鋼渣對水泥混凝土性能影響的研究進展

施惠生，李東鋒，吳凱，郭曉潞

鋼渣對水泥混凝土性能影響的研究進展

施惠生1、2，李東鋒2，吳凱2，郭曉潞1、2

綜述了鋼渣的主要化學(xué)組成和礦物組成，及其對新拌混凝土流動性，硬化混凝土的強度、耐久性的影響。在低摻量與用水量不變的情況下，摻入一定量鋼渣能夠改善混凝土的流動性；適量鋼渣的摻入會降低混凝土的早期抗壓強度，但到28d時抗壓強度與基準混凝土相近；摻入一定量的鋼渣可以減少混凝土早期干縮，改善混凝土后期抗碳化性能，提高混凝土抗氯離子滲透能力；含氣量相近鋼渣摻量不大時，抗凍性與基準混凝土相近，鋼渣摻量較大時，混凝土抗凍性有所降低。

鋼渣；混凝土；流動性；強度；耐久性

1 前言

鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，主要來自煉鋼時加入的石灰石、白云石和鐵礦石等冶煉熔劑，為調(diào)整鋼材性質(zhì)而加入的造渣材料，以及高溫下融化成的兩個互不熔解的液相爐料中分離出來的雜質(zhì)等，其排放量約為粗鋼產(chǎn)量的12%～20%左右[1]。據(jù)統(tǒng)計，2006年我國鋼鐵渣的堆存量約4億噸，占地約2700萬m2，新產(chǎn)生的鋼渣約5800萬噸；2007年我國鋼鐵工業(yè)排出鋼渣量達到了8500萬噸，2008年我國全年鋼渣排放量達7000余萬噸，全國鋼渣累計積存量達到3億多噸[2-4]。若不對堆放的鋼渣進行及時有效的處理，不僅占用大量土地資源，還會造成環(huán)境污染。

目前鋼渣主要應(yīng)用于路基工程、工程回填料和瀝青混凝土集料等，而在水泥混凝土中的應(yīng)用不到其利用總量的10%[5-11]。近幾年來，人們主要研究了鋼渣膠凝性的激發(fā)途徑和制備新材料的可行性，但鋼渣對水泥混凝土力學(xué)性能和耐久性影響的理論研究尚不夠系統(tǒng)和深入，因此，加強這方面的理論研究顯得非常有必要，可以為鋼渣資源化提供知識基礎(chǔ)，使分布廣、數(shù)量大的鋼渣作為礦物摻合料在水泥混凝土中得到充分應(yīng)用成為現(xiàn)實，在獲得巨大的經(jīng)濟效益的同時也有利于保護環(huán)境，節(jié)約資源與能源，實現(xiàn)水泥混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展。

2 鋼渣的性質(zhì)

鋼渣礦物組成主要是硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鐵鋁酸鹽（C4AF）和少量的方鎂石（MgO）以及游離氧化鈣，鋼渣的化學(xué)成分主要有CaO、SiO2、Fe2O3、MgO，此外還有少量Al2O3、MnO2、P2O5等（見圖1）[12,13]，可見鋼渣礦物化學(xué)組成與硅酸鹽水泥熟料相似。鋼渣經(jīng)化學(xué)激發(fā)和機械激發(fā)后均具有較強的水硬膠凝性，具備用作水泥混合材和混凝土摻合料的基礎(chǔ)條件。但鋼渣的形成溫度比硅酸鹽水泥熟料高200～300℃，并且在鋼渣緩慢冷卻過程中，C3S大部分發(fā)生分解，因此鋼渣中處于介穩(wěn)態(tài)的C3S所占密度較少，C3S的含量遠低于水泥熟料。此外，由于鋼渣的冷卻速度很慢，C2S晶格發(fā)生重排，活性較高的β-C2S向活性較低的γ-C2S轉(zhuǎn)化，這也是鋼渣活性低于水泥熟料的另一個原因，鋼渣因此也被稱為過燒硅酸鹽水泥熟料[13]。

目前導(dǎo)致鋼渣在水泥混凝土中應(yīng)用受限的主要原因有兩個：（1）鋼渣的成分復(fù)雜多變不同鋼廠，采用煉鋼工藝不同，原料來源不同，鋼渣的礦物、化學(xué)成分含量存在差異（見表1），即使同一鋼廠，不同批次的鋼渣也存在細微差異（見表2）。

（2）鋼渣可能存在安定性不良的問題

鋼渣中存在的少量游離CaO，在混凝土硬化后緩慢水化生成Ca(OH)2，體積增至1.98倍，部分學(xué)者[13,14]認為這是導(dǎo)致鋼渣安定性不良的重要因素；另外，有研究表明，當鋼渣中金屬鐵粒含量在2.2%以上時，壓蒸試驗的安定性不合格，因此鋼渣必須經(jīng)過磁選[15,16]。

表1 不同鋼廠鋼渣化學(xué)成分[17]，%

表2 各鋼廠不同批次鋼渣化學(xué)成分[18]，%

3 鋼渣水化機理

鋼渣的基本形態(tài)是固溶體，與硅酸鹽水泥熟料不同的是，鋼渣中的C3S固溶了MnO、FeO、Al2O3等氧化物，兩者礦物化學(xué)組成的差異導(dǎo)致鋼渣與水泥水化機理略有不同。鋼渣的水化一般要經(jīng)過兩個階段，首先是完整的結(jié)構(gòu)受到破壞，然后才是參與水化反應(yīng)，致使它的水化速度比一般水泥中的C3S要慢。鋼渣水化前期生成大量的Ca（OH）2以及少量CSH凝膠，水化產(chǎn)物主要是 Ca（OH）2、C2SH（C）（可能是粒硅鈣石和無水斜方硅鈣石的混合物）、少量Mg（OH）2和鈣礬石；隨著水化的進行，大量未水化的C3S和β-C2S等熟料礦物開始水化，Ca（OH）2不斷減少，生成了大量的CSH凝膠以及鈣礬石，水化產(chǎn)物主要是Ca（OH）2、AFt和Mg（OH）2等；到中后期C3S和β-C2S等熟料礦物基本消失，C2SH（C）、Mg（OH）2等逐漸減少[19-22]。

施惠生，郭蕾等[23]研究結(jié)果顯示，摻40%鋼渣的混合水泥，3d時水泥的水化硬化反應(yīng)已經(jīng)全面展開，有大量的Ca（OH）2及少量CSH凝膠產(chǎn)生，此時結(jié)構(gòu)比較疏松，孔隙率也較大，硬化水泥漿體的強度較低。水化進行至28d時，Ca（OH）2量明顯減少，CSH凝膠繼續(xù)增多，結(jié)構(gòu)變得密實，硬化水泥漿體中氣孔減少，強度有較大提高，但結(jié)構(gòu)仍顯疏松。90d時水泥的水化已經(jīng)基本完成，硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)得到進一步改善，熟料水化產(chǎn)生的Ca（OH）2大部分已被鋼渣的水化反應(yīng)所消耗，在掃描電鏡下已經(jīng)難于找到Ca（OH）2，同時結(jié)構(gòu)中有大量CSH凝膠形成，還發(fā)現(xiàn)有少量鈣礬石，硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)更加密實，混合水泥的強度已接近同齡期硅酸鹽水泥強度。

通過XRD分析摻鋼渣的混合水泥3d的水化產(chǎn)物主要為Ca（OH）2、C2SH（C），少量Mg（OH）2和AFt，還有大量未水化的C3S及β-C2S。28d的水化產(chǎn)物主要為 Ca（OH）2、C2MS2、C2SH（C）和少量Mg（OH）2，AFt含量有所增加，未水化的C3S及β-C2S已經(jīng)基本消失。90d的水化產(chǎn)物主要為C2SH（C）、AFt、Ca（OH）2，Mg（OH）2含量有所減少，中間水化產(chǎn)物C2MS2已經(jīng)被進一步的水化反應(yīng)所消耗掉。水化產(chǎn)物C2SH（C）可能是粒硅鈣石和無水斜方硅鈣石（C3S2）的混合物，或者是與之有關(guān)的一個相，但C2SH（C）的性質(zhì)還不太確定，尚需進一步深入研究。摻鋼渣的水泥水化90d仍存在AFt，并沒有向AFm轉(zhuǎn)變。

4 鋼渣摻合料對混凝土流動性及強度的影響

4.1 鋼渣摻合料對混凝土流動性的影響

（1）鋼渣摻量對混凝土流動性的影響

鋼渣的活性較低，達到可塑性所需的水量較少，用鋼渣替代部分水泥后，復(fù)合膠凝材料的需水量小于等質(zhì)量純水泥的需水量。因此，在用水量不變的情況下，摻入鋼渣會增加混凝士的流動性。李永鑫等研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)[17,18,24,25]，當水灰比較低時，摻入鋼渣能夠改善混凝土的流動性，且在一定程度上鋼渣摻量越大，效果越明顯。當水灰比較高時，摻入鋼渣也能在一定程度上改善混凝土的流動性，但摻量較大時，混凝土的抗離析能力下降。在鋼渣摻量為15%～25%時，流動性普遍提高，對提高混凝土的流動性有利；但當摻量進一步增大時，流動度有停滯或倒縮現(xiàn)象。

在混凝土初凝前，由于膠凝材料中的C3S、C2S、C4AF等逐漸水化，隨著時間的推移，混凝土的流動性會降低。而鋼渣中類硅酸鹽水泥熟料的礦物的水化活性低、水化速度慢，因此，用鋼渣替代部分水泥可以在一定程度上抑制新拌混凝土流動性的降低。相關(guān)研究結(jié)果表明，相比基準混凝土，摻鋼渣的混凝土保持流動性的能力增強，且鋼渣的摻量越大，混凝土保持流動性的能力越強[26]。朱航等[27]研究表明，利用鋼渣做摻合料，可制備初始坍落度大于18cm的混凝土，與基準混凝土相比，摻加鋼渣的混凝土初始坍落度約大1～2cm。同時鋼渣降低混凝土坍落度經(jīng)時損失的作用也比較明顯，且鋼渣摻量越大，減小坍落度經(jīng)時損失的作用越突出?？梢?，鋼渣的摻入不僅有利于提高新拌混凝土的流動性，還能抑制混凝土的經(jīng)時坍落度損失。

（2）鋼渣細度對混凝土流動性的影響

如在語文教學(xué)過程中，可以依據(jù)教學(xué)內(nèi)容合理安排學(xué)生的閱讀時間，加強對文章的閱讀理解以及情感的領(lǐng)悟體會。通過課內(nèi)的有效閱讀，豐富情感。同時也可以拓展閱讀的素材內(nèi)容，加強其情感的認知和閱讀理解能力。長此以往的堅持閱讀，將使學(xué)生養(yǎng)成良好的閱讀習(xí)慣，加強文化內(nèi)涵素養(yǎng)。

鋼渣細度對混凝土流動性存在影響。陳益民等[28]研究表明，隨著鋼渣比表面積的增大，鋼渣改善混凝土流動性及減小混凝土流動性損失的效果都會變小。這是因為鋼渣的比表面積增大，致使鋼渣顆粒被水包裹的需水量增加。同時，鋼渣中礦物與水的接觸面積增大，使得水分子容易進入礦物內(nèi)部加速水化反應(yīng)，提高了鋼渣的活性。

不同細度鋼渣對不同等級混凝土流動性的影響如圖2～4[18]所示。混凝土的強度等級越高，鋼渣細度對混凝土流動性的影響越大。對于C20～C60混凝土，鋼渣的摻量為膠凝材料用量的20%，比表面積為600m2/kg時，對于C20混凝土，1h坍落度經(jīng)時損失約為2cm，而對C60混凝土，1h坍落度經(jīng)時損失則高達4～5cm。但鋼渣的細度應(yīng)有一定的限制范圍，過細的鋼渣比表面積較大，需水量也相應(yīng)增加。此外，從降低粉磨電耗的角度出發(fā)，也不必將鋼渣磨得過細。

4.2 鋼渣摻合料對混凝土強度的影響

鋼渣的摻量對混凝土強度有重要影響。在混凝土中用鋼渣替代部分水泥，能使硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)及界面過渡區(qū)發(fā)生變化。當鋼渣摻量＜20%時，鋼渣對硬化水泥石漿體強度的影響并不明顯，而鋼渣中的微小顆粒則可以填充漿體中的孔隙及改善過渡區(qū)，且隨著齡期的增長，鋼渣中的部分活性成分發(fā)生水化，改善混凝土微結(jié)構(gòu)，從而提高后期強度。但當鋼渣摻量較大時（＞20%時），膠凝材料中的惰性組分較多，在用水量不變的情況下，相當于增大了水灰比，因此，盡管鋼渣可以起到一定的填充作用，但由于實際水灰比過大，漿體結(jié)構(gòu)的孔隙率很大，造成混凝土的抗壓強度降低[17,24]。

已有研究表明[27,29]，鋼渣摻量為10%～20%時，混凝土各齡期的抗壓強度相對于基準混凝土略有提高；當鋼渣摻量為20%時，混凝土28d和90d抗壓強度接近基準混凝土；當摻量超過20%時，隨著鋼渣摻量的增加，混凝土的抗壓強度開始呈明顯的下降趨勢（表3）。

此外，隨著鋼渣比表面積的提高，混凝土強度有一定提高。鋼渣摻量為10%時，摻400m2/kg鋼渣的混凝土強度為44.2MPa，摻600m2/kg鋼渣的混凝土28d強度增至54.4MPa[17]。

5 鋼渣對混凝土耐久性的影響

混凝土的耐久性涉及面廣，影響因素多，破壞機理復(fù)雜，但混凝土材料的耐久性問題大多是水、有害液體或氣體向其內(nèi)部侵入造成的。所以，提高混凝土耐久性的關(guān)鍵是增加混凝土材料自身的密實性和抗開裂能力[30,31]。

5.1 鋼渣摻合料對混凝土體積穩(wěn)定性的影響

混凝土體積穩(wěn)定性是指混凝土凝結(jié)硬化過程中，不受外界環(huán)境影響而保持自身體積不變的性質(zhì)。相對于混凝土的膨脹（主要是熱膨脹），收縮更易引起混凝土的開裂，故實際工程中人們更加關(guān)心混凝土的收縮?；炷恋氖湛s包括由各種原因引起的收縮，如干縮、碳化收縮、塑性收縮、溫度收縮等。

表3 鋼渣摻量（質(zhì)量分數(shù)）對混凝土性能的影響[27]

表4 鋼渣摻合料對混凝土抗凍性的影響[32]

5.2 鋼渣摻合料對混凝土抗凍性能的影響

在有凍融交替環(huán)境中服役的混凝土應(yīng)具有一定的抗凍融循環(huán)能力。楊全兵等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在含氣量相近的條件下，摻合料摻量不超過25%時，抗凍耐久性指數(shù)DF值與基準混凝土相差不大；而摻合料用量超過25%時，混凝土的DF值有所降低（表4）。這是由于摻加摻合料后水泥漿體的孔徑細化，對水的阻力增大，毛細孔的曲折度也增大，使水在氣孔之間流動的實際距離增大，不利于卸除和降低水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹壓。5.3 鋼渣摻合料對混凝土抗碳化性能的影響（圖6）

混凝土中摻加鋼渣后碳化深度有不同程度的降低，在碳化前期這種降低并不明顯，而隨著碳化時間的延續(xù)，摻加摻合料后混凝土的碳化深度有較明顯的降低。當碳化時間達到180d時，摻加25%和50%的鋼渣復(fù)合粉的混凝土的碳化深度分別為基準混凝土的59.8%和71.9%[32]。對于混凝土抗碳化性能的影響，鋼渣摻合料主要有兩方面的作用：一方面由于水泥用量的減少，水化產(chǎn)生的Ca(OH)2減少，水泥漿體中的堿含量降低，造成其吸收CO2的能力降低，對抗碳化不利；而另一方面，鋼渣摻合料的活性效應(yīng)有利于混凝土的長期抗?jié)B性的提高。總體而言，隨著齡期的增長，鋼渣摻合料的水化及填充效應(yīng)，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使其抗氣體滲透能力顯著提高，有利于混凝土抗碳化性能的提高。

5.4 鋼渣摻合料對混凝土抗氯離子滲透性的影響

氯離子的濃度和擴散是影響混凝土中鋼筋銹蝕等問題的關(guān)鍵因素，因此常用氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)評價混凝土的滲透性?；炷林新入x子滲透性主要決定于孔結(jié)構(gòu)，特別是毛細孔數(shù)量及其連通程度。礦物摻合料加入混凝土中后，會對水泥石結(jié)構(gòu)、混凝土界面結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，從而對混凝土的滲透性產(chǎn)生影響。

鋼渣能夠提高混凝土抗?jié)B透性能的原因主要有以下4個方面：（1）鋼渣的水化活性遠低于水泥，用鋼渣替代部分水泥，相當于增大了水泥的實際水灰比，優(yōu)化了水泥的水化環(huán)境，使水泥水化更加充分；（2）鋼渣的微集料效應(yīng)對水泥石孔隙和界面結(jié)構(gòu)起到填充作用，改善了混凝土的界面結(jié)構(gòu)，降低了混凝土孔隙率、平均孔徑，提高了密實性；（3）隨著齡期的增長，鋼渣活性成分逐漸水化，水化產(chǎn)物填充水泥石的孔隙，也有利于提高密實性；（4）鋼渣活性成分水化改善了膠凝材料水化產(chǎn)物組成，增加了吸附固化氯離子的水化產(chǎn)物CSH凝膠及水化鋁酸鹽凝膠的數(shù)量[24,31]。

眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)摻入適量鋼渣可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能。朱航[17]的研究表明，當鋼渣摻量低于30%時，摻鋼渣的混凝土早期的抗氯離子滲透能力低于基準混凝土，但后期的抗氯離子滲透能力高于基準混凝土。孫家瑛[34]研究了鋼渣摻量對混凝土抗氯離子滲透能力的影響，當鋼渣摻量低于20%時，混凝土抗氯離子滲透能力提高；摻量高于20%時，隨著鋼渣摻量的增大，混凝土抗氯離子滲透的能力降低。呂林女[25]對用鋼渣配制的C60高性能混凝土的耐久性進行了研究，也得到了當鋼渣摻量不高于20%時鋼渣能提高混凝土抗氯離子滲透能力的結(jié)果。李永鑫[24]詳細研究了不同鋼渣摻量配比混凝土7d、28d及90d齡期的相對氯離子滲透系數(shù)（如圖7）。在水化7d齡期，含鋼渣摻合料的水泥石孔隙率大于基準水泥石，混凝土的氯離子滲透系數(shù)高于基準混凝土，即其混凝土抗氯離子滲透性能不如基準混凝土；在水化28d齡期，摻鋼渣粉混凝土的滲透系數(shù)仍高于基準混凝土，鋼渣摻合料雖仍不能提高混凝土的抗氯離子滲透性能，但相比水化早期階段而言，含有鋼渣摻合料混凝土的抗氯離子滲透能力有一定幅度的提高；在水化90d齡期，含有鋼渣摻合料混凝土的滲透系數(shù)明顯低于基準混凝土，說明鋼渣摻合料可顯著提高較長齡期混凝土的抗氯離子滲透能力。

6 結(jié)論與展望

鋼渣的主要化學(xué)組成和礦物組成與硅酸鹽水泥熟料相似，具有潛在膠凝活性，可以作為水泥混合材或活性礦物摻合料部分替代水泥加入混凝土中。當水灰比較低時，摻入一定量鋼渣能夠改善混凝土的流動性；適量鋼渣的摻入會降低混凝土的早期抗壓強度，但隨著鋼渣水化的進行，摻鋼渣的混凝土7d以后的強度增長較快，至28d時抗壓強度可與普通混凝土相近；摻入適量鋼渣可以減少混凝土早期的干縮；當含氣量相近且鋼渣摻量不大時，摻鋼渣混凝土抗凍性與基準混凝土相差不大，而鋼渣用量較大時，混凝土抗凍性有所降低；摻加鋼渣摻合料混凝土在碳化前期改善效果并不明顯，而隨著碳化時間的延續(xù)，摻鋼渣混凝土的碳化深度明顯降低；在混凝土中摻適量的鋼渣(一般低于20%)，混凝土抗氯離子滲透的能力明顯提高。

鋼渣作為礦物摻合料，要實現(xiàn)大規(guī)模、高附加值資源化利用，仍然有幾個方面亟待深入研究和探索。

（1）鋼渣活性較低，物理激發(fā)能力有限且過分提高鋼渣的細度并不經(jīng)濟；采用化學(xué)激發(fā)劑可在一定程度上激發(fā)鋼渣的活性，但成本較高。不妨考慮利用脫離石膏、脫硫灰等固體廢棄物，采用單摻或復(fù)摻的方式激發(fā)鋼渣的膠凝活性，以期達到既利用固體廢棄物、節(jié)約成本，又能提高鋼渣活性的目標。

（2）鋼渣的水化機理研究尚處于初級階段，但其水化特性對于混凝土的性能又起著至關(guān)重要的作用，因此需要進行相關(guān)的研究工作。

（3）鋼渣摻入混凝土中對膠凝材料的水化過程和混凝土材料的微觀結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致混凝土宏觀性能發(fā)生變化，繼而影響混凝土的耐久性，因此，仍需系統(tǒng)、深入地研究鋼渣對混凝土耐久性的影響，特別是鋼渣對混凝土膠凝體系，以及混凝土骨料與漿體界面區(qū)的影響機制。

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Research Progress on the Effect of Steel Slag on the Cement Concrete Performance

SHI Hui-sheng1,2,LI Dong-feng2,WU Kai2,GUO Xiao-lu1,2
(1 Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Education Ministry,Tongji University,Shanghai 201804;
2 Institute of Environment Materials,Tongji University,Shanghai 201804)

The main chemical and mineral compositions of steel slag and its effect on the flowability of fresh concrete and the strength and durability of hardened concrete were summarized.With a low content of steel slag and the con?stant water consumption,the addition a certain amount of steel slag can improve the concrete flowability.The early compressive strength of the concrete is decreased while the 28 day compressive strength is close to that of the refer?ence concrete.The proper steel slag addition will reduce the early dry shrinkage,improve the anti-carbonization of the concrete at later ages and increase the concrete resistance to chloride permeability.With the comparative air content and steel slag content,concrete frost resistance is close to that of the reference concrete,however,the bigger steel slag content reduces the concrete frost resistance.

Steel slag;Concrete;Flowability;Compressive strength;Durability

TQ172.44

A

1001-6171（2011）05-0029-06

通訊地址：1先進土木工程材料教育部重點實驗室（同濟大學(xué)），上海 201804；2同濟大學(xué)環(huán)境材料研究所，上海 201804；

2011-01-13；

趙 蓮