鋼渣對(duì)混凝土性能影響的研究進(jìn)展

薛旭峰，房增星，姜正林，喻鵬，宗蘭，張士萍

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

鋼渣對(duì)混凝土性能影響的研究進(jìn)展

薛旭峰，房增星，姜正林，喻鵬，宗蘭，張士萍

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

鋼渣做為煉鋼企業(yè)的副產(chǎn)品，產(chǎn)量非常大，如能合理開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，不僅能降低環(huán)境污染，還具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。文章主要介紹了鋼渣在混凝土中的應(yīng)用情況，討論了鋼渣的成分及摻量對(duì)混凝土的流動(dòng)性、體積安定性、抗凍性、抗氯離子滲透性以及抗碳化性能的影響，指出了此課題研究的重要性。

鋼渣；混凝土；流動(dòng)性；強(qiáng)度；耐久性

0 引言

鋼渣是煉鋼企業(yè)的廢渣之一，也是鋼鐵行業(yè)的主要固體廢棄物之一。鋼渣的產(chǎn)量非常大，年產(chǎn)1萬(wàn)t的煉鋼廠，每年可排出鋼渣約2 500 t。由于煉鋼過(guò)程中工藝要求不同，鋼渣的化學(xué)成分相差較大。同時(shí)，由于鋼渣本身的一些缺陷，如較難磨細(xì)、水化活性較低、化學(xué)成分波動(dòng)較大等，因此實(shí)際利用率相對(duì)較低。鋼渣用來(lái)制備混凝土之前一般都需要進(jìn)行二次加工。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)鋼渣在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用的研究越來(lái)越多。鋼渣本身的化學(xué)成分與水泥是相似的，也就是說(shuō)同樣具有一定的膠凝性能。將鋼渣用于制備水泥、混凝土等建筑材料不僅可以顯著降低水泥用量，而且能夠減少生產(chǎn)水泥所消耗的能源和資源，降低了CO2的排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有積極的作用。

1 鋼渣的應(yīng)用對(duì)混凝土流動(dòng)性及強(qiáng)度的影響

1.1 鋼渣對(duì)流動(dòng)性的影響

鋼渣的摻加對(duì)新拌混凝土的流動(dòng)性有很大的影響。李云峰等[1]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣粉、礦渣粉作為活性礦物摻合料加入混凝土中,對(duì)混凝土的流動(dòng)性有積極作用。這是由于鋼渣的水化機(jī)理，水化速度較水泥慢，且改變了水化基體的孔道大小與分布，使得漿體流動(dòng)性增強(qiáng)。摻加礦渣粉時(shí),混凝土流動(dòng)性減小，摻加鋼渣粉后,混凝土流動(dòng)性均增大;鋼渣粉、礦渣粉復(fù)摻時(shí),混凝土流動(dòng)性亦增大,且鋼渣粉比例越高,流動(dòng)性越大。張錦瑞等[2]則提出，鋼渣礦粉的摻量對(duì)混凝土工作性能有一定的影響。鋼渣中主要含有C2S礦物，C2S早期水化速度較慢，用鋼渣代替水泥，C2S礦物增加，水化速度降低，混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失減??；并且，鋼渣礦粉摻量越大，減小坍落度經(jīng)時(shí)損失的作用越突出。施惠生等學(xué)者[2]也認(rèn)為采用鋼渣部分取代水泥，能控制新拌混凝土流動(dòng)性的降低。因?yàn)樵诨炷脸跄?，水泥中的熟料礦物首先開(kāi)始逐漸水化，同時(shí)隨著水化齡期的延長(zhǎng)，新拌混凝土的流動(dòng)性也會(huì)逐漸發(fā)生損失。而鋼渣摻合料中的類似于硅酸鹽水泥熟料的礦物成分的活性相對(duì)較低、水化反應(yīng)速率較慢，因此不能為流動(dòng)性做出貢獻(xiàn)。

同時(shí)，鋼渣的細(xì)度也會(huì)影響混凝土流動(dòng)性。張錦瑞等[2]提出，當(dāng)鋼渣摻量一定時(shí)，鋼粉細(xì)度對(duì)混凝土工作性能的影響較小。施惠生等[3]認(rèn)為混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，鋼渣細(xì)度對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響越大。但是鋼渣的細(xì)度應(yīng)控制在一定范圍，過(guò)細(xì)的鋼渣比表面積較大，需水量也相應(yīng)增加。

1.2 鋼渣對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

不同的配比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有影響。王保民等[4]認(rèn)為，由于鋼渣中的C3S、C2S等物質(zhì)對(duì)早期強(qiáng)度的促進(jìn)作用，無(wú)論哪種配合比，初始階段的抗壓強(qiáng)度均增長(zhǎng)較快，而后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)有所減慢。白敏等[5]研究表明：影響混凝土硬化后的強(qiáng)度的關(guān)鍵因素是水泥石和骨料界面位置的粘結(jié)強(qiáng)度，而水泥石和骨料界面強(qiáng)度則與水泥石本身的強(qiáng)度以及集料自身狀況(例如表面粗糙程度、棱角的多少等)、水化凝結(jié)條件，以及混凝土的離析泌水性等因素有關(guān)。對(duì)于加了鋼渣的混凝土材料，鋼渣自身表面越粗糙，粘結(jié)力也就越大，從而界面粘結(jié)強(qiáng)度也就越高。因此鋼渣的應(yīng)用會(huì)顯著改變混凝土微觀結(jié)構(gòu)，優(yōu)化集料與水泥石的界面過(guò)渡區(qū)，最終大大提高了混凝土的強(qiáng)度。施惠生等[3]研究表明，鋼渣的摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度有重要影響，當(dāng)鋼渣的摻量低于20%的時(shí)候，鋼渣并不能顯著提高水泥石的強(qiáng)度。雖然鋼渣中的一些微小顆粒能填充水泥石中的孔隙、缺陷以及優(yōu)化界面過(guò)渡區(qū)，但是由于混凝土的水灰比較大，內(nèi)部的孔隙率很大，因此混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

2 鋼渣的應(yīng)用對(duì)混凝土耐久性的影響

2.1 鋼渣對(duì)體積安定性的影響

從目前的眾多研究成果來(lái)看，鋼渣中游離的CaO、MgO等物質(zhì)被認(rèn)為是影響混凝土安定性的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于游離的CaO，因經(jīng)歷“過(guò)燒”的過(guò)程，活性一般會(huì)在后期發(fā)揮作用，產(chǎn)生膨脹，顯示出安定性的不良；MgO的存在對(duì)混凝土的破壞也是不可忽視的。此外，鋼渣的化學(xué)組成與水泥熟料相似，所以康明[6]從混凝土的安定性評(píng)價(jià)與調(diào)控的角度，分別研究了摻鋼渣微粉、鋼渣砂、鋼渣石的混凝土的體積安定性，通過(guò)試驗(yàn)推導(dǎo)出了鋼渣分別以摻合料、細(xì)集料和粗集料的形式應(yīng)用于混凝土?xí)r的合理?yè)搅?。砂漿評(píng)定方法表明鋼渣作為細(xì)骨料的摻量在30%時(shí)，試件表現(xiàn)出潛在安定性不良；而制備混凝土試件的評(píng)定方法則提出鋼渣作為細(xì)骨料來(lái)應(yīng)用時(shí)若摻量達(dá)到50%，混凝土表現(xiàn)出潛在安定性不良現(xiàn)象。由于制備混凝土試件進(jìn)行評(píng)定的試驗(yàn)方法與實(shí)際工程上用的混凝土材料的實(shí)際情況較接近，因此認(rèn)為采用制備混凝土試件進(jìn)行評(píng)價(jià)鋼渣混凝土的安定性更為合適。當(dāng)鋼渣作為細(xì)骨料用來(lái)制備混凝土?xí)r，鋼渣的摻量需要控制在50%以下。鋼渣作為粗骨料時(shí)，以膨脹率是否達(dá)到0.8%或者試件是否斷裂作為評(píng)價(jià)安定性的依據(jù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼渣作為粗骨料應(yīng)用時(shí)摻量達(dá)到30%的時(shí)候，混凝土表現(xiàn)出安定性不良，試件開(kāi)始出現(xiàn)剝落開(kāi)裂情況。因此，所用鋼渣作為粗骨料單摻于混凝土?xí)r，其摻量應(yīng)控制在30%以內(nèi)。

2.2 鋼渣對(duì)混凝土抗凍性能影響

楊全兵等[7]研究發(fā)現(xiàn)，使用鋼渣制備混凝土的時(shí)候，若鋼渣的摻量超過(guò)25%，水泥漿體的孔徑會(huì)細(xì)化，從而增大對(duì)水的阻力，這樣內(nèi)部毛細(xì)孔之間的曲折度也會(huì)相應(yīng)增大，導(dǎo)致水在毛細(xì)孔之間遷移的實(shí)際距離反而增加，造成水結(jié)冰后產(chǎn)生的膨脹壓較難卸除，從而使混凝土的抗凍性有所降低。然而尚建麗[8]等研究發(fā)現(xiàn)摻加小鋼渣顆?？梢蚤g接提高抗凍性，因?yàn)槠浔凰酀{體包裹形成致密的結(jié)構(gòu)，水結(jié)成冰的含量減少了水分的遷移，從而減少了破壞。

2.3 鋼渣對(duì)抗氯離子擴(kuò)散的影響

混凝土自由氯離子的擴(kuò)散速率是影響鋼筋銹蝕的關(guān)鍵因素之一，因此通常采用氯離子的擴(kuò)散性能來(lái)表征混凝土中鋼筋銹蝕情況。王強(qiáng)[9]等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土中鋼渣摻量較大時(shí)，混凝土密實(shí)度降低，而且相對(duì)于粉煤灰，鋼渣改善混凝土硬化漿體孔隙結(jié)構(gòu)能力差很多，因而會(huì)導(dǎo)致混凝土的滲透性很大。但是也有眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，控制鋼渣的摻量（一般低于20%）可以提高混凝土的抗氯離子滲透性。原因總結(jié)為：①鋼渣的膠凝活性明顯低于水泥，因此部分水泥被鋼渣來(lái)代替，實(shí)際上等于變相地提高了水灰比，改善了水泥的水化反應(yīng)環(huán)境，從而使得水泥可以更加充分地發(fā)生水化反應(yīng)；②鋼渣自身的微集料效應(yīng)也會(huì)發(fā)揮出填充作用，可以優(yōu)化混凝土的水泥石和集料的界面結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)部的孔隙率、減小平均孔徑，最終提高密實(shí)度，改善抗?jié)B性；③隨著水化齡期的延長(zhǎng)，鋼渣中的具有水化活性的成分也開(kāi)始慢慢發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物同樣可以填充內(nèi)部的孔隙，即可以提高密實(shí)度；④鋼渣內(nèi)部的具有水化活性的成分發(fā)生的水化反應(yīng)，實(shí)際上還可以優(yōu)化水化產(chǎn)物的整體組成，提高能夠吸附和固化住氯離子的物質(zhì)。如水化產(chǎn)物CSH凝膠及水化鋁酸鹽凝膠的數(shù)量。其實(shí)提高混凝土的抗氯離子滲透能力關(guān)鍵還是要減少氯離子的滲透途徑，可以從鋼渣集料與砂、石級(jí)配關(guān)系分析，盡量減少混凝土內(nèi)部空隙。

2.4 抗碳化試驗(yàn)

碳化，即CO2擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，與Ca(OH)2以及其他膠凝體系發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程，如果能將混凝土縫隙加以密封，可以阻止碳化進(jìn)行。當(dāng)然有研究發(fā)現(xiàn)，混凝土碳化程度與抗壓強(qiáng)度有一定關(guān)系，抗壓強(qiáng)度大的試件，碳化深度反而小[10]。也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與普通混凝土相比，添加鋼渣的混凝土碳化深度會(huì)有所減小。并且，這種碳化深度的減小在碳化的初始階段不是很明顯，但是隨著碳化齡期的延長(zhǎng)，碳化深度會(huì)呈現(xiàn)出較明顯的減小。隨著水化齡期的延長(zhǎng)，鋼渣自身的活性成分發(fā)生水化反應(yīng)，同時(shí)微小顆粒發(fā)揮出填充的效應(yīng)，從而優(yōu)化內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，顯著改善混凝土的抗氣體的滲透性能，最終表現(xiàn)出抑制碳化的效果。

3 結(jié)論與展望

如何最大限度的將鋼渣應(yīng)用到水泥、混凝土等建筑材料中，已成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。眾多研究結(jié)果也表明，鋼渣是可以應(yīng)用到混凝土材料中的。但是由于鋼渣本身的特點(diǎn)，例如化學(xué)組成波動(dòng)較大不易控制，游離氧化鈣含量相對(duì)較高容易導(dǎo)致體積穩(wěn)定性問(wèn)題等。鋼渣作為礦物摻合料，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高附加值資源化利用，仍然有很多問(wèn)題沒(méi)有解決。因此，為實(shí)現(xiàn)鋼渣的大規(guī)模高效率的應(yīng)用，在鋼渣水化機(jī)理、如何激發(fā)鋼渣活性等方面還需要深入研究。

[1]李云峰，王玲，林暉.摻鋼渣粉混凝土工作性和力學(xué)性能研究[J].原材料及輔助材料，2008，（9）：38-40.

[2]張錦瑞，劉淑賢，吳根，等.鋼渣微粉對(duì)混凝土性能的影響[J].科技資訊，2008，（6）：29-30.

[3]施惠生，郭蕾.鋼渣對(duì)硅酸鹽水泥水化硬化的影響研究[J].水泥技術(shù),2004,(2):21-24.

[4]王保民，胡斌，藺懷義.鋼渣混凝土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2004,21（4）：77-79.

[5]白敏,尚建麗，張松榆，等.鋼渣替代粗集料配制混凝土的試驗(yàn)研究[J].混凝土,2005,(7):62-70.

[6]康明.鋼渣用于混凝土的安定性評(píng)價(jià)與控制研究[J].固廢利用，2013,(2):15-17.

[7]楊錢榮,楊全兵.含鋼渣復(fù)合摻合料對(duì)混凝土耐久性的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010, 38(8):1200-1204.

[8]尚建麗，邢琳琳.鋼渣粗集料混凝土耐久性的試驗(yàn)研究[J].水泥混凝土，2012，（8）：25-30.

[9]王強(qiáng)，楊建偉，閻培渝.鋼渣在混凝土總應(yīng)用面臨的耐久性問(wèn)題[J].建筑科學(xué)與工程，2012，（9）：290-295.

[10]趙旭光,趙三銀,李寧，等.高鋼渣摻量和高強(qiáng)度鋼渣水泥的研制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(1): 38-41.

As a by-product for steelmaking,not only environmental pollution can be removed,but huge economical benefits can be created if steel slag can be deeply developed and utilized.A review is given on the application of slag in concrete.Effect of chemical composition and dosage of slag on the performance of concrete is also discussed,including fluidity,stability,frost resistance,chloride ion permeability and carbonation are discussed in detail.The importance of this research subject is also pointed out.

steel slag;concrete;fluidity;strength;durability

薛旭峰（1992-），男，本科，土木工程專業(yè)。

強(qiáng)）（

2014-5-30）