鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土靜力受壓彈性模量試驗研究

崔艷艷，申春梅

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學院，河南 平頂山 467000）

鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土靜力受壓彈性模量試驗研究

崔艷艷，申春梅

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學院，河南 平頂山 467000）

基于試驗研究了鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米二氧化硅混凝土的軸心抗壓強度和靜力受壓彈性模量。試驗結(jié)果表明：鋼渣摻量為20%時，鋼渣混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量達到最大值，分別為46.1 MPa和37.6 GPa；復(fù)摻納米二氧化硅能有效地提高混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量，增強其抵抗變形的能力；鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米二氧化硅混凝土的泊松比均與普通混凝土差別不大。

鋼渣；納米SiO2；軸心抗壓強度；靜力受壓彈性模量

近年來隨著綠色建筑的不斷推進，輕質(zhì)混凝土、保溫混凝土得到了充足的發(fā)展，一些節(jié)約型、環(huán)保型的工程材料也相繼問世[1-2]。鋼渣是生產(chǎn)鋼鐵的廢料，而我國又是一個產(chǎn)鋼大國，年產(chǎn)鋼量在10億t以上，因此我國每年都有大量的鋼渣亟待處理，在這種情況下，鋼渣加入混凝土的想法應(yīng)運而生[3-4]。納米二氧化硅是一種活性較高的材料，用于混凝土中可大大改善混凝土的性能，本文通過對鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土的試驗研究，探討了其軸心抗壓強度和靜力受壓彈性模量的變化規(guī)律。

靜力受壓彈性模量和泊松比是工程材料的重要指標，是反映應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的重要參數(shù)，對彈性模量進行的相關(guān)研究可為后續(xù)其它性能的相關(guān)研究提供至關(guān)重要的參考依據(jù)和科學的理論支撐[5-7]。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥，來自太原某水泥廠，體積安定性良好。

（2）砂：來自山西晉城某砂石廠，細度模數(shù)2.6，堆積密度1600 kg/m3，含泥量0.3%。

（3）碎石：粒徑5～20 mm，堆積密度1650 kg/m3。

（4）鋼渣：選用某鋼廠處理過的鋼渣，比表面積442 kg/m2。

（5）SiO2：粒徑（30±5）nm，SiO2含量高于99%，分散性好，穩(wěn)定性高。

（6）減水劑：選用山東某廠家生產(chǎn)的萘系減水劑，減水率大于15%。

（7）水：自來水。

1.2 試驗方法

對不同分組分別進行彈性模量和軸心抗壓強度試驗，每組試驗成型6個150 mm×150 mm×300 mm混凝土試塊，其中3個試塊用來測試混凝土的軸心抗壓強度，另外3個試塊用來測試混凝土的靜力受壓彈性模量，同時在試塊4個側(cè)面對稱布置應(yīng)變片，以計算試塊的泊松比。試驗的具體操作方法參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的相關(guān)要求進行。

1.3 配合比設(shè)計

本次試驗中水膠比固定為0.40。對鋼渣混凝土，鋼渣取代水泥量分別為0、10%、20%、30%、40%；對鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土，鋼渣取代水泥量分別為10%、20%、30%、40%，納米SiO2摻量為鋼渣質(zhì)量的20%。試驗具體配合比見表1。

表1 試驗的具體配合比kg/m3

試件的制作過程：根據(jù)配比，將鋼渣取代部分水泥，再與砂石混合在一起攪拌60 s，使其充分混合，然后向攪拌機內(nèi)加水和減水劑，攪拌180 s。待攪拌完畢后，將混凝土倒入模具中，再放置振動臺上振搗。在實驗室環(huán)境下養(yǎng)護1 d后拆模，拆模后的試件置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d，進行性能測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 軸心抗壓強度試驗結(jié)果

鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土軸心抗壓強度隨鋼渣摻量的變化見圖1。

圖1 鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土軸心抗壓強度隨鋼渣摻量的變化

由圖1可以看出：

（1）單摻鋼渣時，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土的軸心抗壓強度先提高后降低，在鋼渣摻量為20%時達到最大，為46.1 MPa，較未摻鋼渣的基準混凝土（41.2 MPa）提高11.9%；當鋼渣摻量為40%，鋼渣混凝土的軸心抗壓強度為40.7 MPa，較未摻鋼渣的基準混凝土稍有降低。這是因為混凝土中摻入鋼渣后，鋼渣中含有的硅酸三鈣、硅酸二鈣均發(fā)生了水化反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，鋼渣的微小顆粒能夠促進水泥的二次水化，填充混凝土內(nèi)部的微孔隙，提高其密實度。同時鋼渣中還含有部分CaO和MgO，在水化過程中，這2種物質(zhì)發(fā)生一系列反應(yīng)，產(chǎn)生一定的膨脹作用，優(yōu)化了混凝土的細觀結(jié)構(gòu)，從而提高了其軸心抗壓強度。然而，當鋼渣摻量過大時，即使有部分鋼渣會發(fā)生水化，但仍會產(chǎn)生堆積作用，鋼渣顆粒之間會形成孔隙，使混凝土孔隙率增大，不利于混凝土的力學性能，造成軸心抗壓強度的下降。

（2）鋼渣和納米SiO2復(fù)摻時，隨鋼渣和納米SiO2摻量的增加，混凝土的軸心抗壓強度先提高后降低，在鋼渣摻量為20%時達到最大值，為47.7 MPa，較未摻鋼渣和納米SiO2的基準混凝土提高了15.8%，可見鋼渣和納米SiO2復(fù)摻時，對混凝土強度的提升效果更加顯著。這是因為納米SiO2粒徑較小，比表面積大，將其加入到混凝土后，它與鋼渣以及水泥的接觸面積較大，大大激發(fā)了鋼渣的活性，促進了鋼渣的水化，也促進水泥的二次水化，優(yōu)化了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，從而起到了提高軸心抗壓強度的作用。

（3）同等鋼渣摻量條件下，鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土的軸心抗壓強度比鋼渣混凝土高3%～5%，且隨納米SiO2摻量的增加，基本呈遞增趨勢，在鋼渣摻量為40%時，其軸心抗壓強度較單摻鋼渣條件下增大了5%，增長比例較大。這是因為納米SiO2粒徑小，分散性好，能夠在混凝土中均勻地分布，所以納米SiO2摻量越多，混凝土中分布的納米SiO2顆粒就越多，其對鋼渣以及水泥的水化促進作用就越顯著。

2.2 靜力受壓彈性模量試驗結(jié)果

鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土彈性模量隨鋼渣摻量的變化見圖2。

由圖2可以看出：

（1）單摻鋼渣時，隨鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土的彈性模量先提高后降低，在鋼渣摻量為20%時彈性模量達到最大值，為37.6 GPa，較未摻鋼渣的基準混凝土（33.4 GPa）提高12.6%；而當鋼渣摻量為40%時，鋼渣混凝土的彈性模量為34.5 GPa，較最大值降低了8%。這是因為在鋼渣摻量為20%左右時，混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)相對最為致密，這歸功于鋼渣的水化作用，以及鋼渣對水泥二次水化的促進作用，產(chǎn)生了更多的凝膠，填充了混凝土內(nèi)部的微孔隙，改善了微觀結(jié)構(gòu)，使其更加致密，彈性模量增大。而當鋼渣摻量過大時，如鋼渣摻量增至40%，鋼渣顆粒之間就會形成孔隙，降低了混凝土的密實度，造成彈性模量的降低。

圖2 鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土彈性模量隨鋼渣摻量的變化

（2）鋼渣和納米SiO2復(fù)摻時，隨鋼渣和納米SiO2摻量的增加，混凝土的彈性模量先提高后降低，在鋼渣摻量為20%時達到最大值，為39.5 GPa，較未摻鋼渣和納米SiO2的基準混凝土提高了18.3%，可見同時摻入鋼渣和納米SiO2更加能夠提高混凝土的彈性模量。這是因為納米SiO2粒徑小，比表面積大，且具有良好的分散性，將其加入到混凝土后，它與鋼渣以及水泥的接觸面積較大，較好地促進了鋼渣的水化和水泥的二次水化，提高了凝膠的產(chǎn)量，優(yōu)化了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，從而起到了提高其彈性模量的作用，增強了其抵抗變形的能力。

（3）同等鋼渣摻量條件下，鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土的彈性模量比鋼渣混凝土高4.0%～9.6%，且隨納米SiO2摻量的增加，呈遞增趨勢。在鋼渣摻量為40%時，其軸心抗壓強度較單摻鋼渣條件下提高了9.6%，增長幅度最大。這是因為，僅加入鋼渣且摻量較大時，會產(chǎn)生較多微孔隙，加入納米SiO2后，促進了鋼渣和水泥的水化，凝膠填充了內(nèi)部孔隙。納米SiO2具有良好的活性和分散性，且其粒徑僅為30 nm左右，因此，混凝土內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)并不會因其摻量過大而受到影響。相反，隨著納米SiO2摻量的增加，其對混凝土彈性模量的提升作用越明顯，在鋼渣混凝土中加入納米SiO2后，較好地改善了鋼渣混凝土內(nèi)部的微孔隙結(jié)構(gòu)，使其孔隙率比普通混凝土更低，且密實度得到了進一步的提高，強度進一步增大，其抵抗變形的能力也得到提升。

2.3 泊松比試驗結(jié)果

鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土泊松比隨鋼渣摻量的變化見表2。

由表2可以看出：

（1）單摻鋼渣時，隨鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土的泊松比穩(wěn)中有升，但變化幅度較小。泊松比增大，說明其橫向變形量相對增大。整體來看，鋼渣混凝土的泊松比較穩(wěn)定，基本在0.21左右，仍保持在普通混凝土的泊松比范圍內(nèi)（0.14～0.23）[8]，鋼渣混凝土的變形特征與普通混凝土類似。

表2 鋼渣混凝土和鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土泊松比隨鋼渣摻量的變化

（2）鋼渣和納米SiO2復(fù)摻時，泊松比隨鋼渣摻量的增加呈現(xiàn)先降低，再增大，后又降低的變化趨勢。當鋼渣摻量為10%時，泊松比最小，為0.190；鋼渣摻量為30%時，泊松比最大，為0.223。在不同鋼渣摻量的情況下，加入納米SiO2的混凝土泊松比為0.19～0.22，變化幅度相對較小，且仍保持在普通混凝土的泊松比范圍內(nèi)，也證明了其應(yīng)用于實際工程的可行性。

當混凝土的變形超出彈性階段后，鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土的橫向變形量小于鋼渣混凝土，且其二者差值隨著荷載的增加而逐漸增大。可見，超過彈性階段后，在高荷載的作用下，納米SiO2的加入能夠有效地減小變形量。這是因為SiO2對混凝土的結(jié)構(gòu)起到了改善優(yōu)化的作用，使其內(nèi)部的微細孔隙顯著減少。

3 結(jié)語

（1）當鋼渣摻量為20%時，混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量均達到最大值，鋼渣混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量分別為46.1 MPa和37.6 GPa，鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量分別為47.7 MPa和39.5 GPa。

（2）摻入適量的鋼渣，對混凝土軸心抗壓強度有提升作用，當鋼渣混凝土中鋼渣含量低于20%時，其軸心抗壓強度隨鋼渣摻量的增加而呈提高趨勢；當鋼渣摻量高于20%時，軸心抗壓強度隨著鋼渣摻量的增加而逐漸降低。

（3）納米SiO2的加入能夠有效改善混凝土內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，使混凝土的軸心抗壓強度增大，同時提高混凝土抵抗變形的能力，即增大了其靜力受壓彈性模量。

（4）鋼渣混凝土及鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土的泊松比均與普通混凝土相差較小，在超出彈性階段的高荷載作用下，鋼渣復(fù)摻納米SiO2混凝土的橫向變形量小于鋼渣混凝土。

[1]謝建和，李自堅，孫明煒.硅粉對纖維橡膠再生混凝土抗壓性能影響試驗[J].建筑科學與工程學報，2016（3）：72-77.

[2]柳炳康，陳麗華，周安，等.再生混凝土框架梁柱中節(jié)點抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2011（11）：109-115.

[3]徐兵，張國防.寶鋼鋼渣對水泥混凝土性能的影響[J].新型建筑材料，2013（5）：73-76.

[4]陳福旦，李東，邵姣蓉.基于全工業(yè)廢渣的無熟料鋼渣水泥試驗研究[J].新型建筑材料，2012（8）：65-67.

[5]郭遠臣，王雪.再生骨料混凝土彈性模量實驗研究[J].硅酸鹽通報，2013（3）：467-471.

[6]張榮輝，李健.仿鋼纖維增強輕骨料混凝土性能研究[J].新型建筑材料，2012（5）：69-72.

[7]彭程，葉燕華，趙曉敏，等.新型自保溫混凝土砌塊砌體彈性模量的試驗研究[J].新型建筑材料，2012（9）：45-48.

[8]金莉.再生混凝土力學性能試驗研究[J].新型建筑材料，2006（7）：11-13.

Research on static compressive elastic modulus of steel slag concrete with nano-SiO2

CUI Yanyan，SHEN Chunmei
（Henan Quality Polytechnic，Pingdingshan 467000，China）

Based on the experimental，axial compressive strength and static compressive elastic modulus of steel slag concrete and steel slag concrete with nano-SiO2were studied.The test result shows：when steel slag powder content is 20%of steel slag concrete，the axial compressive strength and elastic modulus reached maximum value，which was 46.1 MPa and 37.6 GPa；nano-SiO2can effectively improve the axial compressive strength and elastic modulus of concrete，enhance the ability of the resistance to deformation；the Poisson's ratio of steel slag concrete and steel slag concrete with nano-SiO2is similar to ordinary concrete.

steel slag，nano-SiO2，axial compressive strength，static compressive elastic modulus

TU528.041

A

1001-702X（2016）12-0050-03

國家自然科學基金項目（50778118）

2016-05-28；

2016-07-14

崔艷艷，女，1982年生，河南魯山人，講師，主要從事建筑工程研究。