钢渣粉对混凝土性能的影响

乔梓滕，陈向哲，张思雨

（河北建设集团混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 前言

随着我国建筑行业的发展，我国混凝土的需求和产量不断增大，需要的产物掺合料也越来越多。传统的粉煤灰、矿渣粉资源不断减少，价格持续上升，需要寻找一种新的矿物掺合料来替代传统的矿物掺合料，这种材料需要具有质量好、产量高、价格低的优点。钢渣作为炼钢生产过程中产生的“三废”之一，是一种工业固体废弃物，我国每年都会产出约 1 亿吨钢渣，因无法对其进行处理，所以长期进行堆放，对环境造成了很大的影响。通过大量的研究表明，钢渣可以作为矿物掺合料加入到混凝土中。将钢渣变废为宝，不仅解决了天然的矿物掺合料紧缺的现状，减少了因天然骨料的开采而造成的环境破坏，也解决了钢渣大量堆弃、填埋而造成的土地资源浪费问题和对环境造成的污染问题。

目前，发达国家的钢渣利用率可以达到 90% 以上，而我国的钢渣利用率仅为 30% 左右。虽然起步较晚，但我国在钢渣的利用上有着自己的思路和途径。国外通常将钢渣经过处理后用来作为水泥添加剂来提高混凝土性能或肥料的添加剂来改善土壤、回炉冶金等。由于钢渣碎料具有较高的强度、粗糙的表面、较好的耐磨性，我国尝试用钢渣替代混凝土中的石料、砂子，但是由于生产工艺存在一定的问题，导致生产出来的混凝土抗压强度低、抗拉性能差，并而且钢渣具有膨胀性，制成的混凝土容易膨胀开裂，严重影响了混凝土的安全性。本文主要研究的是钢渣粉对混凝土性能的影响。

1 试验原材料

（1）水泥：河北京兰 P·O42.5 水泥，3d 抗折强度为 6.4MPa，28d 抗折强度为 7.6MPa，3d 抗压强度为37.2MPa，28d 抗压强度为 50.0MPa。

（2）砂：保定满城河砂，细度模数 2.6，级配良好，含泥量为 2.3%。

（3）水：饮用水。

（4）粉煤灰：保定大唐Ⅱ级粉煤灰，细度为17.6%，需水量为 103%。

（5）钢渣粉：采用唐山地区的钢渣粉，烧失量为3.7%，细度为 20.9%。

（6）聚羧酸外加剂：选用保定慕湖恒源新型建材有限公司生产的外加剂。

（7）矿渣粉：选用保定乾华建材 S95 级矿渣粉，流动度比为 101%。

（8）石子：保定满城 5～25mm 连续级配碎石。

2 试验方法

（1）以灰砂比 1:3、水灰比 1:2 的水泥胶砂为基准，将钢渣粉分别以 5%、10%、15%、20%、25%、30% 的掺量等质量取代水泥，进行钢渣胶砂试块的制作。

（2）按照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》中的相关规定，进行钢渣胶砂试件7d和28d抗压强度、7d 和 28d 抗折强度的测定。

（3）将钢渣粉按 5%、10%、15%、20%、25%、30% 的掺量分别掺入到 C30 混凝土中制成混凝土试块。

（4）根据现行 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，测定混凝土 3d、7d 和 28d 的抗压强度。

3 力学性能

3.1 钢渣胶砂性能

3.1.1 钢渣胶砂安定性

由于钢渣性能不稳定，因此试验开始之前先对其安定性进行检测。本次试验采用沸煮法对其安定性进行检测。将掺有 30% 钢渣粉的水泥净浆制成试饼，养护 24小时后将其放入沸煮箱中煮 4 小时后取出，进行检测。

由图 1 和图 2 可知，沸煮后与沸煮前相比，试件表面并没有出现任何裂纹。图 3、图 4 分别为试饼沸煮后侧面形状，可以看出沸煮后的试块并没有出现任何弯曲变形。

图1 沸煮前试饼

图 2 沸煮后试饼

图3 试饼 1 沸煮后侧面

图 4 试饼 2 沸煮后侧面

综上所述，该钢渣粉在掺量为 30% 的情况下安定性良好，可以用于混凝土试验和生产。

3.1.2 钢渣粉胶砂流动度

试验结果见表 1 和图 5。由数据可以看出，在掺量为 15%～25% 时，胶砂流动度略有上升，总体来说，胶砂流动度随钢渣粉掺量的增加变化基本不大，说明钢渣粉对胶砂流动度的影响程度与水泥相似，掺量合适时对胶砂的流动度略有提高作用。

表1 钢渣粉胶砂流动度

图5 钢渣粉掺量对胶砂流动度的影响

3.1.3 钢渣粉胶砂强度

接下来测定钢渣粉对水泥胶砂性能的影响，主要为流动度与抗压抗折强度。结果见表 2 和图 6、7。

图6 钢渣掺量对胶砂抗压强度的影响

表2 钢渣粉掺量对胶砂强度的影响

由试验结果得出：钢渣粉的加入会降低水泥胶砂的抗压强度，7d 抗压强度在掺量为 0%～10% 之间时，下降幅度比较小，在掺量 10%～20% 之间时，下降幅度较大，掺量 10% 为突变点；在掺量 20%～25% 之间，强度变化不大。28d 抗压强度的下降幅度随着钢渣粉掺量的增加逐渐减小。抗折强度均是在掺量为 5%时略有上升；7d 抗折强度随掺量的增加逐渐下降，但是下降幅度逐渐减小；28d 抗折强度先下降后上升，20% 掺量为转折点，其中在 10%～15% 掺量之间的抗折强度下降速度极为缓慢。与 28d 的粉煤灰强度相比，掺钢渣粉的水泥胶砂抗压强度和抗折强度均有小幅度的增长。这是由于钢渣粉中含有 C3S 和 C2S 等类熟料矿物，水化活性较高[1]，所以钢渣粉掺量越高，类熟料矿物越多，会阻碍胶砂试块强度的下降；但其中也含有一部分游离氧化钙和游离氧化镁，如果不能完全消解，就会与水反应生成氢氧化钙和氢氧化镁，导致强度迅速下降，当其消解完全或含量非常小时，体积变得稳定，强度会随之上升[2]。而粉煤灰中不含有类熟料矿物或含量很少，因而钢渣粉胶砂的强度会高于粉煤灰的胶砂强度。

图7 钢渣粉掺量对胶砂抗折强度的影响

3.2 钢渣粉混凝土性能

3.2.1 钢渣粉混凝土拌合物性能

先对钢渣粉掺入混凝土后对混凝土拌合物性能的影响进行检测，混凝土的基准配合比为：水泥∶矿渣粉∶砂∶石∶水∶外加剂＝3.67:1.00:13.67:10.73:1.96:0.07，钢渣粉从 5%～30%，以 5% 增加，替代水泥，试验结果见表 3 和图 8、9。

表3 钢渣粉混凝土的拌合物性能

图8 钢渣兴混凝土的坍落度

图9 钢渣粉混凝土的扩展度

由表 3 数据可以知，钢渣粉的掺入对混凝土和易性的影响不大，在掺量达到 20% 以后会使混凝土和易性略有提升。

3.2.2 钢渣粉混凝土体积安定性

将钢渣粉以 30% 掺量掺入到混凝土当中，制成150mm×150mm×150mm 试块，然后对其长宽高定期进行检测，观察其体积是否会发生变化，结果见表 4。

表4 钢渣粉混凝土的体积安定性

从试验结果可以看出，掺入钢渣粉后，混凝土的体积稳定性到 38 天位置未发生任何变化，基本保持稳定。

3.2.3 钢渣粉混凝土抗压强度

将制成的混凝土试块分别养护至 7d、28d，然后对其抗压强度进行检测，结果见表 5。

表5 钢渣粉掺量对混凝土强度的影响

图10 钢渣粉掺量对混凝土抗压强度的影响

通过观察试验结果可以看出，钢渣粉的掺入会导致混凝土的强度下降，且掺量越高，混凝土的抗压强度下降越快；混凝土的 3d、7d 强度相较于 28d 强度来说，随着钢渣粉的掺量增高其抗压强度下降幅度越大，也就是说，随着钢渣粉掺量的增加，混凝土的早期强度受影响最大，后期强度反而影响不大，但掺量过高时，其后期强度也会迅速下降。这主要是由于钢渣粉与水泥相比，其水化速率相对而言较慢[3]，因此混凝土时间早期强度的下降幅度随着钢渣粉的掺量增加而增大，随着时间的增加，钢渣粉逐渐水化完全，其强度也随之增加，因而后期强度较高，下降幅度较小；但是由于钢渣中含有部分游离氧化钙和游离氧化镁，当钢渣粉掺量低时，这些物质逐渐消解完全，因而对强度的影响较小，但当钢渣粉掺量高时，其无法被完全消解，因此会导致混凝土的 28d 强度迅速下降。

4 结论

（1）由于钢渣粉中含有硅酸三钙和硅酸二钙等类熟料矿物，虽然其早强水化反应速率较慢，导致混凝土早期强度较低，但随着时间的增加，钢渣粉水化逐渐完全，混凝土强度会随之升高。钢渣粉的水化活性高于粉煤灰，所以钢渣胶砂的 28d 强度相对粉煤灰而言均有小幅度的增长，说明钢渣粉可以作为一种新的矿物掺合料加入到混凝土中。

（2）掺入钢渣粉后，混凝土的拌合物性能基本不会发生变化，当掺量达到 20% 以后，混凝土的和易性会略有上升；钢渣粉掺量为 30% 时基本不会对混凝土的体积稳定性产生影响。

5 结束语

目前自然资源的消耗和生态环境的污染问题受到了社会各界的广泛关注。一方面，作为工业固体废弃物的钢渣大量堆积、填埋造成了大量的土地被占用，环境被污染；另一方面，随着混凝土需求量的日益增加，各种矿物掺合料的需求量也越来越大，而传统的矿物掺合料产量逐渐跟不上需求量。将钢渣粉掺入到混凝土中，不仅解决了钢渣大量堆积造成的环境污染问题，还解决了混凝土掺合料产量跟不上的问题，具有环境和社会效益的优势。