不同水胶比条件下钢渣混凝土力学性能研究

摘要：钢渣是常见的废弃物，如果不能合理回收利用会对环境造成污染。因此为了研究钢渣废弃物制备混凝土材料的可行性，本文采用试验的方式对不同水胶比条件下钢渣混凝土的力学性能进行分析，结果表明：合理添加外加剂可以使钢渣混凝土性能与普通混凝土接近，利用钢渣废料制备混凝土具有可行性。混凝土制备时应选择较小的水胶比和适量的钢渣为宜。以上研究可为类似混凝土工程提供参考。

关键词：水胶比；钢渣混凝土；抗压强度；干缩值；碳化深度

中图分类号：TU52""""""""" 文献标志码：A

为了防止废弃钢渣造成环境污染，可以将钢渣代替混凝土中部分水泥，以改善混凝土的力学性能，因此学者们对钢渣混凝土的力学性能进行多方面研究。林东等[1]对钢渣骨料在混凝土中的应用进行研究，研究结果表明：混凝土掺入适量的钢渣，会明显增强混凝土的抗压强度，但会降低混凝土的工作性能，混凝土水胶比越大，其抗压强度越大。杜滨等[2]研究了钢渣碳化工艺对混凝土抗压强度的影响，研究结果表明：钢渣混凝土经过碳化后，其抗压强度明显高于普通混凝土。张仁巍等[3]对高强钢渣混凝土工作性能和抗压强度进行研究，研究结果表明：当混凝土适量掺入钢渣时，可制成C60的高强钢渣混凝土，在水胶比较小的条件下，随着钢渣掺量增加，钢渣混凝土的坍落度和抗压强度减少。

根据以上学者对钢渣混凝土的抗压强度、碳化性能进行研究，本文总结了钢渣混凝土的力学性能，并深入研究了混凝土的耐久性能。通过在不同水胶比，不同钢渣掺量条件下，对碱性氧炉钢渣混凝土进行抗压强度、干缩性能和碳化性能试验，分析了不同养护龄期时的混凝土的力学性能。

1材料与方法

1.1试验材料

本次试验原料采用硅酸盐水泥，强度等级为42.5，满足《通用硅酸盐水泥标准》（GB175—2007）的相关规定。钢渣采用经过磨细处理的碱性氧炉钢渣，密度为462kg/m3。试验采用钢渣的化学组成构成和含量见表1。

试验用混凝土的粗骨料粒径为5mm～25mm的石灰石碎骨料。采用天然河砂作为细集料，细度模数为2.8。外加剂选择聚羧酸系超塑化剂（PS），对混凝土的流动性质进行调整。试验设计了两种混凝土，其水胶比（W/B）分别为0.6与0.4，初始坍落度为16cm～19cm。两种混凝土的混合比见表2和表3。

1.2试验方法

本次试验选择长度×宽度×高度分别为100mm×100mm×100mm的混凝土试件，将其置于20℃与95%相对湿度的环境中进行养护。当养护时间分别达到3天、1周、4周和90天时，依次对混凝土抗压强度进行测取。

当进行干燥收缩试验时，选择长度、宽度和高度分别为100mm、100mm和515mm的试件进行干燥收缩试验，将试件置于20℃与95%相对湿度的养护环境中，连续养护3天，湿度变成65%，同时在试件两边设置收缩测量元件，分别对第3天、第一周、第四周和90天混凝土的收缩量进行检测。

首先将试样置于20℃与65%相对湿度养护条件下，依次养护3天与4周时间，其次进行3天和4周的碳化处理，最后在对试件的碳化情况进行测量。

2结果与分析

2.1水胶比不变条件下混凝土抗压强度

根据试验数据，得出在水胶比不变条件下，钢渣对混凝土抗压强度性能的影响曲线，如图1、图2所示，当水胶比为0.6与0.4时的混凝土抗压强度性能受钢渣的影响，随着钢渣含量增加，混凝土抗压强度会降低，而且更早阶段的混凝土抗压强度受影响更大。对两种水胶比情况而言，养护3天后的混凝土抗压强度降幅都比钢渣置换量要多，同时，钢渣含量为48%的混凝土养护3天后的抗压强度很低，早期阶段的钢渣活性明显不如水泥，水泥的早期水化速度因掺入钢渣而减慢。如图1所示，当水胶比为0.6时，如果钢渣掺量等于32%或48%，那么养护90天后的钢渣混凝土的抗压强度明显不如一般的混凝土。如图2所示，当水胶比为0.4时，增加养护时间能够提升钢渣混凝土的抗压强度，使其与一般混凝土接近。

图3为钢渣混凝土的相对抗压强度随养护龄期的变化情况，根据抗压强度与纯水泥情况下的抗压强度之比计算相对抗压强度。图3表明，增加养护时间能够提升钢渣混凝土的相对抗压强度。而且，掺入钢渣的混凝土经过三天时间的养护后，其抗压强度上升速度要比纯水泥混凝土更快。同时，与水胶比为0.6的情形相比，当水胶比为0.4时，具备32%或48%钢渣比例的混凝土的抗压强度更大。由此可见，对水胶比比较小的情况来说，钢渣会降低混凝土的抗压强度，通过加深钢渣的反应程度，能够增加混凝土抗压强度。钢渣在直接影响混凝土后期强度的同时，还会产生间接性的影响，钢渣反应对水的需求比较低，因此增加水胶比能够加深水泥后期的水化程度。相关研究指出，当水胶比较小时，钢渣能够产生更明显的间接影响，这是水胶比较低情况下钢渣混凝土抗压强度比较高的成因，因此仅需要少数水化产物填充混凝土的孔隙。

2.2水胶比不变条件下混凝土干缩性能

根据试验数据，可得出在水胶比不变条件下，钢渣对混凝土干缩性能的影响曲线。在水胶比为0.6与0.4的情况下，钢渣混凝土的干燥收缩率性能随龄期的变化，如图4、图5所示。

图4显示，不同钢渣含量混凝土在养护90天后的干缩量相差不多，钢渣含量为0即纯水泥情况对应的干缩量最少。同时，与纯水泥混凝土相比，钢渣含量较高的混凝土在养护40天内的干缩量变化最大。对水胶比和钢渣含量均较高的情况来说，因为粘结料的水化过程比较缓慢，早中期会失去比较多的水分，所以会导致钢渣混凝土的干缩量快速增加。与图4中的混凝土相比，图5因为对应的水胶比较小（0.4），所以钢渣混凝土在养护90天后的干缩量比较小。此外，由图5可知，不同钢渣含量的混凝土在干缩量变化走势方面具有共性，当养护时间相同时，对应的干缩量相差不大，这说明对水胶比较小的混凝土来说，钢渣含量的影响几乎可以忽略。

2.3水胶比不变条件下混凝土碳化深度性能

根据试验数据，可得在水胶比不变的条件下，钢渣对混凝土碳化深度性能的影响曲线。经过20℃和95%相对湿度条件养护3天后的钢渣混凝土在加速碳化条件中放置4周后的碳化深度情况，如图6所示。

图6显示，对水胶比较低的钢渣混凝土来说，其对应的碳化深度也比较低，具备较小水胶比的混凝土强度更高且孔隙结构更多，因此能够提高其抗碳化水平。综合来讲，当水胶比恒定时，提高钢渣含量能够加深钢渣混凝土的碳化深度。当水胶比为0.6时，混凝土在钢渣置换比例为15%时对应的碳化强度轻微上升。然而钢渣置换比例等于32%或48%情况下的混凝土碳化深度明显增加。当水胶比为0.4时，混凝土碳化强度受钢渣的影响更小。

经过4周标准养护条件养护和加速碳化条件作用后，钢渣混凝土的碳化深度见表4。

对比表4与图6能够得到，增加初始标准养护时间能够提高钢渣混凝土的抗碳化能力。延长初始养护时间能够增加钢渣混凝土的密实度，有助于防止二氧化碳渗透到混凝土里。在水胶比为0.6的情况下，16%与32%的钢渣置换比例基本上无法改变混凝土的碳化深度，而48%的钢渣置换比例能够提升混凝土的碳化深度。同时，由图1可知，经过4周的初始标准养护后，水胶比为0.6，钢渣含量为48%的混凝土的抗压强度为15. 1MPa，不到纯水泥混凝土的1/3。因此，钢渣含量为48%的混凝土对应的抗压强度较低，容易发生二氧化碳向混凝土渗透的情况，且对应的碳化深度比较高。当水胶比等于0.4时，不同钢渣含量的混凝土的碳化强度均处于极低的水平，说明这种水胶比情况下的钢渣混凝土防碳化的能力很强。

3结论

在不同水胶比条件下，本文通过对碱性氧炉钢渣混凝土进行力学性能和耐久性能研究，并分析了钢渣混凝土的抗压强度、干缩性能及碳化深度性能，得到以下结论。1）混凝土中钢渣的掺量越高，钢渣混凝土的抗压强度越低。当水胶比为0.4时，养护90天后的钢渣混凝土的抗压强度与普通混凝土接近。干缩值变化减少，随着龄期增加，钢渣混凝土的干缩值基本相近。2）水胶比较低的混凝土的碳化深度较小，钢渣混凝土中掺入的钢渣越多，其碳化深度越大。当水胶比为0.4时，与水胶比0.6的钢渣混凝土相比，其碳化深度较小。3）混凝土制备时应选择较小的水胶比和适量的钢渣。由于混凝土的性能与原材料性质有关，因此在应用中，需要结合项目实际验证研究结论。

参考文献

[1]林东，叶门康，詹国良等. 钢渣骨料在混凝土中的应用研究[J]. 广东建材，2020，36（9）：13-15.

[2]杜滨，尹凤交，王寿权，等. 钢渣碳化工艺对混凝土抗压强度的影响[J]. 山东化工，2020，49（16）：43-44，53.

[3]张仁巍，林君，黄晶晶，等. 高强钢渣混凝土工作性能和抗压强度的试验研究[J]. 常州工学院学报，2020，33（3）：1-4.