董海琴
上海众合检测应用技术研究所有限公司 上海宝山区 200436
摘 要：钢渣是在炼钢过程中的工业副产品，随着人们环境保护意识的增强，提高了对钢渣的处理利用，但钢渣的有效利用率仍较低。本文采用钢渣粉替代部分矿渣微粉，配制钢矿渣微粉复合掺合料混凝土，并对其混凝土性能进行研究，通过对不同比例掺量条件下的钢矿渣微粉与同水灰比的普通混凝土进行对比试验，研究其拌合物性能、力学性能、耐久性能等方面的差异。研究结果表明：除凝结时间外，掺钢矿渣微粉复合掺合料混凝土的拌合物性能与普通混凝土相比基本无影响，凝结时间影响较大；在力学性能方面，除掺40%钢矿渣微粉复合掺合料的混凝土外，掺钢矿渣微粉复合掺合料混凝土的早期强度较低，但中后期强度与普通混凝土基本接近；此外，钢矿渣微粉复合掺合料对混凝土耐久性能基本无影响。本文研究成果可为拓展新型混凝土矿物填充料相关研究提供实质性的试验数据参考，以促进钢渣能变废为宝，使资源充分循环利用。
关键词：钢矿渣微粉；混凝土；复合掺合料；拌合物性能；力学性能；耐久性能
引言
钢渣是在炼钢过程中，伴随产出的工业副产品，被称为冶金工业的头号废渣[1]，其排放量大，占钢产量的15～20％。长期以来，钢渣作为废物抛弃，占用良田，污染环境。随着经济的高速发展，合理利用资源、环境保护意识不断加强。钢渣的处理利用经过几十年发展，虽然在利用技术和利用方法上形成了一定特色，其主要利用途径包括烧结矿的原料、路基材料、回填材料、水泥工业和建筑制品等，但有效利用率仅为36％左右，与发达国家相比还有较大差距。
本文拟用钢渣粉替代部分矿渣微粉进行钢矿渣微粉复合掺合料混凝土配制，并对其多项混凝土性能进行研究，为拓展新型的混凝土矿物填充料提供实质性的数据，并用于混凝土，使其能变废为宝。
1 试验原材料
1）水泥：普通硅酸盐 42.5水泥（上海联合水泥有限公司）；
2）粉煤灰：F类Ⅱ级（上海电桥实业有限公司）；
3）矿粉：S95（上海宝田）；
4）细骨料：河砂，中砂，细度模数2.6；
5）粗骨料：碎石，5mm～20mm连续粒级；
6）外加剂：高性能聚羧酸减水剂（减水率25%）；
7）钢渣粉：宝钢滚筒渣，上海水泥厂球磨机磨制，比表面积为384m2/kg。
2 钢矿渣混凝土试验配合比
掺钢矿渣复合微粉混凝土的强度发展情况，由矿渣、钢渣自身的品质（包括粉料的细度，钢渣、矿渣的化学组成），所用水泥的品质、取代率、胶凝材料用量，浇筑和养护等条件决定，抗渗、抗冻、碳化等耐久性能也是如此。考虑到钢矿渣复合微粉在实际工程的应用，混凝土配合比选用了上海地区常用的泵送混凝土C30的配合比，用水量基本不变，砂率保持基本不变的前提下，通过调整外加剂掺量来控制混凝土坍落度为（180±30）mm。C30混凝土的配合比分别如表1，钢矿渣复合微粉掺量分别为胶凝材料总量的20%、30%和40%，其中钢渣粉与S95矿粉复合比例为40%：60%。
表1 C30混凝土配合比
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说明 1、Ⅱ级粉煤灰影响系数取值0.9，掺量10%；
2、矿粉、钢矿渣复合微粉掺量按等量替代水泥计算；
3、水胶比0.50；
4、砂率44%。
3 试验方法与依据
1）混凝土拌合物性能：《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080-2016[2]；
2）混凝土力学性能：《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019[3]；
3）混凝土耐久性能：《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009[4]。
4 C30钢矿渣复合微粉混凝土性能
C30混凝土是目前建筑市场上最普遍使用的混凝土。本试验方案中选用C30普通泵送混凝土为基准，用钢矿渣微粉复合掺合料替代普通混凝土中胶凝材料用量20%～40%的钢矿渣微粉复合掺合料混凝土做对比，做混凝土性能测试，包括：
1）混凝土拌合物性能（坍落度、坍落度经时损失、凝结时间、泌水率、含气量等）。
2）混凝土力学性能（抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度、静力受压弹性模量等）。
3）混凝土耐久性能（抗冻、收缩、碳化等）。
4.1 C30钢矿渣复合微粉混凝土拌合物性能试验分析
4.1.1 坍落度与坍落度保留值分析
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由表2和图1可得出：钢矿渣微粉的掺入对混凝土坍落度基本无影响，掺钢矿渣微粉混凝土30min、60min坍落度保留值与掺矿粉混凝土30min、60min坍落度保留值接近，且大于基准混凝土(A-0)的坍落度保留值。同时亦表明钢矿渣微粉与高性能聚羧酸减水剂适应性良好。
4.1.2 凝结时间分析
表3 C30混凝土凝结时间
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由表3和图2可得出：用钢矿渣微粉配制的C30混凝土，其初凝时间和终凝时间较基准混凝土(A-0)的凝结时间都有不同程度的延长，随着钢矿渣微粉掺量增加，凝结时间延长量增加，当钢矿渣微粉掺量达到40%时，混凝土初凝时间延长了近18个小时，终凝时间延长了29个小时，这是由于水泥用量大大减少，钢渣粉的早期活性较低，水化反应速度较慢造成的。因此，C30混凝土中钢矿渣微粉掺量应不超过30%。
4.1.3 泌水率或含气量的影响
表4 C30混凝土泌水率
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由表4可知：钢矿渣微粉的掺入，对混凝土拌合物的泌水率基本无影响。
由表5可知，钢矿渣微粉的掺入，对混凝土拌合物的含气量基本无影响。
4.2 C30钢矿渣微粉复合掺合料混凝土力学性能分析
4.2.1 抗压强度与抗折强度分析
两种掺合料配制的C30混凝土抗压强度和抗折强度试验结果见表6、表7和图3、图4。
表6 C30混凝土抗压强度及抗压强度比
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图 3 不同掺量矿粉的C30混凝土抗压强度比 图 4 不同掺量钢矿渣微粉的C30混凝土抗压强度比
由表6、表7和图3、图4可看出：
1）随着钢矿渣微粉掺量增加，混凝土3d抗压强度明显降低，掺量为30%时，3d抗压强度比低于70%，掺量40%时，3d抗压强度比低至15%；同掺量的矿粉混凝土3d抗压强度较高。
2）掺钢矿渣微粉混凝土的7d抗压强度比有明显的增长，28d抗压强度比接近90%，60d、90d和180d抗压强度与基准混凝土(A-0)抗压强度相当，除钢矿渣微粉掺量40%外。
3）掺钢矿渣微粉混凝土60d抗折强度与基准混凝土(A-0)60d的抗折强度接近，除钢矿渣微粉掺量40%外。
4）对C30混凝土，钢矿渣微粉的掺量应不超过30%。
4.2.2 轴心抗压强度与静力受压弹性模量分析
表 8 C30混凝土轴心抗压强度(60d)
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由表8、表9可知，掺钢矿渣微粉混凝土60d轴心抗压强度、静力受压弹性模量与基准混凝土(A-0)60d静力受压弹性模量接近，除钢矿渣微粉掺量40%外。
4.3 C30钢矿渣微粉复合掺合料混凝土耐久性能分析
混凝土耐久性试验(抗冻、收缩、碳化)选取了30%掺量矿粉混凝土(A-3)与30%掺量钢矿渣微粉混凝土(A-4)、基准混凝土(A-0)对比。
4.3.1 抗冻性能分析
抗冻融试验采用慢速试验，冻融循环次数为50次。由表10的试验结果可知：无论从抗压强度损失还是质量损失方面看，掺钢矿渣微粉混凝土(A-4)与掺矿粉混凝土(A-3)、基准混凝土(A-0)的抗冻性基本相同。
表10 C30混凝土抗冻性能(60d)
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试验结果表明掺钢矿渣微粉混凝土(A-4)的收缩较基准混凝土(A-0)的收缩值稍大，与掺矿粉混凝土的收缩值接近。
4.3.3 碳化性能分析
对标准养护60d的试件进行碳化试验，碳化箱内CO2浓度为20%，温度为20℃±3℃，相对湿度为70%±5%。试验表明掺钢矿渣微粉混凝土(A-4)的碳化深度与基准混凝土(A-0)、掺矿粉混凝土(A-3)的碳化深度十分接近。
表12 C30混凝土抗碳化性能(60d)
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5 不同粉磨方式钢矿渣粉混凝土的基本性能试验分析
分别采用球磨、振动磨和雷蒙磨粉磨钢渣，选取30%钢矿渣掺量（其中钢渣粉与矿渣粉以40%：60%比例混合）的C30配比，试验结果如表13、表14：
表13 不同粉磨方式钢矿渣微粉拌合物性能
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由表13中的试验结果可知，钢矿渣微粉30%掺量时，使用三种粉磨方式粉磨的钢矿渣微粉复合掺合料混凝土的含气量、坍落度、泌水率以及初、终凝时间基本相同，以雷蒙磨方式粉磨的钢矿渣微粉复合掺合料的混凝土拌合物，其30min和60min的坍落度保留值小于球磨的粉磨方式。
由表14中的力学性能的试验结果可知，钢矿渣微粉30%掺量时，使用三种粉磨方式粉磨的钢矿渣微粉复合掺合料混凝土的3d、7d、28d、60d、90d、180d抗压强度基本相同。
表14 不同粉磨方式钢矿渣微粉力学性能
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6 结论与建议
1）C30混凝土中掺入钢矿渣微粉复合掺合料，对混凝土拌合物的坍落度、坍落度保留值、含气量、泌水率基本无影响。但大大延长了混凝土的凝结时间，随着钢矿渣微粉复合掺合料掺量提高至40%，初凝时间延长了近18个小时，终凝时间延长了29个小时。混凝土3d抗压强度显著降低，7d抗压强度比有明显增长。28d、60d、90d和180d抗压强度以及60d抗折强度、60d弹性模量与基准混凝土基本接近(除掺40%钢矿渣微粉复合掺合料的混凝土外)。
2）从C30混凝土的耐久性来看，钢矿渣微粉复合掺合料的掺入对混凝土的抗冻性能、碳化性能和收缩性能基本无影响。
3）钢矿渣微粉复合掺料与市场上主流高性能聚羧酸减水剂适应性能较好。
4）钢渣的粉磨方式对钢矿渣微粉复合掺料混凝土拌合物性能及力学性能基本无影响。
参考文献：
[1]陈晓友.用钢渣砂替代细集料配制混凝土的试验与应用[J].建设技术开发，2010，37（9）
[2]GB/T 50080-2016.普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S].
[3] GB/T 50081-2019.普通混凝土力学性能试验方法标准[S].
[4] GB/T 50082-2009.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].