钢渣复掺纳米SiO2混凝土静力受压弹性模量试验研究

崔艳艳，申春梅

（河南质量工程职业学院，河南 平顶山 467000）

钢渣复掺纳米SiO2混凝土静力受压弹性模量试验研究

崔艳艳，申春梅

（河南质量工程职业学院，河南 平顶山 467000）

基于试验研究了钢渣混凝土和钢渣复掺纳米二氧化硅混凝土的轴心抗压强度和静力受压弹性模量。试验结果表明：钢渣掺量为20%时，钢渣混凝土的轴心抗压强度和弹性模量达到最大值，分别为46.1 MPa和37.6 GPa；复掺纳米二氧化硅能有效地提高混凝土的轴心抗压强度和弹性模量，增强其抵抗变形的能力；钢渣混凝土和钢渣复掺纳米二氧化硅混凝土的泊松比均与普通混凝土差别不大。

钢渣；纳米SiO2；轴心抗压强度；静力受压弹性模量

近年来随着绿色建筑的不断推进，轻质混凝土、保温混凝土得到了充足的发展，一些节约型、环保型的工程材料也相继问世[1-2]。钢渣是生产钢铁的废料，而我国又是一个产钢大国，年产钢量在10亿t以上，因此我国每年都有大量的钢渣亟待处理，在这种情况下，钢渣加入混凝土的想法应运而生[3-4]。纳米二氧化硅是一种活性较高的材料，用于混凝土中可大大改善混凝土的性能，本文通过对钢渣混凝土和钢渣复掺纳米SiO2混凝土的试验研究，探讨了其轴心抗压强度和静力受压弹性模量的变化规律。

静力受压弹性模量和泊松比是工程材料的重要指标，是反映应力和应变关系的重要参数，对弹性模量进行的相关研究可为后续其它性能的相关研究提供至关重要的参考依据和科学的理论支撑[5-7]。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，来自太原某水泥厂，体积安定性良好。

（2）砂：来自山西晋城某砂石厂，细度模数2.6，堆积密度1600 kg/m3，含泥量0.3%。

（3）碎石：粒径5～20 mm，堆积密度1650 kg/m3。

（4）钢渣：选用某钢厂处理过的钢渣，比表面积442 kg/m2。

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

（6）减水剂：选用山东某厂家生产的萘系减水剂，减水率大于15%。

（7）水：自来水。

1.2 试验方法

对不同分组分别进行弹性模量和轴心抗压强度试验，每组试验成型6个150 mm×150 mm×300 mm混凝土试块，其中3个试块用来测试混凝土的轴心抗压强度，另外3个试块用来测试混凝土的静力受压弹性模量，同时在试块4个侧面对称布置应变片，以计算试块的泊松比。试验的具体操作方法参考GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的相关要求进行。

1.3 配合比设计

本次试验中水胶比固定为0.40。对钢渣混凝土，钢渣取代水泥量分别为0、10%、20%、30%、40%；对钢渣复掺纳米SiO2混凝土，钢渣取代水泥量分别为10%、20%、30%、40%，纳米SiO2掺量为钢渣质量的20%。试验具体配合比见表1。

表1 试验的具体配合比kg/m3

试件的制作过程：根据配比，将钢渣取代部分水泥，再与砂石混合在一起搅拌60 s，使其充分混合，然后向搅拌机内加水和减水剂，搅拌180 s。待搅拌完毕后，将混凝土倒入模具中，再放置振动台上振捣。在实验室环境下养护1 d后拆模，拆模后的试件置于标准养护室养护至28 d，进行性能测试。

2 试验结果与分析

2.1 轴心抗压强度试验结果

钢渣混凝土和钢渣复掺纳米SiO2混凝土轴心抗压强度随钢渣掺量的变化见图1。

图1 钢渣混凝土和钢渣复掺纳米SiO2混凝土轴心抗压强度随钢渣掺量的变化

由图1可以看出：

（1）单掺钢渣时，随着钢渣掺量的增加，钢渣混凝土的轴心抗压强度先提高后降低，在钢渣掺量为20%时达到最大，为46.1 MPa，较未掺钢渣的基准混凝土（41.2 MPa）提高11.9%；当钢渣掺量为40%，钢渣混凝土的轴心抗压强度为40.7 MPa，较未掺钢渣的基准混凝土稍有降低。这是因为混凝土中掺入钢渣后，钢渣中含有的硅酸三钙、硅酸二钙均发生了水化反应，生成C-S-H凝胶，钢渣的微小颗粒能够促进水泥的二次水化，填充混凝土内部的微孔隙，提高其密实度。同时钢渣中还含有部分CaO和MgO，在水化过程中，这2种物质发生一系列反应，产生一定的膨胀作用，优化了混凝土的细观结构，从而提高了其轴心抗压强度。然而，当钢渣掺量过大时，即使有部分钢渣会发生水化，但仍会产生堆积作用，钢渣颗粒之间会形成孔隙，使混凝土孔隙率增大，不利于混凝土的力学性能，造成轴心抗压强度的下降。

（2）钢渣和纳米SiO2复掺时，随钢渣和纳米SiO2掺量的增加，混凝土的轴心抗压强度先提高后降低，在钢渣掺量为20%时达到最大值，为47.7 MPa，较未掺钢渣和纳米SiO2的基准混凝土提高了15.8%，可见钢渣和纳米SiO2复掺时，对混凝土强度的提升效果更加显著。这是因为纳米SiO2粒径较小，比表面积大，将其加入到混凝土后，它与钢渣以及水泥的接触面积较大，大大激发了钢渣的活性，促进了钢渣的水化，也促进水泥的二次水化，优化了混凝土的微观结构，从而起到了提高轴心抗压强度的作用。

（3）同等钢渣掺量条件下，钢渣复掺纳米SiO2混凝土的轴心抗压强度比钢渣混凝土高3%～5%，且随纳米SiO2掺量的增加，基本呈递增趋势，在钢渣掺量为40%时，其轴心抗压强度较单掺钢渣条件下增大了5%，增长比例较大。这是因为纳米SiO2粒径小，分散性好，能够在混凝土中均匀地分布，所以纳米SiO2掺量越多，混凝土中分布的纳米SiO2颗粒就越多，其对钢渣以及水泥的水化促进作用就越显著。

2.2 静力受压弹性模量试验结果

钢渣混凝土和钢渣复掺纳米SiO2混凝土弹性模量随钢渣掺量的变化见图2。

由图2可以看出：

（1）单掺钢渣时，随钢渣掺量的增加，钢渣混凝土的弹性模量先提高后降低，在钢渣掺量为20%时弹性模量达到最大值，为37.6 GPa，较未掺钢渣的基准混凝土（33.4 GPa）提高12.6%；而当钢渣掺量为40%时，钢渣混凝土的弹性模量为34.5 GPa，较最大值降低了8%。这是因为在钢渣掺量为20%左右时，混凝土内部的微观结构相对最为致密，这归功于钢渣的水化作用，以及钢渣对水泥二次水化的促进作用，产生了更多的凝胶，填充了混凝土内部的微孔隙，改善了微观结构，使其更加致密，弹性模量增大。而当钢渣掺量过大时，如钢渣掺量增至40%，钢渣颗粒之间就会形成孔隙，降低了混凝土的密实度，造成弹性模量的降低。

图2 钢渣混凝土和钢渣复掺纳米SiO2混凝土弹性模量随钢渣掺量的变化

（2）钢渣和纳米SiO2复掺时，随钢渣和纳米SiO2掺量的增加，混凝土的弹性模量先提高后降低，在钢渣掺量为20%时达到最大值，为39.5 GPa，较未掺钢渣和纳米SiO2的基准混凝土提高了18.3%，可见同时掺入钢渣和纳米SiO2更加能够提高混凝土的弹性模量。这是因为纳米SiO2粒径小，比表面积大，且具有良好的分散性，将其加入到混凝土后，它与钢渣以及水泥的接触面积较大，较好地促进了钢渣的水化和水泥的二次水化，提高了凝胶的产量，优化了混凝土的微观结构，从而起到了提高其弹性模量的作用，增强了其抵抗变形的能力。

（3）同等钢渣掺量条件下，钢渣复掺纳米SiO2混凝土的弹性模量比钢渣混凝土高4.0%～9.6%，且随纳米SiO2掺量的增加，呈递增趋势。在钢渣掺量为40%时，其轴心抗压强度较单掺钢渣条件下提高了9.6%，增长幅度最大。这是因为，仅加入钢渣且掺量较大时，会产生较多微孔隙，加入纳米SiO2后，促进了钢渣和水泥的水化，凝胶填充了内部孔隙。纳米SiO2具有良好的活性和分散性，且其粒径仅为30 nm左右，因此，混凝土内部的微结构并不会因其掺量过大而受到影响。相反，随着纳米SiO2掺量的增加，其对混凝土弹性模量的提升作用越明显，在钢渣混凝土中加入纳米SiO2后，较好地改善了钢渣混凝土内部的微孔隙结构，使其孔隙率比普通混凝土更低，且密实度得到了进一步的提高，强度进一步增大，其抵抗变形的能力也得到提升。

2.3 泊松比试验结果

钢渣混凝土和钢渣复掺纳米SiO2混凝土泊松比随钢渣掺量的变化见表2。

由表2可以看出：

（1）单掺钢渣时，随钢渣掺量的增加，钢渣混凝土的泊松比稳中有升，但变化幅度较小。泊松比增大，说明其横向变形量相对增大。整体来看，钢渣混凝土的泊松比较稳定，基本在0.21左右，仍保持在普通混凝土的泊松比范围内（0.14～0.23）[8]，钢渣混凝土的变形特征与普通混凝土类似。

表2 钢渣混凝土和钢渣复掺纳米SiO2混凝土泊松比随钢渣掺量的变化

（2）钢渣和纳米SiO2复掺时，泊松比随钢渣掺量的增加呈现先降低，再增大，后又降低的变化趋势。当钢渣掺量为10%时，泊松比最小，为0.190；钢渣掺量为30%时，泊松比最大，为0.223。在不同钢渣掺量的情况下，加入纳米SiO2的混凝土泊松比为0.19～0.22，变化幅度相对较小，且仍保持在普通混凝土的泊松比范围内，也证明了其应用于实际工程的可行性。

当混凝土的变形超出弹性阶段后，钢渣复掺纳米SiO2混凝土的横向变形量小于钢渣混凝土，且其二者差值随着荷载的增加而逐渐增大。可见，超过弹性阶段后，在高荷载的作用下，纳米SiO2的加入能够有效地减小变形量。这是因为SiO2对混凝土的结构起到了改善优化的作用，使其内部的微细孔隙显著减少。

3 结语

（1）当钢渣掺量为20%时，混凝土的轴心抗压强度和弹性模量均达到最大值，钢渣混凝土的轴心抗压强度和弹性模量分别为46.1 MPa和37.6 GPa，钢渣复掺纳米SiO2混凝土的轴心抗压强度和弹性模量分别为47.7 MPa和39.5 GPa。

（2）掺入适量的钢渣，对混凝土轴心抗压强度有提升作用，当钢渣混凝土中钢渣含量低于20%时，其轴心抗压强度随钢渣掺量的增加而呈提高趋势；当钢渣掺量高于20%时，轴心抗压强度随着钢渣掺量的增加而逐渐降低。

（3）纳米SiO2的加入能够有效改善混凝土内部的微结构，使混凝土的轴心抗压强度增大，同时提高混凝土抵抗变形的能力，即增大了其静力受压弹性模量。

（4）钢渣混凝土及钢渣复掺纳米SiO2混凝土的泊松比均与普通混凝土相差较小，在超出弹性阶段的高荷载作用下，钢渣复掺纳米SiO2混凝土的横向变形量小于钢渣混凝土。

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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

国家自然科学基金项目（50778118）

2016-05-28；

2016-07-14

崔艳艳，女，1982年生，河南鲁山人，讲师，主要从事建筑工程研究。