改性鋼渣水泥基材料早強性能研究與應(yīng)用

蔣育紅，任建軍，劉全威，楊 輝，楊 浩，余 平

（1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 安徽馬鞍山 243002；2.江蘇都市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 江蘇南京 211100；3.馬鞍山路橋工程有限公司 安徽馬鞍山 243000；4.瑞馬丸建（安徽）工程支護科技有限公司 安徽馬鞍山 243000）

中國作為世界上鋼鐵產(chǎn)量最大的國家，每煉制1t 鋼鐵就會產(chǎn)生150－200 kg 鋼渣，但對鋼渣的利用率卻不足30%［1］，基于國家節(jié)能減排的大環(huán)境，針對鋼渣再利用的研究層出不窮。 張浩［2］將鋼渣和磷酸溶液、硅烷偶聯(lián)劑、硬酯酸混合處理后得到的多孔改性鋼渣粉并用于充當(dāng)橡膠填料。 從礦物和化學(xué)成分方面分析，鋼渣與硅酸鹽水泥組成相似［3］，可見以鋼渣為原料制備的膠凝材料仍具有一定研究價值。 趙計輝［4］發(fā)現(xiàn)在水泥中摻入磨細(xì)后的鋼渣、礦渣粉末可以明顯提高其材料力學(xué)性能。 Fathollah Sajedi［5］、Marie Michel［6］和J.I. Es?calante－Garcia［7］使用鋼渣粉、礦粉部分替代硅酸鹽水泥，添加活性激發(fā)劑并制備膠砂試塊，試驗結(jié)果表明適量摻加鋼渣、礦渣并添加活性激發(fā)劑可有效提高材料的早期和中期的力學(xué)性能。 王金邦［8］發(fā)現(xiàn)鋼渣在pH ＞12 的環(huán)境中隨著堿溶液的濃度增加，漿體水化放熱速率及放熱總量逐漸升高，鋼渣水化速度顯著加快。

P·O 42.5 水泥作為硅酸鹽熟料的一種，若利用其水化過程中提供的堿性環(huán)境作為鋼渣粉末的激發(fā)條件，理應(yīng)可以提高水泥基材料的早期強度。因此，本文以MSP 和P·O 42.5 水泥為主要原料，探究該新型綠色材料對水泥基材料力學(xué)性能發(fā)展的影響規(guī)律，并篩選出早期強度較高的水泥基材料配合比，以滿足實際工程需要。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

本試驗使用的膠凝材料包括：P·O 42.5 水泥作為主要膠凝材料；S90 級硅灰和Ⅱ級粉煤灰作為礦料逐級填充材料空隙，用于提升材料密實度和強度；添加HCSA 膨脹劑以應(yīng)對材料收縮；使用MSP改善材料早強性能。 另外以0.5 mm－1 mm 粒徑石英砂作為細(xì)骨料，聚羧酸減水劑和有機硅消泡劑作為外加劑，用于改善材料力學(xué)性能及和易性。

1.2 試驗方法

本試驗在已有高強水泥基材料配合比［9］的基礎(chǔ)上，保持膠砂比和水灰比不變，基于控制變量法，在0－20%區(qū)間內(nèi)以5%為一級，使用MSP 分級替代水泥，研究該新型綠色材料對水泥基材料流動度以及強度發(fā)展的影響。 基于上述試驗得出的結(jié)果，采用正交試驗法，研究MSP 摻量、減水劑摻量、粉煤灰摻量和水灰比這四種變量對水泥基材料1 d強度的影響，以篩選出早期和晚期強度均較高的早強水泥基材料配合比。 本試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》［10］，使用水泥膠砂抗折抗壓試驗機測試試件力學(xué)性能。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 MSP 單因素試驗結(jié)果及分析

以MSP 摻量為單一變量的試驗結(jié)果如下表1。根據(jù)表1 可以看出，當(dāng)MSP 摻量提高至20%時，水泥基材料的1 d 抗折強度和抗壓強度均較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于未摻入MSP 的空白對照組；隨著MSP 摻量增加，水泥基材料后期抗壓強度和抗折強度均有不同程度降低，其中實驗組5 的試件相較于空白對比組強度下降最多，其28 d 抗壓強度降低54%，抗折強度降低26%。 以MSP 摻量為橫坐標(biāo)，材料不同齡期的抗折強度和抗壓強度為縱坐標(biāo)，繪制趨勢圖，如下圖1（a）、1（b）所示，分析可知MSP 的摻入有效提升了水泥基材料的早期強度，但其對材料后期強度的發(fā)展存在一定的負(fù)面影響，不同摻量下的后期強度降低程度不同。 且其對于抗折強度和抗壓強度的影響規(guī)律也不相同，該試驗中以1 d 抗折強度為指標(biāo)的MSP 最優(yōu)摻量為15%，而以1 d 抗壓強度為指標(biāo)的MSP 最優(yōu)摻量為20%；4 個不同摻量的試驗組中，28 d 抗折強度相對空白組的降低幅度也明顯低于28 d 抗壓強度的降低幅度，可見無論是早期強度的提高還是后期強度的降低，MSP對抗壓強度的影響都要比對抗折強度的影響更加顯著。

圖1 MSP 對材料力學(xué)性能影響

表1 MSP 摻量試驗結(jié)果

水泥基材料流動度和折壓比隨MSP 摻量的變化趨勢如下圖1（c）、1（d）所示。 分析圖片可知，隨著MSP 摻量的增加，材料的初始流動度和30 min 流動度逐漸降低，兩次測量之間的流動度損失逐漸增大，最大達到107 mm；材料的折壓比在摻量較低（5%）時無明顯變化，但隨著MSP 的摻量增加，材料折壓比有顯著提高。 由此可見，MSP 加入后材料凝結(jié)速度加快，且摻入量越多效果越明顯；其次MSP 的摻量較大（＞5%）時，對水泥基材料韌性也有一定改善作用。

MSP 作為一種可再利用綠色材料，由鋼渣經(jīng)過改性后磨細(xì)制成，其主要成分鋼渣的含量高達95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右，其成分也基本與鋼渣相同。 主要礦相成分包括C2S、Ca2Fe2O5，還有一些少量的C3S、Ca（OH）2和CaCO3，以及一些未結(jié)晶的玻璃相物質(zhì)［11］。 MSP 和P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥混合后，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca（OH）2會引起體系堿性快速提高［12］，堿性環(huán)境可有效激發(fā)鋼渣粉體的活性，加快其內(nèi)部玻璃相物質(zhì)的解離速度，促進體系內(nèi)C2S、C3S 的形成［13］，從而有效提高水泥基材料早期強度。 同時，體系反應(yīng)過程中生成C－SH（水化硅酸鈣）和C－A－H（水化鋁酸鈣）凝膠產(chǎn)物，以及具有一定填充性的CaCO3和AFt，均有利于水泥基材料體系密實度的增加［6］，在加快體系內(nèi)材料水化速率的基礎(chǔ)上，進一步提高水泥基材料早期強度，具體表現(xiàn)在MSP 加入后，水泥基材料的初始流動度逐漸下降，且30 min 內(nèi)的流動度損失明顯增大，凝結(jié)速度顯著加快。

2.2 正交試驗結(jié)果及分析

通過單因素試驗法，了解MSP 對水泥基材料流動度、抗折強度和抗壓強度等性能的影響，以及不用摻量對上述性能的影響規(guī)律，分析單因素試驗所得數(shù)據(jù)并依據(jù)此設(shè)計正交試驗，篩選出早強水泥基材料的最優(yōu)配比。 在本試驗中，保持膠砂比、硅灰摻量、消泡劑與膨脹劑摻量不變，以1 d 抗壓強度和抗折強度作為主要指標(biāo)，研究MSP、粉煤灰、減水劑含量和水灰比對水泥基材料早期強度的影響規(guī)律。

選用正交表L16（44）進行正交試驗，設(shè)置四種因素分別為MSP 摻量（簡稱A）、減水劑摻量（簡稱B）、粉煤灰摻量（簡稱C）、水灰比（簡稱D），各因素設(shè)計水平表如下表2。

表2 正交試驗因素水平表

1 d 強度作為早強材料的重要參數(shù)，也主要以1 d 強度作為早強水泥基材料早強性能的評定指標(biāo)，1 d 強度試驗結(jié)果見表3。

表3 1 d 強度正交試驗結(jié)果表

（1）極差分析

1 d 試件的強度試驗及計算結(jié)果如下表4 所示。 由極差分析結(jié)果可知，1 d 抗折強度最大為6.15 MPa，滿足早強性能要求。 分析平均強度可知，在1 d 抗折強度的影響因素中，減水劑添加量和水灰比的影響比較明顯，其中減水劑添加量的極差最大達到4.44 MPa，MSP 和粉煤灰摻量的影響較小。粉煤灰摻量的增加對水泥基材料1 d 抗折強度的提高也有一定作用，這主要是因為添加少量粉煤灰，可以提高材料體系內(nèi)的密實度，由于摻入量較少，雖然粉煤灰相較于水泥水化速度較慢，但不會對水泥基材料前期強度發(fā)展速度造成太大影響，且其“火山灰效應(yīng)［14］”對水泥基材料后期強度提高有一定積極作用。 1d 抗壓強度最大為33.59 MPa，滿足早強要求。 上述變量對水泥基材料1 d 抗壓強度的影響規(guī)律與抗折強度類似，減水劑添加量和水灰比對抗壓強度影響同樣較大，MSP 和粉煤灰摻量次之。 根據(jù)極差分析得到1 d 抗折強度的最優(yōu)配比為A1B1C2D1，1 d 抗壓強度的最優(yōu)配比為A3B1C2D1。

表4 1 d 強度極差分析表

（2）方差分析

1 d 強度方差分析結(jié)果如下表5 所示。 從各因素均方大小及p 值可知，影響1d 抗折、抗壓強度的因素主次順序為：減水劑摻量→水灰比→MSP 摻量→粉煤灰摻量，結(jié)果與極差直觀分析結(jié)果一致，其中減水劑添加量水平對材料1 d 強度影響顯著，其余因素并無顯著影響。

表5 1d 強度方差分析表

3 工程應(yīng)用

隨著地下空間的大規(guī)模開發(fā)利用，裝配式鋼結(jié)構(gòu)基坑支護體系與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支護相比具有施工速度快、工業(yè)化程度高和可循環(huán)利用等優(yōu)點，符合國家“碳達峰碳中和”的長遠(yuǎn)規(guī)劃和綠色環(huán)保理念。 然而基坑支護的關(guān)鍵問題在于土體開挖后需盡早完成支撐安裝，保證基坑安全，節(jié)省工期。 支撐節(jié)點的重要作用即是將支撐力快速有效地傳遞到支護體系，以平衡土壓力。 從而要求節(jié)點的設(shè)計必須滿足快速、高強和施工便捷等要求。 常用的裝配式鋼結(jié)構(gòu)基坑支護體系中，鋼圍檁與型鋼樁之間、以及角部斜撐與鋼圍檁之間的后澆塊均采用普通細(xì)石混凝土填充，養(yǎng)護周期長，在養(yǎng)護時間較短的情況下，無法快速提高強度，使得支護體系的支撐力不足［15］；且針對施工過程中無法避免的施工、測量誤差而出現(xiàn)的大小、形狀均不規(guī)則的異型縫隙，低流動度細(xì)石混凝土并不能完全填充，不利于支護體系的承載。

國內(nèi)某人行下穿開挖工程，基坑支護采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系，鋼圍檁和鋼板樁之間存在許多異型縫隙，為盡量縮短工期且滿足填充材料的強度要求，現(xiàn)采用最優(yōu)配比早強水泥基材料填補縫隙，并制備100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊和40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體試塊，施工過程如下圖2。 測量施工現(xiàn)場同條件養(yǎng)護下試塊強度，測試結(jié)果如下圖3，1 d 抗折強度達到6.33 MPa，抗壓強度達到37.18 MPa；3 d 抗折強度達到8.51 MPa，抗壓強度達到54.85 MPa；7d 抗折強度達到9.26 MPa，抗壓強度達到58.47 MPa；28 d 抗折強度達到10.34 MPa，抗壓強度達到58.50 MPa，滿足《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》［16］中強度要求和現(xiàn)場工程實際需要。

圖2 基坑鋼結(jié)構(gòu)支護體系中早強水泥基材料的應(yīng)用

圖3 施工預(yù)留試塊測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過單因素試驗和正交試驗，研究了MSP 對水泥基材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，并通過對正交試驗所得數(shù)據(jù)進行極差與方差分析，了解MSP 在內(nèi)的四種不同因素對水泥基材料早期強度發(fā)展的影響，并根據(jù)分析結(jié)果篩選出早期強度較高的水泥基材料配合比。 通過分析試驗結(jié)果，本文獲得如下結(jié)論：

1）在高強水泥基材料配合比的基礎(chǔ)上添加新型綠色材料MSP，采用控制變量和正交試驗兩種試驗方法，完成共22 種不同配合比的水泥基材料抗折、抗壓強度測試試驗，結(jié)果表明MSP 對加快水泥基材料凝結(jié)速度，提高水泥基材料早期強度等方面均有正面作用。

2）采用極差分析研究早期強度性能較好的配合比，通過調(diào)整MSP、減水劑、粉煤灰摻量和水灰比，得到各變量最佳水平分別為11%、0.3%、4%和0.20，其1d 抗壓強度高達36.64 MPa，抗折強度達到6.47 MPa，具有良好的早強特性。

3）選取最優(yōu)配合比用于基坑鋼結(jié)構(gòu)支護體系中鋼圍檁與型鋼樁之間的異型縫隙填充，澆筑24 h抗壓強度即可達到37.18 MPa，完全滿足工程對1d抗壓強度超出30 MPa 的要求。