不同水泥的钢渣混凝土基本力学性能试验研究

韩艳丽，冯　勇，晋　强，肖　磊

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)



不同水泥的钢渣混凝土基本力学性能试验研究

韩艳丽，冯勇，晋强，肖磊

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

摘要：在原有混凝土配合比的基础下，利用钢渣粗骨料对混凝土中的天然骨料进行部分替换，进行钢渣混凝土配合比试验，分别用普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥作为胶凝材料，进行配合比试验，比较用两种水泥分别拌制下，钢渣混凝土的早期抗折、抗压强度及后期强度发展变化，进行不同水泥品种下钢渣混凝土基本力学性能研究。

关键词：钢渣；普通硅酸盐水泥；硫铝酸盐水泥；早期强度；变化

钢渣是炼钢工业的废渣，其密度较大且硬度高，因此可以考虑作为粗骨料替换混凝土中的部分天然骨料。用其替换部分天然骨料，不仅对工业废渣再利用有着重要意义[1]，同时可以保护石子、铁矿石等不可再生资源，又减少钢渣堆放对环境的污染，实现工业废渣的循环再利用，绿色环保，保护生态[2]。

现今，国内外许多学者在混凝土里掺加钢渣粉等优质工业废渣，并做了大量的研究，也取得了大量的研究成果。刘攀、侍克斌[3]等人对单掺钢渣粉混凝土的早期抗裂性能进行了研究，研究表明钢渣粉不仅可以延长混凝土的初裂时间，同时随着掺量的增加,混凝土的抗裂性越突出。巴明芳、柳俊哲[4]等人研究了钢渣微粉和钢渣骨料对水泥基复合材料的影响，结果表明：随着钢渣微粉掺加量的提高，钢渣改性水泥基材料浆体的初凝时间逐渐延长，流动性逐渐增加；随着钢渣骨料粒径的增加，钢渣改性水泥基混凝土的抗压、抗折强度也呈现增长趋势，并最终确定作为粗骨料的钢渣粒径为13.3 mm与9.5 mm，而且两种粒径钢渣骨料的质量比为1∶1时，所配制钢渣改性混凝土的工作性能与力学性能最佳。王功勋，谭琳[5]等人以工业废弃物钢渣、陶瓷抛光砖粉为辅助胶凝材料，通过对单掺钢渣粉及陶瓷抛光砖粉水泥在不同水胶比下的强度、化学结合水、孔溶液碱度及孔微观结构的测定，研究了在不同水胶比情况下，钢渣粉、陶瓷抛光砖粉在复合胶凝材料中对水泥水化性能的影响。

本试验以宝钢集团新疆八一钢铁有限公司炼钢所生产的钢渣作为粗骨料替代部分天然粗骨料。由于目前八一钢铁有限公司对钢渣出炉后首先进行热闷后，再采用滚筒筛对钢渣进行初步颗粒筛分，然后利用筛分机进行筛分，从而使钢渣中体积不安定成分降低，使钢渣推广利用变为可能[6-8]。本实验所采用的胶凝材料为普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥，对比在两种不同水泥的情况下钢渣混凝土的早期抗压、抗折强度及其变化趋势,并与原普通混凝土进行对比。

1　实验原材料

普通硅酸盐水泥为新疆青松建筑P.O42.5号水泥，硫铝酸盐水泥为北极熊牌42.5号快硬水泥。

本实验的钢渣由宝钢集团新疆八一钢铁有限公司提供，其钢渣满足体积安定性的要求。该钢渣呈黑色，表面粗糙多孔，其化学成分见表1。

表1　钢渣的化学成分　单位：%

钢渣粒径选用5 mm～10 mm的连续级配，天然骨料选用：碎石5 mm～10 mm连续级配。

细骨料粒径在1 mm～5 mm以下，经测验为中砂。

水采用普通自来水。

2　试验方法

2.1配合比

设计一组普通混凝土的配合比，具体见表2。

在不添加任何混凝土活性掺和料的情况下，根据刘攀等人[9]对钢渣体积安定性的实验研究发现，钢渣掺量在10%～30%时，混凝土几乎没有膨胀值，因此用钢渣分别以20%、30%替换部分石子。分别选用普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥做两组试块。具体配合比见表3。

2.2试验方法

根据表2、表3中的配合比制成40 mm×40 mm

×160 mm和100 mm×100 mm×100 mm两种不同尺寸的标准混凝土试块(根据实验室模具的种类选择这两种模具，见图1)。分别测试普通混凝土、普通硅酸盐钢渣混凝土、硫铝酸盐钢渣混凝土3 d、7 d、28 d的抗折强度与抗压强度。每种混凝土试块制备6组，每组6块，共计108块(见图2、图3)。

表2　普通混凝土配合比

表3　钢渣混凝土配合比

图1试验模具

3　试验结果与分析

普通混凝土与普通硅酸盐钢渣混凝土及硫铝酸盐钢渣混凝土的基本力学实验结果见表4、表5。

钢渣混凝土试验结果分析比较：

(1)当钢渣的替换率在20%、30%时，试件的形态在28 d后均保持完整状态，证明在混凝土中用钢渣替换部分天然骨料，不会影响混凝土的体积安定性。

(2)当胶凝材料均为普通硅酸盐水泥时，可发现：

图2试验试块

图3实验仪器

表4　三种混凝土抗折强度试验结果

表5　三种混凝土抗压强度试验结果

① 当钢渣替换率在20%时，普通混凝土与普通硅酸盐钢渣混凝土3 d、7 d、28 d抗折强度相差较大，抗压强度同样相差较大，均有明显程度的下降；

② 当钢渣替换率在30%时，普通混凝土与普通硅酸盐钢渣混凝土3 d、7 d、28 d抗折强度相差不大，两者的抗压强度却是普通混凝土较好；

③ 普通硅酸盐钢渣混凝土中，替换率为30%的抗折和抗压强度比20%的大，但是28 d的抗压强度都有明显下降，这说明钢渣作为粗骨料替换部分天然骨料时，适合的替换率为30%。

(3)选用硫铝酸盐水泥为胶凝材料，通过3 d、7 d、28 d的检测数据来看，可发现：

① 当钢渣的替换率为20%时，3 d的抗折强度明显提高，这是由于本次试验所选用的硫铝酸盐水泥为快硬水泥，因此早期有较大的抗折强度。7 d、28 d抗折强度不如普通混凝土，但比普通硅酸盐钢渣混凝土略有提高。从抗压强度上来看，硫铝酸盐钢渣混凝土抗压强度很大，不仅远远超过了普通混凝土，同时也比普通硅酸盐钢渣混凝土提高很多。

② 当钢渣的替代率在30%时，同样也是3 d的抗折强度明显提高，7 d、28 d抗折强度不如普通混凝土，但是却高于普通硅酸盐钢渣混凝土。从抗压强度上来看，硫铝酸盐钢渣混凝土抗压强度有很大的提高，远远超过了普通混凝土和普通硅酸盐钢渣混凝土的抗压强度。

③ 硫铝酸盐钢渣混凝土中，替换率为30%的抗折和抗压强度同样比20%的大，并且28 d的抗压强度均呈上升趋势，同样也说明钢渣作为粗骨料替换部分天然骨料时，替换率为30%是较为合适的。

(4)钢渣作为粗骨料替换混凝土中天然骨料时，替换率在30%左右时，普通硅酸盐钢渣混凝土和硫铝酸盐钢渣混凝土的抗折强度和抗压强度均比替换率为20%时有提高，证明钢渣可以替换部分石子作为粗骨料运用到混凝土中，并且不需要添加其他活性掺和料，这样在很大程度上也节约了成本。

(5)通过表4和表5的4组试验数据来看，普通硅酸盐钢渣混凝土的早期强度不如硫铝酸盐钢渣混凝土的大，但是后期的抗折强度却是前者比后者大。这说明硫铝酸盐水泥可以使钢渣混凝土具有较强的早期抗折强度，而后期的抗折强度就会有一些下降。从抗压强度上来看，硫铝酸盐钢渣混凝土的早期强度比普通硅酸盐钢渣混凝土的要大很多，并且后期强度一直呈上升趋势。

因此综上所述，硫铝酸盐钢渣混凝土的抗压性能比普通硅酸盐钢渣混凝土的性能稍好。

4　结　论

通过以上实验可以得到，把钢渣作为粗骨料替换混凝土中的天然粗骨料是可行的。用普通硅酸盐水泥所配置的钢渣混凝土是可以满足一定的抗折强度的，只是其抗压强度还需要进一步的提高。用硫铝酸盐水泥所配置的钢渣混凝土虽然在抗折强度稍有下降，但其抗压强度提高很多，证明用钢渣替换部分天然粗骨料制成的钢渣混凝土，是可以向高性能混凝土发展的，而且随着实验的进一步深入研究，能够促使钢渣混凝土在实际工程中得到推广应用。

参考文献：

[1]张宇，郝以党，柯国炬，等.钢渣在建材行业中应用的定位分析[J].混凝土与水泥制品,2011,(11):68-70.

[2]康明.钢渣用于混凝土的安定性评价与控制研究[J].粉煤灰,2013，46(2):15-17.

[3]刘攀,侍克斌,吴福飞.单掺钢渣粉混凝土早期抗裂性能研究[J].水利与建筑工程学报,2014,12(1):96-99.

[4]巴明芳,柳俊哲,贺智敏,等.钢渣微粉改性水泥基钢渣骨料混凝土的配制及性能[J].材料导报,2013,27(22):119-124.

[5]王功勋,谭琳,王佳骅,等.不同水胶比下钢渣粉与陶瓷抛光砖粉对水泥水化性能的影响[J].硅酸盐学报,2014,42(2):190-197.

[6]徐兵,张国防.宝钢钢渣对水泥混凝土性能的影响[J].新型建筑材料,2013，(5):73-76.

[7]孙家瑛,张健,金强,等.宝钢钢渣微粉用于水泥混凝土的安定性和与水泥,外加剂相容性试验研究[J].粉煤灰,2006,18(3):20-21.

[8]张灿路.钢渣粗骨料混凝土的试验研究[J].中国科技博览,2012，(26):31-31.

[9]刘攀.单掺钢渣混凝土的抗压强度及早期抗裂性能研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学,2014.

ExperimentalStudyontheBasicMechanicalPropertiesofSteelSlagConcretewithDifferentCement

HAN Yan-li,FENG Yong,JIN Qiang,XIAO Lei

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Abstract：According to the original concrete mix ratio,the natural aggregate was replaced by steel slag coarse aggregate in proportion in the slag concrete mix ratio tests.The tests were conducted with ordinary portland cement and sulpho-aluminate cement as binding materials respectively,By comparing early compressive strength and its development in the later stages of two concrete mixtures with these two different cement,the basic mechanical properties of steel slag concrete with different varieties of cement were studied.

Keywords：slag;ordinary Portland cement;sulpho-aluminate cement;early strength;change

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.019

中图分类号：TU528.041

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0098—04

通讯作者：冯勇(1971—)，男，四川巴中人，博士，副教授，主要从事新型建筑材料的教学科研工作。

作者简介：韩艳丽(1988—)，女，陕西澄城人，硕士研究生，研究方向为新型建筑材料。

基金项目：新疆水利水电重点学科基金(XJSLSDZDXK2012-13)；新疆维吾尔自治区自然科学基金项目“钢渣替换部分天然骨料应用于地铁盾构圆管片制备的关键技术研究”

收稿日期：2014-07-12修稿日期：2014-08-24