复掺钢渣—石粉对混凝土力学性能的影响

袁晶晶，康洪震

(唐山学院 土木工程学院，河北 唐山 063000)

0 引言

我国作为钢铁产量大国，近年来排放的废渣越来越多，但由于钢渣成分波动较大，其中主要包括CaO和MgO等成分。新钢渣含有的游离石灰可使其体积增大1～2倍[1]，从而导致钢渣稳定性较差，加之我国对钢渣的开发利用起步较晚，钢渣的综合利用率仅为10%[2]。但钢渣的耐磨性和抗压性能较好，白敏等学者发现，钢渣混凝土的抗压强度和耐磨性都优于普通混凝土[3]。姜从盛[4]等学者研究了钢渣的稳定性与耐磨性，结果表明存放半年的钢渣是一种优质耐磨的矿质集料。如果将钢渣和水泥等混合材料用于建筑行业，将是对钢渣的附加值充分利用的有效途径。因此，其在路用材料和混凝土中的应用存在着巨大潜力。

随着我国城市化进程的加快，混凝土的需求量不断增加，能够利用的天然河砂也越来越匮乏，机制砂的应用势在必行。而机制砂在生产过程中会产生粒径小于75 μm的石粉，国内外相关试验研究表明，石粉可以改善混凝土的颗粒级配，能够填充孔隙并且促进水化反应，但如果含量过多也会对混凝土造成损伤[5]。如果这些废料能够广泛应用在混凝土中，既能减轻环境污染又能降低生产机制砂的成本。

目前很多学者对钢渣粉及机制砂中石粉含量对混凝土及胶体材料性能影响的研究较多，理论分析及试验方法相对成熟。但对钢渣作为粗骨料的应用研究较少。该项研究以一定掺量钢渣及石粉的混凝土为试验对象，通过研究其力学性能，为钢渣及石粉的回收利用提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：冀东水泥P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，其主要技术指标见表1。

表1 水泥主要技术指标

钢渣：唐钢一钢轧厂转炉渣，稳定性满足要求，粒径为30 mm以下，其主要化学成分见表2。

表2 钢渣化学成分/%

石粉：产自山东济南某厂家，比表面积为340 m2/kg，细度(45 μm筛)7.8%，其主要化学成分见表3。

表3 石粉化学成分/%

粗集料：5～25 mm连续粒径级碎石。

细集料：细度模数为2.5～2.8的中砂。

1.2 配合比

混凝土配合比设计需要满足和易性和强度要求。邢琳琳等[6]学者在研究以钢渣作为粗集料应用于混凝土中时发现，对于抗压强度，以50%左右的掺量为最佳。张如林[7]学者在研究机制砂中石粉含量对混凝土抗压强度的影响中得出石粉含量在10%左右时，混凝土的工作性能及力学性能达到最佳状态。范德科[8]等对石粉改善混凝土的和易性及抗压强度进行了研究，发现石粉含量在9%～12%时保水性和粘聚性较好，随着石粉含量的增加，混凝土的强度有所下降。纪海花[9]学者试验研究发现，随着石粉掺量从0%增大至20%时，自密实混凝土的强度随着石粉掺量的增大呈现出先增加后减小的趋势，当石粉掺量为10%时，对自密实混凝土的强度贡献最大。故试验依次采用15%、30%、45%和60%钢渣等量替代碎石；以5%、10%和15%石粉等量替代水泥进行混凝土的拌合，按C30混凝土进行配合比设计，其基本配合比为：水胶比0.49，mc：ms：mG=1：1.467：2.785。

1.3 试验方法

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行抗压强度试验。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组试件为3个，按照标准方法养护并分别测定3 d、7 d、28 d天龄期的抗压强度。

2 试验内容及结果分析

2.1 单掺钢渣对混凝土抗压强度的影响

单掺钢渣替代粗集料的混凝土抗压强度结果见表4和图1。

表4 单掺钢渣混凝土抗压强度

图1 单掺钢渣掺量对抗压强度的影响

如表4和图1所示，随着钢渣替代粗集料掺量的增加，混凝土的抗压强度不断增加，其强度值均高于空白组。查坤鹏[10]学者通过试验发现C30的钢渣混凝土的抗压强度明显高于普通混凝土，钢渣的掺入会改变混凝土的内部结构，强化了集料与浆体的界面过渡区。3 ～7 d龄期时，单掺钢渣的混凝土强度增长率分别为25%、22%、20%和19%，均低于空白组31%，但随着钢渣替代量的增加，其增长率呈下降趋势，分析原因主要是由于钢渣的吸水率较大，使胶体材料用水量减小，导致早期强度增长放缓。7 ～28 d龄期时，钢渣掺量为45%时抗压强度最高，其强度增长率为最快，此阶段水化反应基本完成，混凝土密实度较好，钢渣与胶体材料粘结强度较高，钢渣抗压性能较好，对混凝土贡献较大。但随着钢渣掺量提高，当达到60%时，钢渣的吸水量继续增加，但在等量替代粗集料时，由于钢渣密度比碎石大，粗集料的减少导致材料的强度下降，从而导致混凝土抗压强度低于45%掺量时的强度。

2.2 单掺石粉对混凝土抗压强度的影响

单掺石粉替代水泥的混凝土抗压强度结果见表5和图2。

表5 单掺石粉抗压强度

图2 单掺石粉掺量对抗压强度的影响

如表5和图2所示，随着石粉替代水泥用量的增加，混凝土的抗压强度不断降低。分析其主要原因为石粉为惰性材料，不参与水化反应，仅起到物理填充效应，石粉可填充水泥颗粒间缝隙，使自由水量增大，导致胶体材料的保水性变差，使其抗压强度降低。在石粉掺量为10%以内时，28 d抗压强度略低于空白组。当掺量为15%时，其强度值下降较多。在石粉掺量为5%、10%和15%时，3～7 d龄期的抗压强度增长值基本与空白组相当。因此，在一定石粉掺量下，对混凝土早期抗压强度的增长影响不大。

2.3 复掺钢渣及石粉对混凝土抗压强度的影响

复掺钢渣替代粗集料及石粉替代水泥的混凝土抗压强度结果见表6和图3～图5。

表6 复掺钢渣和石粉抗压强度

图3 复掺钢渣和石粉掺量对抗压强度的影响(钢渣掺量为30%)

图4 复掺钢渣和石粉掺量对抗压强度的影响(钢渣掺量为45%)

图5 复掺钢渣和石粉掺量对抗压强度的影响(钢渣掺量为60%)

如表6所示，复掺钢渣和石粉的混凝土3 d、7 d和28 d的抗压强度，随着石粉掺量的增加，其抗压强度呈下降趋势。由图3和图4可知，当钢渣掺量为30%，石粉掺量为5%以及钢渣掺量为45%，石粉掺量为5%时，混凝土龄期为3 d、7 d和28 d的抗压强度与单掺钢渣时基本持平，高于空白组。由图3和图5可知，钢渣掺量为30%，石粉掺量为10 %时以及钢渣掺量为60%，石粉掺量为5%时，混凝土抗压强度与空白组基本持平。由此可见，在石粉低掺量情况下，对混凝土单掺钢渣时的抗压强度影响不大。分析其原因，石粉与水泥的填充效应使胶体材料的密实度增加，由于石粉掺量较少，增加的自由水量在粗集料周围形成了湿度微区，维持了混凝土内部的相对湿度，起到了促进水泥水化的作用，同时强化了混凝土中的钢渣等粗集料与胶体材料的界面，使其界面的粘结强度增强，所以混凝土的抗压强度变化不大。

由图3～图5可知，在钢渣掺量为30%，石粉掺量为15%和钢渣掺量为45%，石粉掺量为15%以及钢渣掺量为60%，石粉掺量分别为10%、15%时，混凝土的抗压强度比空白组低。由此可见，当石粉掺量较多时，掺入钢渣的混凝土的抗压强度提高的有利影响不能抵消石粉带来的不利影响。

由表6可知，当钢渣掺量为30%，复掺石粉为10%时，3～7 d龄期混凝土抗压强度增长率最快。分析原因其一是适量石粉的掺入能够加速C2S的早期水化作用，转化而成的C3S是胶体材料早期强度的主要来源。其二，在复合掺量钢渣为30%、石粉为10%的情况下，由于钢渣的孔隙较多，水泥在水化作用下所形成的水化产物进入钢渣内部，加之石粉填充水泥颗粒的缝隙，这些胶体材料与钢渣表面及内部形成了类似“锚杆”的作用，所以加快了混凝土早期的抗压强度。

3 结论

(1)以钢渣等量替代粗集料可以提高混凝土的抗压强度，其中以掺量为45%时抗压强度增长率最高。

(2)以石粉等量替代水泥，当掺量为5%时可以提高混凝土的抗压强度；当掺量继续增加至10%、15%时，混凝土的抗压强度下降。

(3)复掺钢渣石粉时，随着石粉掺量的增加，混凝土抗压强度呈下降趋势。当钢渣掺量为45%，石粉掺量为5%时，混凝土抗压强度最佳；当钢渣掺量为30%，石粉掺量为10%时，混凝土龄期3～7 d抗压强度增长率最快。