骨料物理指标

表3 试验用砂技术指标

1.1.3 钢渣和赤泥

本文所用钢渣集料来自陕西铜川某钢铁厂提供的转炉钢渣，粒径范围主要分布在4.75mm～16mm，细度模数为3.1。所用钢渣颜色表现为深褐色，表面粗糙多孔但形状较为规则且统一。本文所用钢渣取自云南某铝工业公司生产时排放的赤泥，其外观为红褐色块状（图1），浸水后呈一定粘性，pH为9.1；经过风干、破碎、干燥后筛选出0.6mm以下的成分。采用XRF对钢渣和赤泥的化学组成进行了测试，结果见表4。

图1 钢渣（左）和赤泥（右）

表4 钢渣和赤泥的基本化学组成/%

1.1.4 外加剂

采用聚羧酸系高效减水剂，减水率20%。

1.2 试验方案

试验参照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011），分别将赤泥、钢渣用于替代水泥、细集料对混凝土进行改性。其中，按照之前的研究结果及预试验，赤泥替代率设定为30%、40%、50%，钢渣替代率选择50%、75%、100%。根据此替代率，分别制作赤泥改性水泥混凝土、钢渣水泥混凝土、钢渣/赤泥复合改性水泥混凝土，配合比见表5。其中，将基准配合比设定为对照组，配制强度等级为C40，水胶比为0.45，砂率为0.45，胶砂比为20%。混凝土拌制过程参考《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）。试验成型后将按照标准方法进行脱模，并在标准养护条件下养护至指定龄期，并进行力学性能试验，每个配合比均制作3组平行试件。

表5 混凝土试验配合比

2 分析与讨论

按照已确定的钢渣及赤泥基混凝土配合比，制作不同钢渣替代率和赤泥掺量下的混合料试件，研究不同比例下赤泥与钢渣对钢渣细集料赤泥基混凝土的工作性能、基本力学性能及体积稳定性的影响规律。

2.1 工作性能

按照规范《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）开展坍落度试验，同时观察混凝土粘聚性及保水性。钢渣及赤泥基混凝土的工作性能如图2所示。与对照组相比，当混凝土中加入赤泥会使其坍落度降低。当提高减水剂掺入量为2%时，混凝土的流动性随赤泥的增加而减小，同时粘聚性与保水性增加。当钢渣掺量增加时，混凝土坍落度降低。当增加减水剂时，坍落度数值变化较小。与赤泥对比，钢渣对混凝土的流动性影响不大。赤泥掺量一定，随着钢渣掺量的增加坍落度逐渐减小。钢渣掺量一定，随着赤泥掺量的增加混凝土粘聚性增加。当赤泥掺量为60%、钢渣掺量为75%时，与全掺钢渣混凝土相比，其泌水现象良好且钢渣分布均匀，粘聚性和保水性较好。分析其主要原因，赤泥具有较强的吸水性，在混凝土拌合过程中能够降低其流动性。同时，钢渣形状不规则，具有较多棱角，在与赤泥共同使用时，能够很好地改善混凝土粘聚性，提升其保水性。

图2 不同配合比下混凝土坍落度与减水剂掺量关系

2.2 力学性能

抗压强度作为混凝土力学性能重要的强度指标，本文依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019），制作100mm×100mm×100mm试件，24h脱模后设定7d、28d 和60d 养护龄期，利用压力试验机进行试验，试验结果如图3 所示。随着赤泥含量的增大，混凝土试件的抗压强度逐渐下降；随着钢渣掺量的增大，混凝土试件的抗压强度逐渐增大。当钢渣掺入混凝土后，其本身所具有胶凝活性会随着养护过程而凸显，对比对照组抗压强度提升显著，说明钢渣可以提升混凝土的抗压强度。当同时掺入钢渣和赤泥时可以发现，钢渣细集料赤泥基混凝土的抗压强度随钢渣掺量的增多而增大，随着赤泥掺量的增多而减小。当钢渣掺量达到100%时，与单纯只含有赤泥基混凝土相比抗压强度达到最优状态。当赤泥替代率为40%时，钢渣细集料赤泥基混凝土的抗压强度与基准组几乎一致；当赤泥为50%时，试件组随着钢渣掺量的增多几乎呈线性增长，抗压强度提升效果最为显著；当赤泥替代率为60%时，提升效率与赤泥替代率为50%相比有所下降。分析其原因，赤泥的掺量对混凝土强度具有一定影响，当掺入比例适当时会使其碱性成分释放激发钢渣的胶凝活性，但当其掺量过大时，会减缓水泥的水化反应阻碍钢渣的活性，使得整体混凝土的抗压强度降低。综上，赤泥掺量40%、钢渣取代率100%时钢渣细集料赤泥基混凝土抗压强度最好，赤泥和钢渣结合使用可以作为一种环保型材料的水泥混凝土。

图3 不同配合比下混凝土坍落度与减水剂掺量关系

2.3 体积稳定性分析

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）接触法制作试件100mm×100mm×515mm 试件，利用收缩仪进行试验，试验结果如图4所示。由图4可知，当掺入赤泥后钢渣体积膨胀问题得到缓解。在脱模14d 之前，掺入40%及60%赤泥的钢渣细集料赤泥基混凝土体积有所膨胀，之后开始具有收缩趋势；掺入50%赤泥的钢渣细集料赤泥基混凝土一直呈现收缩趋势，且伴随着龄期的增长收缩逐渐增大。对比三种赤泥掺入体积率的收缩情况，赤泥掺入40%的钢渣细集料赤泥基混凝土的体积稳定性最好，养护300d 的收缩率最小，即代表体积变化最小，稳定度最高。因此，赤泥与钢渣在特定情况下可以改善混凝土的体积收缩问题，当赤泥掺量在40%时反应最好，相对体积稳定性最佳。

图4 钢渣/赤泥混凝土收缩率随龄期变化曲线

3 结语

本文通过研究钢渣细集料赤泥基混凝土材料，对其工作性能、基本力学性能进行试验，在此基础上开展混凝土收缩试验，研究其体积稳定性能。通过试验，最终得到以下结论：

（1）适当掺量的赤泥可以改善混凝土的粘聚性及保水性，当钢渣掺量为75%、赤泥掺量为40%～60%时，混凝土的坍落度最小，也无泌水现象，即工作性能此时最佳。

（2）过度掺入赤泥时会导致混凝土强度大幅下降，钢渣掺入量越大混凝土强度越高。仅考虑混凝土强度时，赤泥掺量40%、钢渣掺量100%能使混凝土强度达到基准组水平。

（3）赤泥可以有效缓解钢渣的体积膨胀问题，但赤泥掺量过高或过低均不能改善混凝土体积膨胀问题。基于本次试验环境下，当赤泥掺量为40%时、钢渣细集料赤泥基混凝土的体积收缩率最小，体积稳定性最佳。

（4）综上考虑到混凝土强度及体积稳定性，钢渣细集料赤泥基混凝土材料最优化配比为赤泥掺量40%，钢渣取代率100%。