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钢渣原材料配制混凝土的试验研究与可行性分析
张凌怡;於林锋;王琼;朱盛胜;徐兵
【期刊名称】《粉煤灰》
【年(卷),期】2015(027)005
【摘要】通过将钢渣部分替代混凝土掺合料及粗、细集料,试验研究了钢渣原材料对混凝土性能的影响,确定了钢渣用于混凝土的合理掺量,并从安定性与经济性的角度分析了其应用于混凝土的可行性.试验结果表明: 钢渣微粉会对混凝土力学性能和耐久性产生不利影响,掺量不应超过 20%,钢渣石会增加混凝土,钢渣砂对混凝土工作性影响较大;复掺时的最佳比例为钢渣微粉代 20% 矿粉,钢渣砂代 40% 中砂,钢渣石代 20% 碎石.综合分析表明,用钢渣作为原材料配制混凝土是可行的,且具有明显的经济效益.
【总页数】5页(P16-20)
【作者】张凌怡;於林锋;王琼;朱盛胜;徐兵
【作者单位】上海理工大学环境与建筑学院,上海200093;上海市建筑科学研究院,上海200032;上海市建筑科学研究院,上海200032;上海市建筑科学研究院,上海200032;上海宝钢新型建材科技有限公司,上海 201999
【正文语种】中文
【中图分类】X757;TU528.19
【相关文献】
1.钢渣粉取代矿渣粉配制水泥混凝土的试验研究 [J], 韩长菊;张育才;周惠群;宋华;施绍云
2.钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研究 [J], 白敏;尚建丽;张松榆;孔令泰
3.掺钢渣粉活性粉末混凝土配制技术的试验研究 [J], 李锐;范磊;彭明强;王明铭;曹志峰
4.钢渣矿渣代替细骨料配制混凝土的试验研究 [J], 何锦云;贾青;李清扬
5.钢渣替代粗骨料配制混凝土的试验研究 [J], 梁建军
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复合水泥对混凝土质量影响的简要分析首先，复合水泥对混凝土的强度有显著的影响。
复合水泥中添加了一
定比例的活性矿物掺合料，如粉煤灰、硅灰、石粉等，这些掺合料能够增
加混凝土的致密性，填充物料间的空隙，从而提高混凝土的强度。
研究表明，适量的掺合料添加可以提高混凝土的抗压强度和抗拉强度，同时降低
混凝土的收缩和开裂的倾向。
其次，复合水泥对混凝土的耐久性也有一定影响。
复合水泥中的活性
矿物掺合料能够减少混凝土中的碱骨料反应，从而提高混凝土的抗碱骨料
反应性能。
此外，掺合料还能减少混凝土中的氯离子渗透，降低混凝土的
渗透性和渗水率，提高混凝土的耐久性。
再次，复合水泥对混凝土的可塑性也有一定影响。
复合水泥中的掺合
料能够改善混凝土的工作性能，提高混凝土的流动性和可塑性。
研究表明，添加一定比例的掺合料可以降低混凝土的粘稠度，提高混凝土的可泵性和
抗出水性，使混凝土更易于施工和加工。
除了上述方面的影响外，复合水泥还可以对混凝土的其他性能产生一
定的调整作用。
例如，添加硅灰的复合水泥可以提高混凝土的早期强度，
缩短混凝土的凝结时间；添加粉煤灰的复合水泥可以提高混凝土的耐磨性，降低混凝土的蠕变变形。
总之，复合水泥在混凝土中的应用能够显著地改善混凝土的性能，提
高混凝土的抗压强度、抗拉强度、耐久性和可塑性等方面。
然而，需要注
意的是，复合水泥中的掺合料种类和掺量应根据具体情况进行选择和调整，以充分发挥复合水泥的优势，并且在使用过程中需严格遵循相应的配合比
设计和施工要求，以确保混凝土质量的稳定和可靠。
水泥各种指标对混凝土性能的影响水泥是混凝土中最重要的材料之一，它的性能对于混凝土的品质和性能有着重要的影响。
以下将从几个主要指标来说明水泥对混凝土性能的影响。
1.水泥种类：水泥的种类主要有普通硅酸盐水泥、肥料水泥、矿渣水泥、矿渣复合水泥等。
不同种类的水泥具有不同的化学成分和物理性能，从而影响到混凝土的性能。
例如，矿渣水泥和矿渣复合水泥中含有较高的矿渣掺合料，可以提高混凝土的耐久性和抗渗性能，但同时可能降低混凝土的早期强度。
2.水泥强度等级：水泥的强度等级是指水泥在一定养护条件下所具有的最小抗压强度。
水泥的强度等级与混凝土的强度密切相关，一般情况下，水泥的强度等级越高，混凝土的强度也越高。
但要注意的是，高强度水泥对水泥砂浆的塑性和可工作性要求较高，施工难度增加。
3.水泥比表面积：水泥比表面积是指单位质量水泥的表面积，通常以平方米/千克来表示。
水泥比表面积与水泥的细度相关，细度越高，比表面积越大。
水泥比表面积对混凝土的性能有着重要的影响。
较高的水泥比表面积可以增加混凝土的强度和密实性，但同时也会增加混凝土的吸水性和收缩性。
4.水泥含水量：水泥中的水分对混凝土的性能有一定的影响。
适量的水泥含水量可以使混凝土具有良好的流动性和可工作性，但如果含水量过高，会导致混凝土的强度下降和收缩增加。
5.水泥掺合料：水泥中加入适量的掺合料，如矿渣、矿粉等，可以改善混凝土的性能。
掺合料可以填充水泥胶凝体中的孔隙，使混凝土更致密，提高抗渗性和耐久性。
同时，适量的掺合料可以减少水泥的用量，降低成本，并对环境产生较小的影响。
总的来说，水泥是混凝土的基础材料之一，其种类、强度等级、比表面积、含水量和掺合料等指标对混凝土的性能有着重要的影响。
因此，在混凝土设计和施工过程中，需要根据实际情况选择合适的水泥，并合理控制其使用量、含水量和掺合料的配比，以获得优质的混凝土。
同时，还应注意水泥的储存和保管，避免受到湿气和高温等因素的影响，以保证水泥的品质和性能。
钢渣作为混凝土骨料为何会导致建筑大面积爆裂？将钢渣用作混凝土骨料要非常慎重！到底能不能用？!近年来，我国钢铁工业快速发展，钢渣产量大幅增加。
从国家统计局数据来看，2020年我国粗钢产量达到10.65亿吨，位列全球第一；炼钢过程中产生的钢渣约为1.20亿吨，累计堆存量超10亿吨。
大量钢渣堆存，不仅占用土地资源，还给生态环境带来了较大安全隐患。
当前，合理利用钢铁固废是我国开展资源综合利用的关键之一，而加快钢渣利用是全社会的共识。
不可否认的是，在钢渣综合利用方面，我国目前仍存在利用率普遍偏低、利用途径单一等问题，如何进一步实现钢渣有效利用是值得人们深思的问题。
近日，由中国工业合作协会资源综合利用分会、工业固废网联合主办的“2021年钢铁冶金固废综合处理利用技术交流会”在江苏省苏州市召开。
会上，多名专家学者及企业代表围绕固废产业发展状况，钢铁固废资源化利用焦点、难点进行了深入研讨，为钢铁固废处置产业的绿色低碳发展指明了方向。
其实，钢渣是炼钢过程中排放的工业废渣。
当前，我国是产钢第一大国，但对于钢渣的回收利用一直处于较低水平，综合利用率仅在10%左右，相较于美德98%的有效利用率，仍有较大的追赶空间。
2020年9月，《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》正式施行。
其中规定：固体废物污染环境防治坚持减量化、资源化和无害化的原则。
任何单位和个人都应当采取措施，减少固体废物的产生量，促进固体废物的综合利用，降低固体废物的危害性。
在绿色发展的趋势下，钢渣在某种程度上是一种放错地方的资源。
将钢渣用作掺和料或骨料应用在混凝土中，既能减少工业废渣对土地的占用和环境的污染，降低混凝土的材料成本，又符合固废危废减量化、资源化、无害化的政策引领。
加之，近几年基础设施和城市化建设，对混凝土的需求日益增多，经过多年大规模开采，天然砂石资源逐渐减少。
“砂石热”正在逐步走向高潮。
由于有着和天然砂石类似的强度，并存在一定的水硬胶凝性，且使用成本较低，钢渣成为施工方青睐之选，频频应用于建筑工程中。
钢渣粉在混凝土中的应用一、引言混凝土是建筑工程中常用的建筑材料，由水泥、砂、骨料和水等混合物构成。
近年来，随着工业化进程的加快，大量的钢渣产生，如何有效地利用钢渣成为了一个备受关注的话题。
钢渣粉是一种常见的工业副产品，由钢铁冶炼过程中的废渣经过加工而成，其具有一定的活性，可以作为混凝土的替代材料，为混凝土的性能改善和资源综合利用提供了新的思路。
本文将探讨钢渣粉在混凝土中的应用，并分析其对混凝土性能的影响。
二、钢渣粉的来源和性质1. 钢渣粉的来源钢渣是钢铁冶炼过程中产生的一种冶炼废渣，主要包括钢渣渣、钢冶炼灰、氧化铁和其他杂质。
钢渣粉是通过钢渣经过破碎、磨细等加工方式得到的细粉状物质。
2. 钢渣粉的性质钢渣粉主要成分为氧化铁、氧化钙、氧化硅等，具有一定的活性，其颗粒尺寸较小，表面积较大。
钢渣粉中也含有少量的氧化铝、氧化镁等杂质。
三、钢渣粉在混凝土中的应用1. 混凝土中替代部分水泥钢渣粉可以作为混凝土掺细化材料，替代部分水泥的使用。
适量的钢渣粉掺入混凝土中，可以减少混凝土中水泥的用量，进而减少混凝土的成本。
钢渣粉的活性可以使混凝土中的细孔结构得到改善，提高混凝土的致密性和抗渗性能。
2. 对混凝土性能的影响（1）力学性能：适量的钢渣粉添加可以改善混凝土的抗压强度、抗折强度和耐久性，提高混凝土的整体力学性能。
（2）耐久性能：钢渣粉可以促进混凝土内部致密化，减少了混凝土中的孔隙率，提高了混凝土的耐久性。
（3）硅酸盐混凝土的影响：钢渣粉中的氟化物、硅铬酸盐等成分对硅酸盐水泥的水化作用有一定的促进作用，可以提高混凝土的强度。
3. 混凝土中应用的注意事项在混凝土中使用钢渣粉时，需要注意以下几点：（1）控制掺量：合理控制钢渣粉的掺量，过高过低都容易影响混凝土的性能。
（2）充分研磨：钢渣粉需要充分研磨，以增加其活性和细度，提高其在混凝土中的利用率。
（3）与其他掺合料的配合：钢渣粉可以与粉煤灰、硅灰等掺合料相配合使用，综合提高混凝土的性能。
掺加钢渣对水泥性能的影响【摘要】本文以硅酸盐水泥熟料、钢渣和石膏为主要原料，通过改变钢渣的比表面积，来探讨钢渣粉磨的机械力化学活化对水泥性能的影响，通过改变钢渣比表面积及改变掺入量进行实验，研究发现随着钢渣比表面积的增大以及掺入量的增加，其性能发生变化，具体表现为随比表面增大抗折抗压强度增加。
当比表面积一定时，随掺入量增加，初凝时间延长而终凝时间略有缩短、需水量减少其抗折抗压性能反而下降。
综合考虑得出，在硅酸盐水泥中掺加钢渣来改变其强度的方案是可行的。
对所的样品经沸煮法检验，体积安定性均合格。
【关键词】钢渣；机械力化学活化；水泥性能二十一世纪水泥材料仍然是必不可少的建筑材料之一，水泥工业在国民经济中仍占有重要的基础地位。
提高性能、节约能源、降低消耗、保护环境、走可持续发展道路是水泥工业和水泥科研工作者未来奋斗的方向和目标。
钢渣是炼钢生产过程中产生的副产品。
长期以来，钢渣作为废弃品被抛弃，占用土地，污染环境。
近十年来，随着我国国民经济的发展和科技的进步，国民环保意识的增强，废弃钢渣的综合利用引起了人们的广泛关注，并得到了不同程度的开发和利用。
搞好钢渣的综合利用，可以节省大量的资源和能源，还可以减少排渣占地和对环境的污染，对建设节约型社会，实现企业的可持续发展具有重要的现实意义。
为了更有效地利用钢渣,研究中将钢渣单独粉磨后作为矿物掺合料掺入水泥混凝土中,研究钢渣矿粉细度和掺量对混凝土的工作性能和强度的影响。
磨细钢渣粉作为一种新的水泥混凝土掺合料,分布广、数量多,有较高的应用与研究价值。
钢渣的主要矿物组成一般为：β-C2S、C3S、C3MS2、CSH、RO相和金属铁等。
钢渣的矿物组成决定了钢渣具有一定的胶凝性，主要源于其中一些活性胶凝矿物[4]的水化。
与硅酸盐水泥熟料相比，钢渣中这些矿物含量要低得多，且晶体发育粗大，活性较低。
钢渣中游离的CaO、MgO含量较高，因而稳定性差。
此外，钢渣中铁和锰的含量也比较高，由于铁、锰离子具有较强的极化能力，对氧有很大的亲和力，因此，氧离子能脱离正硅酸钙（锰）四面体破坏正硅酸盐结构，使四面体互相连接起来，生成巨大而复杂的硅氧团，从而降低其易磨性。
工业废渣在混凝土制备中的应用一、背景介绍工业废渣是指在生产过程中产生的废弃物或副产品，包括钢渣、矿渣、粉煤灰、石灰石粉等。
这些废渣的产生给环境带来了严重的污染，同时也浪费了资源。
为了减少环境污染和资源浪费，工业废渣被广泛地应用于混凝土制备中。
二、工业废渣的应用1. 钢渣钢渣是一种由钢厂生产出的废渣，主要由炉渣和钢渣组成。
钢渣中含有大量的硅酸盐和氧化物，这些物质可以增加混凝土的强度和耐久性。
同时，钢渣还可以改善混凝土的耐磨性和耐久性，使混凝土更加耐久。
2. 矿渣矿渣是指在冶金过程中产生的废渣，主要由铁矿石炼制出的铁水、炼钢渣和钢渣组成。
矿渣中含有大量的硅酸盐和氧化物，这些物质可以增加混凝土的强度和韧性。
同时，矿渣还可以改善混凝土的耐久性和抗裂性，使混凝土更加耐久。
3. 粉煤灰粉煤灰是指在燃烧煤炭时产生的废渣，主要由不燃物和煤灰组成。
粉煤灰中含有大量的硅酸盐和氧化物，这些物质可以增加混凝土的强度和耐久性。
同时，粉煤灰还可以改善混凝土的耐久性和抗裂性，使混凝土更加耐久。
4. 石灰石粉石灰石粉是指由石灰石破碎后制成的粉末，是一种常用的混凝土掺合料。
石灰石粉中含有大量的氧化钙和氧化镁，这些物质可以增加混凝土的强度和耐久性。
同时，石灰石粉还可以改善混凝土的耐久性和抗裂性，使混凝土更加耐久。
三、应用效果1. 提高混凝土的强度和耐久性工业废渣中含有大量的硅酸盐和氧化物，这些物质可以增加混凝土的强度和耐久性。
通过加入适量的工业废渣，可以提高混凝土的抗压强度和抗拉强度，从而提高混凝土的承载能力。
同时，工业废渣还可以改善混凝土的耐久性和抗裂性，延长混凝土的使用寿命。
2. 减少环境污染工业废渣的应用可以减少环境污染。
工业废渣一般是经过处理后才能应用于混凝土制备中的，这样可以避免工业废渣对环境造成的污染。
同时，工业废渣的应用还可以减少原材料的使用量，从而减少对自然资源的消耗。
3. 降低混凝土制备成本工业废渣的应用可以降低混凝土制备的成本。
钢渣微粉在水泥混凝土中的应用研究摘要：钢渣粉作为混凝土的活性掺合料可以改善混凝土的工作性能。
本文综述了钢渣微粉的组成及其特性，揭示了其水硬活性和活化措施，包括机械活化、化学活化、热力学活化及相分离活化等，并分析了钢渣微粉对混凝土的性能影响。
关键词：钢渣粉活化混凝土The research in the application of the steel slag powderin the concreteAbstract：The workability of the concrete can be improved by the application of the steel slag powder used as reactive additive. The component and properties were introduced and the mechanism of the concrete hydration with steel slag powder was revealed. The methods, which can activate the steel slag powder, including mechanical activation, chemical, thermodynamics and phrase disengagement methods was introduced and the effect of the steel slag powder on the properties of the concrete was analyzed.Keyword：steel slag powder activation concrete前言我国钢铁产业每年排放大量的固体废渣，其中钢渣的排放量达到近亿t。
大量钢渣的存放不仅占用土地，还会污染周围的环境。
对于水泥混凝土行业，我国的水泥产量居世界之首[1-2]。
钢渣矿渣掺合料对水泥性能的影响张作顺;徐利华;赛音巴特尔;廖洪强;孙鹏辉;郝洪顺【摘要】研究了钢渣的掺入量对水泥浆体性能的影响,以及钢渣单掺和钢渣与矿渣复掺对水泥胶砂强度的影响.结果表明:钢渣的掺入可以改善水泥浆体的流动性,凝结时间随钢渣掺量增加而延长.单掺钢渣时,水泥胶砂强度下降明显.钢渣与矿渣复掺会相互激发、相互促进水化,水泥胶砂强度变化不大,且钢渣在复合粉中的比例为20%,替代水泥量为50%时,28 d强度已超过基准样.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2010(000)007【总页数】4页(P173-176)【关键词】钢渣;矿渣;掺合料;水泥胶砂强度【作者】张作顺;徐利华;赛音巴特尔;廖洪强;孙鹏辉;郝洪顺【作者单位】北京科技大学;北京科技大学;首钢环保产业事业部;首钢环保产业事业部;北京科技大学;北京科技大学【正文语种】中文钢渣是炼钢过程中产生的废弃物,排出量占钢产量的 10%～15%。
2008年我国的钢产量已达 5亿 t,钢渣的排出量近亿吨[1]。
目前,美国、德国、日本等主要产钢国的钢渣利用率在 95%以上。
由于种种原因,我国的钢渣并没有得到充分利用,利用率不足 50%,大量的钢渣如今已在各钢铁公司周围堆积成山,不仅占用了大量的土地,而且还污染环境、危害人体健康[2-3]。
在当前社会经济发展与资源短缺之间的矛盾变得日益突出的情况下,对钢渣资源化和高价值化利用的研究显得尤为重要。
钢渣的化学成分和水泥熟料的化学成分较接近,含有的硅酸二钙 (C2S)和硅酸三钙(C3S)等水硬性矿物具有胶凝性,可以替代部分水泥作为掺合料应用于水泥和混凝土生产中[4]。
经研究证明,钢渣粉与矿渣粉有很好的适应性,作为复合粉使用时,可以显著提高混凝土的强度值,特别是中后期的强度,还可提高混凝土抗氯离子扩散能力和抗冻性,降低混凝土的干缩率,提高混凝土耐久性等[5-6]。
本试验通过球磨的方式将钢渣和矿渣粉磨至一定的细度,采用单掺钢渣粉和钢渣矿渣复掺的方法,替代等量的部分水泥进行试验,研究钢渣矿渣复合微粉对水泥性能的影响。
钢渣对水泥混凝土性能的影响一、前言钢渣是炼钢工业的废渣，主要来自炼钢时加入的石灰石、白云石和铁矿石等冶炼熔剂，为调整钢材性质而加入的造渣材料，以及高温下融化成的两个互不熔解的液相炉料中分离出来的杂质等，其排放量约为粗钢产量的12%~20%左右。
据统计，2006年我国钢铁渣的堆存量约4亿吨，占地约2700万m2，新产生的钢渣约5800万吨；2007年我国钢铁工业排出钢渣量达到了8500万吨，2008年我国全年钢渣排放量达7000余万吨，全国钢渣累计积存量达到3亿多吨。
若不对堆放的钢渣进行及时有效的处理，不仅占用大量土地资源，还会造成环境污染。
目前钢渣主要应用于路基工程、工程回填料和沥青混凝土集料等，而在水泥混凝土中的应用不到其利用总量的10%。
近几年来，人们主要研究了钢渣胶凝性的激发途径和制备新材料的可行性，但钢渣对水泥混凝土力学性能和耐久性影响的理论研究尚不够系统和深人，因此，加强这方面的理论研究显得非常有必要，可以为钢渣资源化提供知识基础，使分布广、数量大的钢渣作为矿物掺合料在水泥混凝土中得到充分应用成为现实，在获得巨大的经济效益的同时也有利于保护环境，节约资源与能源，实现水泥混凝土材料的可持续发展。
二、钢渣的性质钢渣矿物组成主要是硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸盐和少量的方镁石以及游离氧化钙，钢渣的化学成分主要有CaO, SiO3, Fe2O3, MgO，此外还有少量A12O3 , MnO2 , P2O5等。
可见钢渣矿物化学组成与硅酸盐水泥熟料相似。
钢渣经化学激发和机械激发后均具有较强的水硬胶凝性，具备用作水泥混合材和混凝土掺合料的基础条件。
但钢渣的形成温度比硅酸盐水泥熟料高200~300℃，并且在钢渣缓慢冷却过程中C3S大部分发生分解，因此钢渣中处于介稳态的C3S所占密度较少，C3S的含量远低于水泥熟料。
此外，由于钢渣的冷却速度很慢，C3S晶格发生重排，活性较高的β-C2S向活性较低的r-GS转化，这也是钢渣活性低于水泥熟料的另一个原因，钢渣因此也被称为过烧硅酸盐水泥熟料。
钢渣-矿渣-水泥复合胶凝材料力学性能实验研究摘要：本实验利用冶炼钢铁时所产生的废弃物—钢渣和矿渣与水泥复合，以此制备水泥基复合胶凝材料。
通过测试抗折与抗压强度，试验研究了钢渣与矿渣的复合比例对胶凝材料力学性能的影响。
关键词：钢渣；矿渣；水泥；强度钢渣是转炉、电炉等熔炼炉在生产过程中排出的由金属原料中的废物杂质与助熔剂、炉衬形成的工业废渣，成分主要为硅酸盐和铁酸盐。
矿渣是一种活性比较高的矿物掺合料，其中的玻璃体含量较高，在水泥水化过程中生成Ca(OH)2的激发作用下可以发生火山灰反应，生成低钙硅比的凝胶，对硬化浆体的孔结构有很强改善的效果。
钢渣和矿渣因具有一定的水化活性，已经成为现代混凝土重要组成部分，而且也是高性能化的混凝土一种不可或缺的原材料。
本实验将矿渣和钢渣作为掺合料掺入水泥中制备水泥基复合胶凝材料，通过测试抗折强度与抗压强度，研究钢渣与矿渣的复合比例对胶凝材料力学性能的影响。
1、实验原材料及实验方法1.1原材料钢渣选用辽宁省鞍山市鞍山钢铁有限责任公司的磨细钢渣，矿渣选用沈阳重型通用矿冶制备有限公司的矿渣粉，比表面积为450kg/m2，水泥选用大连小野田水泥有限公司P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥。
砂为Ⅱ区中砂，细度模数为2.9。
1.2实验方法每次称取制好的4kg待磨样品放入SYM-A型Φ500mm×500mm试验标准小磨中，粉磨时间为设定分别为120min、135min、150min，测试其比表面积。
将粉磨时间不同的钢渣与矿渣复合取代水泥制备水泥基复合胶凝材料，其中取代量为40%，钢渣与矿渣的复合比例为40:0、30:10、20：20、10:30和0:40。
将水泥基复合胶凝材料制成标准胶砂试件，测试不同龄期时的抗折强度与抗压强度（龄期为3d和28d）。
测试标准为GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》。
2、实验结果分析2.1粉磨时间对钢渣细度的影响将钢渣粉磨120min、135min、150min后，钢渣微粉的比表面积分别为410 kg/m2、422kg/m2和407kg/m2。
第38卷第8期2010年8月同济大学学报(自然科学版)J OURNAL OF TONG JIUN I VERSI TY(NATURAL SCI EN CE)Vo.l 38N o .8 Aug .2010文章编号:0253-374X (2010)08-1200-05DOI :10.3969/.j issn.0253-374x .2010.08.018收稿日期:2009-05-04基金项目:国家/9730重点基础研究发展规划资助项目(2009CB 623104)作者简介:杨钱荣(1965)),男,副研究员,工学博士,主要研究方向为混凝土耐久性.E-m ai:l qryang @tongj.i edu .cn含钢渣复合掺合料对混凝土耐久性的影响杨钱荣,杨全兵(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海200092)摘要:研究了掺钢渣、矿渣和粉煤灰复合掺合料混凝土的碳化、氯离子渗透、碱集料反应、抗冻及绝热温升性能.结果表明:在同水胶比下,复合掺合料等量取代水泥后,混凝土的抗碳化性能和抗氯离子渗透性能有明显提高,混凝土碱集料反应膨胀率显著降低,当复合掺合料用量超过50%,混凝土抗冻性有所降低.掺加复合掺合料可显著减小胶凝材料的水化热,以及混凝土的绝热温升值和温升速率.关键词:复合掺合料;钢渣;混凝土;耐久性中图分类号:TU 528.1文献标识码:AE ffects of Co m pound M i neral A d m i xt u re w it h S teel S lag on Durability of ConcreteYANG Q ian r on g,YANG Qu an bin g(Key Labor a tory of Advanc ed C i v il Eng i neeri ng M ateri a l s of the M i ni stry of Educati on ,T ong ji Uni versity ,Shanghai 200092,Ch i na)A bstract :A study w as m ade o f the carbonati on ,chlori de ion penetrati on and alkal-i aggregate reaction (AAR ),frost -res istance and ad iabat i c te mperature rise o f concrete w ith co mpound m ineral ad m i xture (C MA )of steel slag ,granu l ated blast furnace s l ag and fly ash .The resu lt show s that the res i s tance to carbonationand ch l oride ionpenetrati on and expansion caused by AAR of concrete can be i mproved obv i ously i n comparison w ith ordinary concretes at the equal w ater/b i nder ratio by substitu ti ng CMA for ce men t at equal quality ,and the frost -resistance of concrete decreases dra maticall y w ith CMA over 50%.The hyd rat i on heat of ce m ent iti ous materia,l ad iabat i c te m peraturerising andtherisingve l ocitydecreasere mar k ably w ith C MA substitu te for ce men t .K ey w ords :co m pound m i nera l adm ixture ;steel s l ag ;con crete ;du rab ility随着现代水泥混凝土技术的发展,矿物掺合料已成为混凝土必不可少的组分,矿渣和粉煤灰作为辅助性胶凝材料在水泥混凝土中已得到广泛的应用.相对于矿渣粉,钢渣和硅酸盐水泥熟料具有相似的矿物组成,也具有水硬活性,可用作水泥混合材,但由于其易磨性较差,使其活性不能充分发挥出来,并且在钢渣中存在大量的游离CaO 和M g O,如控制不当易使水泥混凝土产生安定性不良的后果[1].近几年钢渣在水泥混凝土领域的利用已引起重视,对于钢渣的水硬活性及其激发和掺钢渣粉水泥混凝土的性能[2-4],不少学者在此方面做了有益的研究.但目前钢渣与其他辅助胶凝材料复合掺合料在水泥混凝土中的应用研究尤其是耐久性方面研究还很少,前期研究表明,钢渣与矿渣、粉煤灰作为复合掺合料等量替代水泥应用于混凝土中,其后期强度高于普通混凝土,干燥收缩也较普通混凝土低[5],其抗硫酸化学侵蚀能力有所改善,但其抗硫酸盐结晶破坏能力有较大幅度降低[6].本文对含钢渣复合掺合料混凝土的耐久性能进行了系统研究,对于含钢渣掺合料在水泥混凝土领域的应用有参考价值.1 原材料及配合比1.1 原材料水泥(C )采用宝山42.5普通硅酸盐水泥;细骨料为中砂,细度模数为 2.7;粗骨料为碎石,5~15mm 连续级配;活性集料为耐热玻璃,比重为2.26g #c m -3.复合掺合料(C MA )为矿渣粉、粉煤灰和钢渣粉按比例复合而成,矿渣粉:钢渣粉:粉煤灰=65B 25B 10;其中矿渣粉(GGBS)为梅钢矿渣粉,密度为2.90g #c m -3,45L m 筛余1.0%,比表面积400m 2#kg -1;粉煤灰(FA)为梅钢公司原状灰,45L m 筛余36%;钢渣粉(SS)由梅钢钢渣磨细制得,比表面积为523m 2#kg -1.第8期杨钱荣,等:含钢渣复合掺合料对混凝土耐久性的影响矿渣粉、粉煤灰和钢渣粉等矿物掺合料的化学组成见表1,水泥胶砂强度及矿渣粉、粉煤灰和钢渣的活性指数见表2.引气剂(AEA)为SJ-2三萜皂甙引气剂.水为自来水.表1矿物掺合料的化学组成Tab.1Che m ica l co m positio n(by m ass)ofm inera l ad m ixtures%掺合料品种w(Si O2)w(CaO)w(A l2O3)w(M gO)w(Fe2O3)w(M nO)w(T i O2)w(K2O)w(N a2O)w(f-CaO)2 GGBS33.7636.7515.6910.180.480.581.230.400.32)99.4 FA55.182.0329.611.094.58)))))92.5 SS13.4342.682.787.0825.502.010.880.050.055.6294.5表2水泥胶砂强度及掺合料活性指数Tab.2Co mpressive strength of m ortar and a ctiv ity i ndex of m i nera l ad m ixtures水泥及掺合料品种3d抗压强度/M Pa活性指数/%7d抗压强度/MPa活性指数/%28d抗压强度/MP a活性指数/%C27.3100.036.1100.043.8100.0 FA18.668.125.169.536.483.1 SS18.668.126.874.238.287.2 GGBS21.378.030.484.247.6108.7 C M A21.378.030.684.846.4105.91.2配合比用于测试混凝土碳化、氯离子侵蚀、绝热温升及抗冻性等性能的配合比见表3,其中B0,B1和B2用于测试混凝土碳化、氯离子侵蚀、绝热温升.用于测试砂浆碱集料反应膨胀率的配合比见表4.表3混凝土配合比(用于测试碳化、氯离子侵蚀、绝热温升及抗冻性能)及强度Tab.3M ix proportions of concre te for testing ca rbona tion,chloride ion penetra tion,adiaba tic te m pera t ure rise and frost-resistance and their co mpressive strength试件编号混凝土配合比/(kg#m-3)水泥水砂石CM A引气剂含气量/%28d抗压强度/MP aB036019872310841.241.0 B0136019872310840.03603.833.8 B0236019872310840.06486.526.7 B12701987231084901.044.0 B112701987231084900.03603.333.5 B122701987231084900.07205.929.4 B218019872310841801.241.5 B2118019872310841800.04323.233.8 B2218019872310841800.09005.728.0表4砂浆配合比(用于测试的碱集料反应的膨胀率) Tab.4M ix proportions ofm ortar for testing expansive ra tio of a l ka li-agg regate reaction试件编号水水泥CMA活性集料N a OH J-0451002250.323J-14575252250.242J-24550502250.162J-34575252250.3232试验方法(1)掺合料活性指数粉煤灰、钢渣、矿粉及复合掺合料活性指数参照GB1956)20055用于水泥和混凝土中的粉煤灰6中活性指数测试方法进行.(2)碳化将标准养护28d的混凝土试件放入CCB-701201同济大学学报(自然科学版)第38卷型混凝土碳化仪,按GB/T50082)2009分别测试不同碳化时间下的碳化深度.(3)氯离子渗透C l-离子渗透深度,采用色差显示法测试,测试方法参见文献[7].C l-离子扩散系数参照CCES01) 20045混凝土耐久性设计与施工指南6中氯离子扩散系数(NEL)法进行测试[8].(4)碱集料反应试验方法参照J GJ53)1992进行,试件尺寸为4 c m@4c m@16c m,水灰比为0.45,胶凝材料与集料质量之比为=1/2.25.(5)抗冻采用水工混凝土试验规程(DL/T5150)2001)中快冻法测试混凝土抗冻耐久性指数(DF)值.(6)水化热采用水化热测定仪按GB/T12959)1991测定水泥水化热.(7)绝热温升采用自制的绝热温升测试装置,将拌合好的混凝土浇注入尺寸为48c m@28c m@30c m的绝热装置中,每次实验所用的混凝土量为40L,在该混凝土中心预埋数字式测温仪,每隔1h记录试件内部温度,实验测试精度为?0.1e.3实验结果及分析3.1碳化图1显示了在同水胶比条件下(m W/m B= 0.55),养护龄期为28d不同掺量复合掺合料混凝土碳化随时间的变化规律.可以看到,混凝土中掺加复合掺合料后碳化深度有不同程度的降低,在碳化前期这种降低并不明显,而随着碳化时间的延续,掺加掺合料后混凝土的碳化深度有较明显的降低.当碳化时间达到180d时,掺加C MA25%和50%的混凝土的碳化深度分别为基准混凝土的59.8%和71.9%.掺加复合掺合料有正负两方面的作用,一方面由于水泥用量的减少,水化产生的Ca(OH)2减少,水泥浆体中的碱含量降低,造成其吸收CO2的能力降低,对抗碳化不利;另一方面,复合掺合料中矿渣粉、钢渣和粉煤灰的活性效应有利于混凝土的长期抗渗性的提高,混凝土进行碳化时,处于(70?5)%的相对湿度的环境中,水化在继续进行,随着龄期增长复合掺合料的二次水化填充效应可显著改善混凝土的孔结构,使混凝土的抗气体渗透性显著提高,有利于混凝土抗碳化性能的提高.图1复合掺合料对混凝土碳化深度的影响F ig.1Effect of co mpound m inera l ad m ixture(CMA)on ca rbo na tion depth of concrete3.2氯离子渗透图2为同水胶比条件下掺复合掺合料混凝土的氯离子渗透深度随时间的变化规律.图2复合掺合料对氯离子渗透深度的影响F ig.2E ffect of CMA on chloride ion penetra tiondepth of concrete从图2中可以看到,掺加C MA后混凝土的抗氯离子渗透性能显著提高,在N a C l溶液中浸泡56d 后,掺加25%和50%C M A混凝土的抗氯离子渗透性分别为基准混凝土的75.2%和67.2%,浸泡180d 后,分别达到了71.4%和72.1%.这与复合掺合料的活性效应有关,随龄期的增长,矿渣粉、粉煤灰及钢渣粉与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次反应,反应产物填充孔隙并堵塞贯通的毛细孔通道,使水泥粉煤灰浆体的孔径细化、孔隙曲折度增加,连通的孔隙减少,从而使得混凝土的抗渗性得到提高也即提高混凝土阻碍C l-离子渗透扩散的能力;此外由于矿渣粉、粉煤灰的物理吸附和二次水化产物的物理化学吸附作用也使混凝土对C l-离子有较大的固结能力.表5为同水胶比条件下,用NEL法测得的掺复合掺合料混凝土的氯离子扩散系数.可以看到,掺加1202第8期杨钱荣,等:含钢渣复合掺合料对混凝土耐久性的影响CMA 后混凝土的氯离子扩散系数均有所降低,养护龄期为28d 的掺25%和50%CM A 的混凝土氯离子扩散系数分别为基准混凝土的78.4%和73.8%,这与显色法测得的氯离子渗透深度的结果是一致的.表5 复合掺合料对混凝土氯离子扩散系数的影响Tab .5 E ffect of CMA on chloride ion d iff usivecoefficient of concreteC M A 替代率/%02550氯离子扩散系数/(10-12m 2#s -1)1.8271.4331.3493.3 碱集料反应图3为掺复合掺合料砂浆试件的碱集料反应膨胀率,结果可看到复合掺合料对碱集料反应膨胀的抑止作用十分明显,C MA 掺量为25%和50%的砂浆试件的膨胀率分别为基准砂浆试件的76.3%和34.8%,且增加配比中碱含量对碱集料反应(AAR )引起的膨胀影响不大.复合掺合料对AAR 的抑制作用表现为对混凝土中碱和Ca(OH )2的综合作用,可概括为对碱的稀释、吸附作用,以及火山灰反应生成的低钙硅比产物对碱的吸附、滞留和对体系的致密化作用等.混凝土中掺入复合掺合料等量替代部分水泥使混凝土水泥量减少,降低了混凝土中的碱含量,缓解了混凝土碱集料反应的危害.掺入复合掺合料后,可改善水泥浆体的孔结构以及浆体与集料的界面结构,降低混凝土的孔隙率,细化孔径,阻断毛细孔通道,使得水和侵蚀介质难以进入混凝土内部.此外由于火山灰效应减少了结晶粗大、稳定性差、容易受到侵蚀介质腐蚀的水化产物,并生成低碱度、稳定性好的水化硅酸钙凝胶.图3 复合掺合料对碱集料反应引起的膨胀率的影响F ig .3 Effect of C M A on expansive ratio ofm ortar caused by AAR3.4 抗冻性表6列出了水胶比为0.55掺加不同掺量复合掺合料混凝土的抗冻性能,可以看到,在含气量相近的条件下,掺合料掺量不大时,抗冻耐久性指数DF 值与基准混凝土相差不大,而掺合料用量较大时,混凝土的DF 值有所降低,这是由于掺加掺合料后水泥浆体的孔径细化,对水的阻力增大,毛细孔的曲折度也增大,使水在气孔之间流动的实际距离增大,不利于卸除和降低水结冰产生的膨胀压[9].引气是提高混凝土抗冻性的最有效的措施,强度对混凝土抗冻性有重要影响,但其影响程度远不如含气量.在同强度下,掺加复合掺合料后混凝土抗冻性有所降低,但均可通过引气来获得高的抗冻性.表6 复合掺合料对混凝土抗冻性的影响Tab .6 E ffect of C M A on frost -resistance of co ncrete试件编号CM A 掺量/%含气量/%28d 抗压强度/M Pa 抗冻耐久性指数(DF)/%B 01.241.010.0B 013.533.848.5B 026.226.778.6B 1251.044.08.50B 11253.333.542.7B 12255.929.476.3B 2501.241.57.50B 21503.233.836.6B 22505.728.067.23.5 水化热及绝热温升水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源.温度应力是混凝土早期开裂的一个很重要的因素.Springensch m i d 认为,混凝土的2/3应力来自于温度变化,1/3来自干缩和湿胀[10],掺加矿物掺合料是降低水泥水化热的最有效措施之一.表7列出了不同掺量复合掺合料胶凝材料在不同水化时间的放热总量,可以看到,掺加复合掺合料后放热速率明显减慢、水化热明显降低.其中掺25%和50%复合掺合料胶凝材料在24h 的放热量分别为基准水泥的84.2%和63.9%,48h 分别为84.6%和66.4%,72h 分别为88.2%和74.4%.表7 复合掺合料掺量对水化热的影响Tab .7 E ffect of C M A on hea t of hydrationof blended cem ent试件编号CMA 掺量/%水化热/(J #g -1)24h 48h 72h H-1084.81161.26196.87H-22571.43136.47173.7H-35054.21107.00146.39混凝土的绝热温升值主要取决于水泥的水化热,混凝土中的水泥用量、混凝土的比热及水泥的水1203同济大学学报(自然科学版)第38卷化程度等.当胶凝材料中含有一定比例的掺合料,且混凝土中胶凝材料总量和水胶比不变时,体系中的水泥用量相对减少,水泥水化的放热量减少,混凝土的绝热温升自然也就小.从图4可看到,掺加复合掺合料后混凝土的的绝热温升和温升速率均有明显降低,其中复合掺合料掺量为25%和50%的混凝土的绝热温升最高值分别为40.3e 和38.3e ,分别较基准混凝土降低了1.0e 和3.0e ;而达到最高绝热温升值的时间分别为40h 和48h ,分别较基准混凝土滞后了7h 和15h .复合掺合料的这种效应有利于减少大体积混凝土因水化热产生开裂的风险.图4 复合掺合料对混凝土绝热温升的影响F ig .4 E ffect of CMA on concre te adiabaticte m perature rising4 结论(1)在同水胶比下,复合掺合料等量取代水泥后,混凝土的抗碳化性能、抗氯离子渗透性能均有明显提高、混凝土碱集料反应膨胀率显著降低.(2)在同水胶比下,当复合掺合料掺加量不大时,混凝土的抗冻性与基准混凝土相近,但当掺加量较大时,抗冻性有所降低.(3)掺加复合掺合料可显著减小胶凝材料的水化热,以及混凝土的绝热温升值和温升速率.参考文献:[1] 施惠生,郭晓潞,阚黎黎.钢渣-水泥硬化浆体体积稳定性的改性研究[J].水泥,2007(12):1.S H I H u i sheng ,GUO X i ao l u ,KAN Lil.i I m prove m en t on vol um e stab ility of harden ed steel s l ag -ce m en t paste [J ].C e m en t ,2007(12):1.[2] 姚景相,陶珍东,刘鹏.钢渣比表面积和掺入量对水泥性能的影响[J].水泥工程,2008(1):20.YAO Ji ngx i ang ,TAO Zhendong ,LI U Peng .In fl u ences of s p ecific area and a m oun t of steel s l ag on ce m ent perf or m ance[J].C e m ent Eng i neeri ng ,2008(1):20.[3] 丁铸,王淑平,张鸣,等.钢渣水硬活性的激发研究[J].山东建材,2008(4):47.D I NG Zhu ,WANG Shup i ng ,Z HANG M i ng ,et a.l Study on acti vati ng hyd rau lic activit y of steel slag [J ].Shandong Bu ilding M aterial s ,2008(4):47.[4] 孙家瑛.磨细钢渣对混凝土力学性能及安定性影响研究[J ].粉煤灰,2005(5):7.SUN J i ay i ng .Study of effects of ground st eel s l ag on m 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