邓海斌1

摘要： 通过试验测试分析了钢渣粉单掺以及与硅灰二元复掺混凝土在不同配合比下的和易性、力学性能和耐久性能，并基于改性前后混凝土微观结构特征的测试分析揭示了钢渣粉单掺以及与硅灰二元复掺对混凝土材料的改性机理。试验研究结果表明：钢渣粉取代混凝土中水泥最适宜的比例是10%，此时混凝土的力学性能和耐久性能都得到有效的提高，掺量20%的钢渣混凝土与普通硅酸盐混凝土各项性能相近。钢渣粉与硅灰的二元复掺可以使混凝土的力学性能和耐久性得到显著提高。钢渣粉在混凝土中的作用有两个：一是作为活性胶凝材料发生水化反应，但其活性比水泥低；二是微集料效应，分散水泥颗粒填充混凝土的孔隙，提高混凝土的密实度。

关键词：钢渣粉；硅灰；混凝土；性能；机理

中图分类号：TU528.1，     文献标志码：A

Mechanical Properties and Durability of Concrete modified with Steel Slag and Silica Fume

Deng Haibin¹, Wang Hailong², Peng Qiwen³, SUN Xiaoyan²

(1. Huzhou Highway Administration, Huzhou 313000,China;

2. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；

3. The Design Institute of Landscape and Architecture,ChinaAcademy of Art, Hangzhou 310012,China)

Abstract: Experimental study was carried out to investigate the physical and mechanical properties, the durability, and the microstructures of concretes mixed with different percentages of steel slag. At the same time, silica fume was used to improve the performance and the microscopic properties of steel slag concrete. The test results indicate that the steel slag can be used in concrete as cementing material with lower activity than the cement. Steel slag substituting 10% cement by mass improves the mechanical properties and the durability of concrete. Even up to 20%, the steel slag could be advantageously blended with cement without adversely affecting the performance of concrete. When the mixture uses equal weight portion of steel slag and silica fume, the strength and the durability of concrete are improved dramatically. Steel slag powder has two favorable effects on the concrete performance. Firstly, steel slag can act as an active cementitious material to improve the hydration reaction in concrete, but its activity is lower than that of cement. Second, Steel slag powder can act as micro-aggregate, which disperses the cement particles, fills the pores, and improves the compactness of concrete.

Key words: Steel slag powder; silica fume; concrete; performance; mechanism

1. 引言

据统计显示，我国2005年钢渣、铁渣产量已达1.65亿吨，综合利用率却只有50% ^[1]，其余部分基本做堆积处理，这不仅严重污染了环境，同时也造成资源的浪费。在日本、美国等发达国家，钢渣的利用率总体较高，主要用途是作为道路工程用混凝土集料、作为水泥混合材,或者用于改良土壤性质和作冶金炉料等等^[2]。相比较而言，近几十年来钢渣的综合利用在我国受到了重视，在钢渣做水泥原料及混凝土细掺合料方面的研究和应用走在了世界前列。目前国内外研究表明：钢渣粉作为细掺料在混凝土中使用无安定性问题，与普通混凝土相比，钢渣混凝土的抗压强度略高或相差不大，弹性模量较高，且干缩性能较低^[3-8]。

但是，目前直接将钢渣磨细后形成的钢渣粉作为混凝土掺合料或替代混凝土中水泥的研究还处于起步阶段，亟待深入开展。而且，钢渣粉单独作为混凝土掺合料有时还不满足工程的实际要求，需要与其他具有火山灰活性的掺合料复掺来提升混凝土的性能。因此，本文基于磨细钢渣粉混凝土的力学性能和耐久性试验研究，确定钢渣粉替代水泥的最佳配比及含量，并利用硅灰对较佳掺量的钢渣粉混凝土进行性能提升，最后根据材料的细微观结构特征来探讨钢渣粉硅灰对混凝土的改性机理。

2. 试验概况

2.1  试验原材料及混凝土配合比

水泥采用P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，安定性良好；砂子采用天然河砂，中砂，颗粒级配良好、细度模数2.7；石子采用5~20mm连续级配的碎石；钢渣采用浙江某钢铁公司提供的钢渣粉，其比表面积不小于400m²/kg，化学组成分析见表1，技术标准见表2；拌和水为自来水。

2.2  测试内容与试验方法

本文根据《实用建筑材料试验手册》^[9]和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》^[10]的基本要求，每组配合比制作标准试件。钢渣混凝土试件成型后自然养护24h后拆模，然后将试件移入温度为20℃、相对湿度为95%的标准养护室内养护28d后进行如下的试验。

（1）抗压强度、劈拉强度和弹性模量试验

根据已有研究，矿物掺合料会影响混凝土早期强度，所以本文分别在试件达到7天、28天龄期时进行抗压强度试验。并测试28天龄期混凝土的劈拉强度、弹性模量。

（2）氯离子渗透性试验

将Φ100mm×50mm的试件打磨光滑，并采用超声波水洗仪清洗2分钟，然后对试件进行RCM试验，最后计算得到混凝土的非稳态氯离子迁移系数。

（3）碳化试验

采用龄期分别为7d和28d的 150mm×150mm×300mm棱柱体混凝土试件，利用碳化试验箱进行不同配比钢渣混凝土的抗碳化试验。分别碳化到7d、28d时取出试件，破型以测定混凝土的碳化深度。

（4）混凝土微观结构的测试分析

采用扫描电镜观察界面过渡区水化物形态的变化来揭示磨细钢渣粉混凝土、钢渣粉硅灰混凝土的改性机理。

3. 试验结果与讨论

3.1 钢渣粉、硅灰对混凝土和易性的影响

试验得到的钢渣混凝土坍落度结果如表4所示。结果显示，磨细钢渣粉单掺（S10、S20和S30）混凝土的流动性与基准混凝土相比，并无显著变化。这是由于本试验所选取的钢渣粉的比表面积与水泥的相差较小。而对于钢渣粉与硅灰二元复掺的混凝土，为了达到与基准混凝土相似的坍落度，需要掺入质量分数0.3%的高效减水剂，说明硅灰的加入导致混凝土工作性能变差。

3.3 钢渣粉单复掺后混凝土的变形特性

图1示出了不同配比钢渣混凝土的应力-应变关系曲线，从中可以看出，对于钢渣单掺混凝土，在相同的应力下应变均大于基准混凝土，这说明钢渣粉适量取代水泥制备混凝土可以提高混凝土的塑性，在破坏前较普通混凝土有更大的变形。

由图1还可以看出，钢渣单掺混凝土初始弹性模量与28d抗压强度有着很好的线性关系，而二元复掺钢渣混凝土（S5SF5）的初始弹性模量稍低且与抗压强度线性相关性不明显。

3.4 钢渣粉单复掺后混凝土的抗氯离子渗透性

表6给出了磨细钢渣粉单掺和与硅灰二元复掺后混凝土28天龄期的非稳态氯离子迁移系数。试验结果显示，与基准混凝土相比，钢渣单掺混凝土随着钢渣粉掺量的增加，氯离子迁移系数先降低后增大。掺量为20%钢渣混凝土的氯离子迁移系数与基准混凝土相差不大。这说明，少量掺入钢渣有利于提高混凝土的抗氯离子渗透性能，掺量增大会导致抗氯离子渗透性能的降低。主要原因：少量钢渣作为细微掺合料在混凝土中进行水化反应填充孔隙，可使孔隙封闭，但掺量增多时钢渣未水化颗粒较多，使混凝土孔隙率增大，从而导致混凝土抗渗性降低。

对于二元复掺钢渣混凝土，钢渣粉硅灰以1:1的比例取代10%水泥用量后，迁移系数显著降低，即抗氯离子渗透能力得到显著的提高，说明硅灰和钢渣粉的复合效应对混凝土抗氯离子渗透性的贡献远大于钢渣粉单掺。

3.5 钢渣粉混凝土碳化深度

试验得到的钢渣粉单掺混凝土7d、28d碳化深度如表7所示。试验结果显示：混凝土碳化深度随碳化时间的增加而增大，快速碳化28d的碳化深度为7d碳化深度的2倍左右。钢渣粉以10%和20%的比例代替水泥可以提高改性后混凝土的抗碳化能力，当掺量为30%时，混凝土的抗碳化能力下降。

通过观察表5中混凝土28d抗压强度、表6中氯离子迁移系数及表7中28d碳化深度的变化规律，可以发现，混凝土抗压强度越高，抗氯离子渗透性能越高，则碳化深度越小。反之，若混凝土抗压强度越低，抗氯离子渗透性能越差，则碳化深度就越高。这样的宏观性能表现均归结于混凝土不同矿物掺和情况下微观结构的不同，即少量钢渣作为细微掺合料掺入混凝土时，能够较充分的发生水化反应，且剩余的极少的钢渣微分能够均匀的、分散的填充混凝土的内部缺陷，这对于混凝土的各项性能都是有利的。而钢渣掺和量增多后，很可能因为接触面积不足而导致较多的钢渣颗粒未能水化，钢渣微粒又可能聚集成团，这样就增加了混凝土的内部缺陷，导致混凝土宏观性能的降低。

4  混凝土微观结构及改性机理

图2为普通混凝土、钢渣粉掺量10%的混凝土、钢渣粉与硅灰各5%掺入混凝土后在其骨料砂浆交界处的电镜扫描结果。对比图中（b）S10、（c）S5SF5与基准普通混凝土的结果可见，改性前后混凝土骨料砂浆交界面的微观结构差别是明显的。对比（b）与（a）可见，钢渣混凝土与普通混凝土的水化产物种类和形态大致相同，均是针状的钙矾石晶体、和层状的氢氧化钙晶体贯穿于较为致密的C-S-H凝胶当中，不同的是，（b）中钙矾石晶体有所减少，而增多了网状、絮状的水化产物。同时还观察到（b）中有未水化的钢渣颗粒存在。这虽然会导致混凝土内部缺陷的增加，但当钢渣颗粒很少且粒径很小时，其微集料效应又会起到填充缝隙的作用。相比于（a）和（b），钢渣粉-硅灰复掺的（c）中明显可以看出界面处更加致密，其中大量短柱状的C-S-H凝胶集聚在一起，界面的空隙结构明显更少，界面过渡区明显被加强。

通过对混凝土最薄弱环节（即骨料砂浆交界面）的观察，充分显示了掺加矿物掺合料改性的混凝土力学性能与耐久性能变化的原因。即矿物掺和料通过水化反应及微集料效应会提高混凝土内部，尤其是薄弱的骨料砂浆交界面的密实度。同时也看到二元复掺混凝土中，钢渣粉与硅灰的协同促进作用。

5 结论

（1）与普通混凝土相比较，磨细钢渣微粉以10%~30%的用量比例取代水泥制备的混凝土的流动性并未发生显著的变化。

（2）磨细钢渣粉在混凝土中的作用有两个：钢渣粉在混凝土中的作用有两个：一是作为活性胶凝材料发生水化反应，但其活性比水泥低；二是微集料效应，分散水泥颗粒填充混凝土的孔隙，提高混凝土的密实度。

（3）钢渣粉与硅灰的二元复掺可以显著提高混凝土的力学性能和耐久性。

（4）钢渣粉以10%左右的比例取代水泥，可制备力学及耐久性能均得到显著提高的混凝土。掺量20%的钢渣粉混凝土与普通硅酸盐混凝土各项性能相近。如果在实际工程中采用20%钢渣粉取代水泥是可行的。

参考文献：

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[8] 孙家瑛．磨细钢渣对混凝土力学性能及安定性影响研究[J]．粉煤灰，2003，5：7-9.

[9] 王忠德，张彩霞等主编．实用建筑材料试验手册(第二版) [M]．中国建筑工业出版社，2003.8

[10] GB/T 50082-2009．普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法[S]．中华人民共和国国家标准，2010.

[作者简介]：邓海斌，（1976-）男，高级工程师，主要从事绿色混凝土材料和混凝土桥梁的管养工作。