鋼渣-石粉混凝土工作性和水泥膠砂力學性能實驗研究

田爾布，王逢朝，康海鑫，連躍宗，崔秀琴

（三明學院建筑工程學院，福建三明365004）

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鋼渣-石粉混凝土工作性和水泥膠砂力學性能實驗研究

田爾布，王逢朝，康海鑫，連躍宗，崔秀琴

（三明學院建筑工程學院，福建三明365004）

摘要：利用鋼渣微膨脹補償石粉干縮的思想，復摻鋼渣-石粉取代部分水泥進行混凝土工作性和水泥膠砂強度實驗。實驗結果分析表明：復摻鋼渣-石粉增大了混凝土拌合物的坍落度，但混凝土拌合物的黏聚性和保水性會隨著石粉摻量增大而變差；因鋼渣具有活性，參與后期二次水化反應，3、28 d膠砂強度隨著鋼渣摻量（25%以內(nèi)）增加而基本保持不變，而7 d的隨著鋼渣摻量增加而減少；石粉不具有活性，3、7、28 d膠砂強度隨著石粉摻量增加整體呈現(xiàn)下降趨勢；復摻鋼渣、石粉的3、7、28 d膠砂強度隨著復摻摻量增加，整體呈現(xiàn)下降趨勢，且隨著石粉摻量增加，強度下降趨勢明顯。

關鍵詞：鋼渣；石粉；坍落度；強度

鋼渣是鋼鐵冶煉中排放的廢棄物，由于鋼渣安定性和易磨性較差，因此鋼渣的綜合利用率僅20%［1-2］，鋼渣粉磨到一定細度時，游離的CaO和MgO被活化，在水泥水化早期就參與反應生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，經(jīng)水化反應后生成較多的結晶水化物、具有膨脹特性的鈣釩石，體積微膨脹；而石粉部分取代機制砂（0～20%）進行混凝土干縮試驗，發(fā)現(xiàn)干縮率隨石粉含量增加完全呈遞增趨勢［3-5］。對于鋼渣和石粉對混凝土性能研究有很多研究［6-10］，但是很少利用鋼渣微膨脹補償石粉帶來的干縮的研究還很少，因此本文將先對復摻鋼渣-石粉取代部分水泥進行混凝土和水泥膠砂力學性能進行研究，以期對后續(xù)研究提供借鑒。

1 試驗材料與配合比

1.1 實驗材料

（1）水泥

本研究采用紅獅牌P.O 42.5型普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標見表1。

表1 水泥的主要技術指標

（2）粗集料

為福建三明的花崗巖碎石，其物理性能測試結果如表2所示。

表2 粗集料性能測試結果

（3）細集料

本研究細集料為三明沙溪河產(chǎn)的河砂，屬中砂，各項指標均符合規(guī)范的相關要求，其物理性能測試結果如表3所示。

表3 細集料性能測試結果

（4）鋼渣

本實驗所用鋼渣的生產(chǎn)商為福建福建鋼源粉體有限公司，主要化學成分及技術指標見表4。

表4 化學成分及技術指標

（5）石粉

本實驗所用的石粉為福建省三明市某公司研磨生產(chǎn)的石粉，45 μm方孔篩篩余量10%，其主要化學成分及技術指標見表5。

表5 化學成分及技術指標

1.2 配合比

用于測試鋼渣、石粉交叉摻量混凝土坍落度的配合比見表6。用于測試鋼渣、石粉交叉摻量混凝土膠砂強度的配合比見表7。

表6 鋼渣、石粉交叉摻量混凝土坍落度的配合比

表7 鋼渣、石粉交叉摻量混凝土膠砂強度的配合比

2 實驗與實驗結果與分析

2.1 坍落度試驗

根據(jù)相關的規(guī)范，在混凝土攪拌均勻后進行坍落度試驗，實驗結果見表8和圖1。從表8和圖1可以看出，隨著石粉和鋼渣總摻量增加，整體呈出增大趨勢，而黏聚性和保水性卻呈現(xiàn)變差趨勢。從比表面積上分析，因為石粉的比表面積（320 m2/kg）略小于水泥（380 m2/kg），石粉可起到填充作用，減少使顆粒間的空隙，降低空隙水量，增加自由水量，進而增大了混凝土拌合物的流變性能，故隨著石粉取代水泥質(zhì)量的增加，混凝土的坍落度不斷增大。同時因為石粉的吸附水能力較水泥差，致混凝土拌合物的黏聚性和保水性會隨著石粉摻量增大而變差。

表8 坍落度實驗結果

圖1 石粉-鋼渣交叉摻量混凝土的坍落度變化曲線

2.2 強度試驗

2.2.1 單摻鋼渣粉對膠砂強度的影響

單摻鋼渣粉對膠砂強度的實驗結果見表9，圖2、圖3為鋼渣摻量和時間對膠砂抗壓、抗折強度的影響曲線。

表9 單摻鋼渣膠砂強度

圖2 鋼渣摻量對抗壓強度的影響

圖3 鋼渣摻量對抗折強度的影響

由表9和圖2可以看出，隨著鋼渣增加，膠砂3 d抗壓強度整體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，但是變化不明顯，7 d抗壓強度卻呈現(xiàn)整體下降趨勢，而28 d的呈現(xiàn)先增大后減小，最后相對持平。從圖2可以看出，鋼渣摻量10%左右，對膠砂強度影響開始產(chǎn)生突變。由于鋼渣對參與早期水化幾率較低，膠砂強度主要由水泥產(chǎn)生，因此3 d的膠砂強度隨著鋼渣摻量變化影響不大；而7 d膠砂強度，由于鋼渣摻量增加，減少了中期水化的水泥，從而導致膠砂強度下降；由于鋼渣參與了二次水化反應，膠砂28 d后期強度整體上與空白組相當，甚至更高。同樣，由圖3可以看出，膠砂抗折強度隨著鋼渣摻量增加整體上表現(xiàn)出與其抗壓強度相近的規(guī)律。

2.2.2 單摻石粉對膠砂強度的影響

單摻石粉對膠砂強度的實驗結果見表10，圖4、圖5為石粉摻量和時間對膠砂抗壓、抗折強度的影響曲線。

表10 單摻石粉膠砂強度

圖4 石粉摻量對抗壓強度的影響

圖5 石粉摻量對抗折強度的影響

由表10和圖4可以看出，膠砂3 d、7 d、28 d抗壓強度隨著石粉摻量增加，整體呈現(xiàn)下降趨勢。從圖4中可以看出，3 d、7 d、28 d膠砂抗壓強度下降的趨勢是逐漸增大，主要因為石粉沒有活性，其不參與二次水化反應，僅僅起填充效應作用，不像鋼渣參與水泥中后期二次水化反應，且3 d膠砂中水泥主要進行了一次水化作用，而7 d、28 d膠砂中水泥一次、二次水化均起重要貢獻，所以石粉摻量越大，二次水化作用效果就越差。因此，3 d、7 d、28 d膠砂抗壓強度下降的趨勢隨著石粉摻量增大而增大。同理，由圖5可以看出，膠砂抗折強度隨著石粉摻量增加整體上表現(xiàn)出與其抗壓強度相近的規(guī)律。

2.2.3 復摻鋼渣、石粉對膠砂強度的影響

復摻鋼渣、石粉對膠砂強度的實驗結果見表10，圖6、圖7為復摻摻量和時間對膠砂抗壓、抗折強度的影響曲線。

表11 復摻鋼渣、石粉膠砂強度

圖6 石粉、鋼渣摻量對抗壓強度的影響

圖7 石粉、鋼渣摻量對抗折強度的影響

由表11和圖6可以看出，復摻鋼渣、石粉的膠砂3、7、28 d抗壓強度隨著復摻摻量增加，整體呈現(xiàn)下降趨勢；圖6中，在石粉摻量較?。?%）范圍內(nèi)，由于鋼渣參與二次水化作用，膠砂后期強度隨著鋼渣摻量增大而增大，但是隨著石粉摻量增大，膠砂強度不管是早期3 d還是中后期7、28 d均處于下降趨勢，且28 d膠砂強度持續(xù)快速下降的。其中，摻量（石粉：鋼渣=10.0∶7.5）至（石粉：鋼渣=12.5∶12.5）時，圖6中抗壓強度基本沒有變化，這主要由于增加5%鋼渣摻量對強度有利的貢獻抵消石粉不利貢獻。同理，圖7所示，膠砂抗折強度隨著復摻鋼渣、石粉摻量增加整體上表現(xiàn)出與其抗壓強度相近的規(guī)律。

3 結論

在水泥混凝土拌合物中，石粉可起到填充作用，減少使顆粒間的空隙，降低空隙水量，增加自由水量，增大了混凝土拌合物的坍落度，同時因為石粉的吸附水能力較水泥差，致混凝土拌合物的黏聚性和保水性會隨著石粉摻量增大而變差。

水泥中3 d早期基本不進行二次水化反應，鋼渣參與后期二次水化反應，因而3 d的膠砂強度隨著鋼渣摻量變化影響不大，7 d膠砂強度隨著鋼渣摻量增大而下降，28 d膠砂后期強度整體上基本不變，甚至更高。而石粉沒有活性，3、7、28 d膠砂強度隨著石粉摻量增加，整體呈現(xiàn)下降趨勢。

復摻鋼渣、石粉的3、7、28 d膠砂強度隨著復摻摻量增加，整體呈現(xiàn)下降趨勢，且隨著石粉摻量增加，強度下降趨勢明顯。

參考文獻：

［1］吳蓬，梁志強，呂憲俊.鋼渣粉的膠凝性能及活化研究進展［J］.中國粉體技術，2015（4）∶80-84.

［2］張勁，陸文雄，王雪，等.鋼渣的利用及其應用研究進展［J］.粉煤灰綜合利用，2014，02∶46-50.

［3］涂昆，劉家祥，鄧侃.鋼渣粉和鋼渣水泥的活性及水化機理研究［J］.北京化工大學學報（自然科學版），2015（1）∶62-68.

［4］邢琳琳.鋼渣穩(wěn)定性與鋼渣粗骨料混凝土的試驗研究［D］.西安∶西安建筑科技大學，2012.

［5］姚楚康.石粉特性對混凝土性能的影響研究［D］.武漢∶武漢理工大學，2014.

［6］蔡基偉.石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究［D］.武漢∶武漢理工大學，2006.

［7］Zhang Tongsheng，Yu Qijun，Zhang Jiangxiong，et aL. Preparation of high performance bLended cements and recLamation of iron concentrate from basic oxygen furnace steeL sLag［J］. Resources，Conservation & RecycLing . 2011，56（1）∶48-55.

［8］Yi Huang，Xu Guoping，Cheng Huigao，et aL. An overview of utiLization of steeL sLag［J］. Procedia EnvironmentaL Sciences. 2012，16（4）∶791-801.

［9］田爾布，劉奮醒，張仁巍.粗集料骨架結構的高強混凝土工作性研究［J］.公路，2011（10）∶162-165.

［10］蔡琪瑛.磨細鋼渣粉對水泥混凝土性能影響的研究［J］.混凝土與水泥制品，2012（5）∶5-8.

（責任編輯：葉麗娜）

An Experimental Study on Steel Slag-stone Powder Concrete Workability and Cement Mortar Mechanical Properties

TIAN Erbu，WANG Fengchao，KANG Haixin，LIAN Yuezong，CUI Xiuqin

（SchooL of Architecture and CiviL Engineering，Sanming University，Sanming，F(xiàn)ujian 365004）

Abstract:Referencing the ideoLogicaL of sLag expansion compensating micro powder shrinkage，test the concrete workabiLity and mortar strength mixed with steeL sLag-powder to repLace part of the cement. SteeL sLag-stone powder increases the sLump of concrete mixture，but concrete mixture cohesiveness and water retention wiLL deteriorate with increasing stone powder content；The steeL sLag participates post-secondary hydration reaction because of its active properties，and 3，28 d mortar strength substantiaLLy unchanged with steeL sLag content（Less than 25%）increased，but 7 d mortar strength decreases with the steeL sLag content increasing；3，7，28 d mortar strength show a downward trend with stone powder dosage increase because it does not have an active；3，7，28 d mortar strength show overaLL downward trend with compLex mixed content increases，and the strength decreased significantLy with the stone powder content increases.

Key words:steeL sLag；stone powder；sLump；strength

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1674-2109（2016）03-0067-05

收稿日期：2016-01-08

基金項目：福建省教育廳科技項目（JA12307）；福建省科技廳重點項目（2013Y0076）；福建省自然科學基金指導性計劃項目（2012D125）；福建省自然科學基金（2015J01646）；三明學院科研發(fā)展基金（B201302/G）。

作者簡介：田爾布（1981-），男，漢族，講師，主要從事結構工程（混凝土結構）研究。