基于正交試驗的鋼渣混凝土坍落度及其損失研究

梁胡 李瑞嬌 韋忠海 藍天助

摘要：為了提高鋼渣在混凝土中的利用率，文章以鋼渣混凝土坍落度研究為目標，以鋼渣粉摻量、鋼渣細集料摻量、鋼渣粗集料摻量為影響因子，采用L16（45）正交表，開展了鋼渣混凝土工作性能試驗研究。結(jié)果表明：影響鋼渣混凝土的坍落度因素排序為：鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量＞鋼渣粗集料摻量；單因素分析進一步表明，當鋼渣粉摻量較小時，摻一定量的鋼渣粉，可以提高混凝土的流動性，但隨著鋼渣粉摻入量的進一步加大，鋼渣混凝土坍落度降低；鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料及鋼渣粗集料摻量的增大而減小，且在一定時間后，鋼渣細集料及鋼渣粗集料的摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

關(guān)鍵詞：鋼渣混凝土；鋼渣粗集料；鋼渣細集料；鋼渣粉；坍落度

中圖分類號：U416.03A020054

0引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，我國對混凝土的需求量逐年增加［1］，每年需要消耗大量的砂石及水泥。砂石開采在一定程度上會破壞自然環(huán)境，而生產(chǎn)水泥成本較高，因此，尋求新的資源替代傳統(tǒng)砂石及水泥，降低混凝土生產(chǎn)成本，是21世紀的重要課題方向之一。

目前對鋼渣替代水泥及砂石制作鋼渣混凝土方面的研究也較多，張忠哲等［2］開展了鋼渣細集料替代部分細集料的C60混凝土強度及耐久性試驗研究，得出了鋼渣混合集料混凝土加入鋼渣粉和粉煤灰的最優(yōu)比例；張浩等［3］開展了采用不同生產(chǎn)工藝的鋼渣取代礦粉、細集料及粗集料的混凝土試驗研究，分析了不同取代率對混凝土強度的影響，并得出了最優(yōu)的取代比例。綜上所述，現(xiàn)有研究表明，在合理配合比條件下，鋼渣可以取代部分水泥及傳統(tǒng)砂石材料制作強度及耐久性優(yōu)良的混凝土。然而，混凝土除了滿足強度及耐久性要求外，還需具備良好的工作性能，現(xiàn)階段缺乏對鋼渣替代傳統(tǒng)材料后工作性能的研究，因此，為了研究鋼渣替代鋼渣粉及傳統(tǒng)砂石后工作性能的變化規(guī)律，并進一步優(yōu)化鋼渣混凝土配合比設(shè)計，本文以鋼渣混凝土的坍落度為研究目標，開展了不同影響因素下的鋼渣混凝土工作性能試驗研究，為鋼渣在混凝土中的進一步利用及優(yōu)化提供參考。

1原材料

1.1粗集料

1.1.1普通碎石

普通碎石粗集料采用石灰?guī)r碎石，集料粒徑主要集中在9.5～19 mm，＜4.75 mm顆粒含量為0.6%，可忽略不計。其他物理力學指標良好，滿足混凝土用碎石［4］的要求。

1.1.2鋼渣粗集料

試驗采用防城港市某鋼廠陳化12個月的鋼渣，該鋼廠鋼渣為轉(zhuǎn)爐鋼渣，其主要化學成分為CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Mn、Al2O3、P2O5，占據(jù)了鋼渣總成分含量的97.34%。

為了減少兩種粗集料級配差異對混凝土試驗結(jié)果的影響，試驗對鋼渣粗集料進行了篩分，篩分后的鋼渣粗集料各篩孔累計篩余與普通碎石相同。

根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）［5］，測定鋼渣粗、細集料吸水特性如下頁圖1所示。由圖1可知，鋼渣粗集料吸水率隨時間的增大而增大，且在一定時間后趨于穩(wěn)定，24 h后，鋼渣粗集料的吸水率為2.9%，比普通碎石吸水率大。

鋼渣粗集料物理力學指標如表2所示。鋼渣粗集料堅固性良好，其壓碎值及針片狀顆粒含量滿足混凝土用粗集料的要求，但鋼渣粗集料的表觀密度及松散堆積密度較大，且鋼渣粗集料比普通碎石重量大。

1.2細集料

1.2.1河砂

試驗采用的河砂來源于廣西北海合浦縣，該河砂含泥量少，顆粒呈渾圓狀，壓碎值低，砂整體質(zhì)量良好，級配良好，細度模數(shù)為2.67，屬于中砂。

1.2.2鋼渣細集料

試驗用鋼渣細集料種類與鋼渣粗集料相同，為防城港鋼廠陳化12個月的轉(zhuǎn)爐鋼渣。鋼渣細集料的基本指標如表3所示。該鋼渣細集料質(zhì)地堅硬，物理力學性質(zhì)良好，但表觀密度及堆積密度比河砂大。由圖1鋼渣細集料吸水特性曲線可知，鋼渣細集料吸水率隨時間的變化規(guī)律與粗集料類似，其吸水率隨時間的增大而增大，且在一定時間后趨于穩(wěn)定，24 h后，鋼渣細集料的吸水率為3.03%，比河砂吸水率大。

1.3膠凝材料

1.3.1水泥

試驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥，該水泥7 d抗壓強度為42MPa，28 d抗壓強度為49MPa，凝結(jié)時間滿足混凝土用水泥標準［6］，煮沸法安定性合格。

1.3.2鋼渣粉

試驗所采用的鋼渣粉是由防城港鋼廠生產(chǎn)的鋼渣集料經(jīng)過磨細等工藝加工而成，各項指標滿足《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》（GB/T 20491-2017）［7］規(guī)范使用要求。

1.4減水劑

采用南寧市雨潤建材化工有限公司的高效緩凝型減水劑，呈黃褐色，pH值為7.1，建議摻量為1%～2%，減水率為20%～27%。不同摻量下減水效果不同，摻量為1.5%時，減水率為25%。

2鋼渣混凝土坍落度試驗

為了科學有效地選擇多種因素進行試驗，本次研究選用四水平五因素正交表設(shè)計正交試驗，通過正交試驗，可大大減少試驗次數(shù)。本次正交試驗選擇鋼渣粉摻量（A）、鋼渣細集料摻量（B）、鋼渣粗集料摻量（C）為正交試驗影響因子，其中鋼渣粉摻量為質(zhì)量比摻量，鋼渣細集料摻量、鋼渣粗集料摻量為體積比摻量。選用L16（45）正交表［8］，各因素水平如表4所示。各因子水平數(shù)為4，共16組試驗，各組試驗在不同影響因素下的水平安排列表如表5所示。

不同鋼渣摻量的混凝土按普通混凝土配合比設(shè)計方法［9］設(shè)計。本次試驗設(shè)計C30鋼渣混凝土，由普通混凝土配制強度經(jīng)驗公式計算得配制強度為38MPa，水灰比根據(jù)碎石混凝土強度經(jīng)驗公式計算確定，計算得鋼渣混凝土水灰比為0.53，鋼渣混凝土坍落度按180 mm考慮，減水劑采用1.5%的最佳摻量，考慮減水劑后用水量為170 kg。由于鋼渣混凝土原材料的表觀密度存在差異，混凝土砂率采用細集料體積與粗細集料體積之比，鋼渣混凝土砂率采用37%。按絕對體積法計算公式，得出16組不同鋼渣混凝土配合比數(shù)據(jù)如表6所示。

根據(jù)表6混凝土配合比配料，配制30 L的鋼渣混凝土，按比例稱重后投入混凝土拌鍋，測量鋼渣混凝土0 min、40 min、80 min、120 min、160 min的混凝土坍落度，并觀察保水性。

3試驗結(jié)果及分析

3.1不同影響因素及其水平下的鋼渣混凝土坍落度

通過上述試驗，不同影響因素及其水平下的16種鋼渣混凝土0 min、40 min、80 min、120 min、160 min的坍落度如表7所示。由表7可知，剛出鍋的鋼渣混凝土坍落度最大，0 min混凝土坍落度最大值為217 mm，最小值為167 mm，且剛出鍋時，除了第3組、第4組、第7組、第8組、第12組混凝土有輕微泌水外，其余組的鋼渣混凝土保水性良好，各組混凝土工作性能滿足泵送要求。40 min后，鋼渣混凝土坍落度有所降低，混凝土坍落度最大值為194 mm，最小值為111 mm，各組混凝土保水性良好。由此可見，經(jīng)過一定時間后，不同鋼渣摻量的混凝土坍落度損失相差較大，部分鋼渣混凝土已無法滿足泵送混凝土工作性的要求。經(jīng)過160 min后，各組混凝土坍落度都較小，混凝土坍落度最大值為35 min，最小值為10 min，部分混凝土已不再具有流動性。

表8為不同時間下各影響因素對鋼渣混凝土坍落度影響的極差分析表。分析顯示，三個因子對0 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為：鋼渣粗集料摻量＞鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量；對40 min、80 min、120 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為：鋼渣細集料摻量＞鋼渣粗集料摻量＞鋼渣粉摻量；對160 min鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為：鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量＞鋼渣粗集料摻量。

3.2不同因素對鋼渣混凝土坍落度的影響

3.2.1鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粉摻量變化曲線如下頁圖2所示。由圖2可知，0 min時鋼渣混凝土的坍落度隨鋼渣粉的摻量的增加先增大后減小，當鋼渣粉摻量較小時，摻一定量的鋼渣粉與水泥混合，可以改善膠凝材料的顆粒級配。級配良好的膠凝材料可以改善混凝土的泌水性，從而提高混凝土的流動性，但隨著鋼渣粉摻量的進一步增大，鋼渣混凝土的流動性會降低。由于鋼渣粉需水量比水泥大，在用水量一定的情況下，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土中的自由水減少，導致鋼渣混凝土坍落度值減小。分析顯示，當鋼渣粉摻量為15%時，0 min鋼渣混凝土坍落度值最佳。

40 min、80 min、120 min后的鋼渣混凝土坍落度值隨鋼渣粉摻量的變化規(guī)律大致相同，即一段時間后，鋼渣混凝土的坍落度隨著鋼渣粉摻量的增大而增大，且當鋼渣混凝土的模擬運輸時間較大時，鋼渣混凝土坍落度值很小，鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土的流動性影響較小。當鋼渣混凝土拌和完成后，在運輸過程中，膠凝材料會逐漸發(fā)生水化反應(yīng)。隨著膠凝材料水化反應(yīng)的進行，消耗了一定的水，且水化反應(yīng)會產(chǎn)生大量的水化熱，導致水分蒸發(fā)，使混凝土中的自由水減少，混凝土流動性降低。與水泥相比，鋼渣粉活性較低，其水化反應(yīng)速度比水泥慢，所以，鋼渣粉有利于減少鋼渣混凝土的坍落度損失。

3.2.2鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量變化曲線如圖3所示。由圖3可知，鋼渣細集料摻量對混凝土坍落度有一定的影響，總體而言，鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的增大而減小。鋼渣表面粗糙、孔隙多，濕潤鋼渣細集料的用水量比普通砂大，且鋼渣細集料棱角比普通砂更明顯，所以，在用水量一定的條件下，鋼渣細集料的摻量越大，0 min鋼渣混凝土坍落度減小。40 min、80 min鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量變化的平均斜率比0min鋼渣混凝土坍落度大，主要是因為鋼渣細集料的吸水率隨時間的增大而增大。鋼渣特性研究顯示，0～80 min鋼渣細集料吸水率增長較快。將鋼渣細集料摻入混凝土中后，鋼渣細集料會吸收混凝土中的自由水，導致鋼渣混凝土坍落度降低。但隨著時間延長，鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響逐漸減小，曲線顯示160min后的鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的曲線趨于平緩。主要是因為到一定時間后，鋼渣混凝土中的自由水較少，鋼砂吸水逐漸減弱，所以，鋼渣細集料摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

3.2.3鋼渣粗集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響

鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量變化曲線如圖4所示。由圖4可知，鋼渣粗集料摻量對混凝土坍落度有一定的影響，其影響規(guī)律與鋼渣細集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響類似?？傮w而言，鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量的增大而減小。其原因與鋼渣細集料類似，即鋼渣粗集料表面粗糙、孔隙多，濕潤鋼渣粗集料的用水量比普通碎石大，所以，在用水量一定的條件下，鋼渣粗集料摻量越大，0 min鋼渣混凝土坍落度越小。40 min、80 min鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣粗集料摻量變化的平均斜率比0 min鋼渣混凝土坍落度大，但隨著時間延長，鋼渣粗集料摻量對鋼渣混凝土坍落度的影響逐漸減小，160 min后的鋼渣混凝土坍落度隨鋼渣細集料摻量的曲線趨于平緩。

4結(jié)語

（1）鋼渣粉、鋼渣細集料、鋼渣粗集料對混凝土的工作性能都有一定影響，極差分析顯示三個因子對0 min鋼渣混凝土坍落度的影響排序為：鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量＞鋼渣粗集料摻量；但經(jīng)過一定時間后，鋼渣混凝土的坍落度的影響排序為：鋼渣粗集料摻量＞鋼渣細集料摻量＞鋼渣粉摻量。

（2）通過分析鋼渣粉摻入量對混凝土坍落度的影響可知，0 min時鋼渣混凝土的坍落度隨鋼渣粉的摻量先增大后減小，40 min、80 min、120 min后的鋼渣混凝土坍落度值隨著鋼渣粉摻量的增大而增大，且當鋼渣混凝土模擬運輸時間較大時，鋼渣粉摻量對鋼渣混凝土的流動性影響較小。

（3）單因子分析顯示，鋼渣細集料及鋼渣粗集料摻量對混凝土坍落度的影響規(guī)律基本相同，其坍落度隨摻量的增大而減小，在一定時間后，當鋼渣混凝土坍落度較小時，鋼渣細集料及鋼渣粗集料的摻量對混凝土坍落度影響不明顯。

參考文獻

［1］戚長亞.混凝土坍落度損失機理及保坍類材料研究［D］.武漢：武漢理工大學，2015.

［2］張忠哲，姬永生，徐之山，等.復(fù)摻鋼渣細集料混凝土力學及耐久性研究［J］.人民黃河，2020，42（3）：127-132.

［3］張浩，于先坤，龍紅明.鋼渣復(fù)合取代礦粉、砂和石用作混凝土摻合料與骨料及其性能分析［J］.過程工程學報，2020，20（4）：432-439.

［4］GB-T14685-2011，建筑用卵石、碎石［S］.

［5］JTG E42-2005，公路工程集料試驗規(guī)程［S］.

［6］GB 175-2007，通用硅酸鹽水泥［S］.

［7］GB/T 20491-2017，用于水泥和混凝土中的鋼渣粉［S］.

［8］茆詩松，周紀薌，陳穎.試驗設(shè)計（第二版）［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2012.

［9］JGJ55-2011，普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程［S］.

基金項目：2020 年度第三批廣西交通運輸行業(yè)重點科技項目清單-科技成果推廣項目“鋼渣混凝土的安定性及質(zhì)量提升應(yīng)用技術(shù)研究”（桂交便函〔2020〕56號）； 崇左市科技計劃項目“錳渣的路用性能及無害化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號：崇科FA2019008）；廣西企茅公路建設(shè)有限公司“鋼渣鎳渣在沿海地區(qū)高等公路中的應(yīng)用技術(shù)研究”（編號：2021gxjgclkf004）；鋼渣改良路基填土的減害增效應(yīng)用研究（編號：桂科AD19245014）

作者簡介：梁胡（1993—），助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。