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2 0 1 6年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 0l 6 No 1 J a n u r a r y 钢渣粉部分替换不同水泥对混凝土 力学性能的影响 、 王飞虎 ， 冯 勇， 晋 强， 何金春 ( 新疆农业大学水利与土木工程学院 ， 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ) 摘 要 ： 为 了研 究钢渣粉 对不同水 泥的影响 ， 用铜渣粉部分替换普通硅酸盐水泥钢渣混凝土、 高抗硫 酸盐硅酸 盐水泥钢渣 混凝 土、 快硬 硫铝酸盐水泥钢 渣混凝土 中的水泥 ， 比较使 用这三种水 泥钢渣混凝 土 3 d 、 7 d和 2 8 d的抗 折、 抗压强度的发展 变化 。试验 结果表 明： 普通硅 酸盐水 泥、 高抗硫 酸盐硅酸 盐水泥 、 快硬硫铝酸 盐水泥铜渣混凝土 的钢 渣粉 最优掺量分别是 2 0 、 1 0 、 1 0 ， 合理掺 量范围一般 不应超过 3 0 、 3 O 、 2 0 。 关键词 ： 钢渣粉 ； 普通硅 酸盐水泥； 高抗硫 酸盐硅 酸盐水泥； 快硬硫 铝酸盐水 泥； 抗折 强度 ； 抗压强度 Ab s t r a c t ： T o s t u d y t h e e f f e c t o f s t e e l s l a g o n d i f f e r e n t c e me n t ， t h e d e v e l o p me n t v a r i e s f o r fl e x u r a l s t r e n g t h a n d c o rn p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h r e e k i n d s o f c e me n t s t e e l c o n c r e t e i n 3 d ， 7 d a n d 2 8 d a r e c o mp a r e d w h i c h i n c l u d e s l a g p o w d e r p a r t l y r e p l a c e d c e me n t f r o m P o rt l a n d c e me n t s t e e l s l a g c o n c r e t e ， h i g h s u l f a t e r e s i s t a n c e P o r t l a n d c e me n t s t e e l s l a g c o n c r e t e ， r a p i d h a r d e n i n g s u l p h o a l u mi n a t e c e me n t s l a g c o n c r e t e T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e o p t i ma l d o s a g e s o f s t e e l s l a g p o w d e r f r o m o r d i n a r y P o rt l a n d c e me n t ， h i g h s u l f a t e r e s i s t a n c e P o rtl a n d c e me n t ， r a p i d h a r d e n i n g s u l p h o a l u mi n a t e c e me n t s t e e l s l a g c o n c r e t e a r e 2 0 ， 1 0 ，1 0 ， a n d a r e a s o n a b l e d o s a g e r a n g e s h o u l d n o t e x c e e d 3 0 ， 3 0 ， 2 0 Ke y wo r d s ：S t e e l s l a g ；P o rtl a n d c e me n t ；Hi g h s u l f a t e r e s i s t a n c e P o rt l a n d c e me n t ；Ra p i d h a r d e n i n g s u l p h o a l u mi n a t e c e me n t ； F l e x u r a l s t r e n gth ； Co mp r e s s i v e s t r e n g t h 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6) 0 1 9 6 0 4 0前 言 钢渣是钢厂炼钢时排放的工业废品 ， 我国每年 都有大量的钢渣排放 但是利用率却非常低 。钢渣 的大量堆积 ， 不但 占用了土地 ， 也污染了环境 - 2 。韩 艳丽等人对粗 、 细钢渣替换混凝土中的天然骨料进 行 了研究 ， 结果表明： 粗 、 细钢渣替换混凝土中的天 然 石子 和天 然砂 子 的最优 替换 率分 别 为 3 0 和 5 O 。 李永鑫等人的研究结果表明 ， 钢渣粉的比表 面积从 4 0 0 m Z k g提高到 5 0 0 m2 k g时 ， 把钢渣粉掺入 到水泥中 ， 水泥各龄期的强度都有 显著增长 ， 当比 表面积超过 5 0 0 mV k g时，早期强度虽然有所增长 ， 但是后期强度几乎没有增长 ， 而且继续提高钢渣粉 比表面积的难度增大 ， 需要消耗更 多的能量 ， 经济 效益不够好 ， 因此 ， 宜将钢渣粉 的比表 面积控制在 4 0 0 5 0 0 mV k g之间比较合适 。 钢铁有限公司提供 的热 闷渣 ： 所用胶凝材料为普通 硅酸盐水泥、 高抗硫酸盐硅酸盐水泥和快硬硫铝酸 盐水泥 ，用钢渣粉分别部分替换 以上三种水泥 ， 对 比使用这三种水泥 的钢渣混凝土抗压强度和抗折 强度 的变化趋势。本研究成果可为地铁盾构圆管片 制备的关键技术提供有益参考 。 1 原 材料 ( 1 水泥 新疆某 公 司生 产 的 4 2 5级普 通硅 酸盐 水 泥 ( 以 下简称 “ 普通水泥” ) ； 新疆某公 司生产 的 4 2 5级高 抗硫酸盐硅酸盐水泥( 以下简称“ 高抗水泥” ) ； 北京 某公司生产的 4 2 5级快硬硫铝酸盐水泥 ( 以下简称 “ 快 硬水 泥 ” ) 。 ( 2 ) 钢渣粉 所 用 钢 渣 粉 的 密 度 为 3 3 8 g c m 。 ， 比表 面 积 为 本试验所使用 的钢渣是 由宝钢集 团新疆八一4 2 9 mV k g ， 满足安定性要求 ， 其化学成分见表 1 。 表 1 钢渣的化学组成 基金项 目： 新疆维吾尔族 自治区 2 0 1 5年 自然科 学基金项 目( 2 0 1 5 2 1 1 A 0 1 8 ) 。 一 9 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王飞虎 ， 冯 勇 ， 晋强 ， 等钢渣粉部分替换不 同水泥对混凝土力学性能的影响 ( 3 ) 粗 骨料 I 选用天然石 和钢渣石二种粗骨料。其 中 ， 天然 石 为 5 l O mm连 续 级 配 的 卵石 ： 钢渣 石 为 满 足 安定 性要求的石状钢渣 ， 其表面呈黑色 ， 粗糙多孑 L ， 粒径 为 5 l O m m 且级配连续。二种粗骨料的物理性能指 标见 表 2 。 表 2 粗 骨料的物理性能指标 ( 4 ) 细 骨料 本试 验选用天然砂和钢渣砂 二种细骨料 。其 中 ，天 然砂 的粒径 为 0 1 6 5 ram，是 细度模 数 为 2 9 且级配 良好 的中砂 ： 钢渣砂为满足安定性要求的砂 状钢渣 ， 其粒径为 0 1 6 5 mm， 细度模数 为 2 9 ， 且级 配 良好 。 ( 5 ) 减 水 剂 新疆某公司生产的F D N高效减水剂。 ( 6 ) 水 p H值为 7左右的普通 自来水。 2试 验方 法 2 1 试验用混凝土配合 比 参照 J G J 5 5 2 0 1 1 普通混凝 土配合 比设计规 程 ， 设计普通混凝土基准配合 比， 具体见表 3 。 表 3 基 准混凝土配合 比 k g m 。 根据韩艳丽等人的研究结论 ， 用粗钢渣替换混 凝 土 中 3 0 的 天然 石 ， 用 细钢 渣替 换 混凝 土 中 5 0 的天然砂 ， 配制成钢渣混凝土， 然后再用钢渣粉分 别替换 1 0 4 0 的水泥， 具体配合 比见表 4 。 表 4钢渣混凝土配合 比 k g m 2 2 试验方法 根 据表 4配 合 比 ，分 别制作 尺 寸为 1 0 0 mmx l O O mm x l O O m m 和 4 0 mm x 4 O m mx l 6 O m m 的试 件 。在 温度为 2 O 、 湿度为 9 7 的标准条件下养护 2 4 h后 脱模 ，再放入标准养护室分别养护到 3 d 、 7 d和 2 8 d 龄期 ， 测试 普通水泥钢渣混凝土 、 高抗水泥钢渣混 凝土和快硬水泥 钢渣混凝 土试 件各龄期的抗折强 度 和抗 压强 度 。 3试 验 结果 与分 析 3 1 试验结果 普通水泥钢渣混凝土 、 高抗水泥钢渣混凝土和 快硬水泥钢渣混凝 土的抗折强度 和抗压试验结 果 见表 5和表 6 。 3 2 试 验 结果分 析 根据试验结果绘制 的抗折 强度及抗压强度变 化图 ， 如图 1 图 6所示 。 3 2 1 普通水泥钢渣混凝土试验结果与分析 ( 1 ) 抗折 强度 试验 结果 把钢渣粉作 为矿物掺合 料掺人到钢渣混凝土 中 ， 当钢渣粉掺量为 1 0 4 0 时 ， 混凝土的 3 d 、 7 d 表 5钢渣混凝 土抗折强度试验结果 M P a 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 7期 。 6 暮 s 辖 4 0 1 0 2 0 3 0 4 钢 渣粉掺 量 图 1 钢渣 粉对普通水泥钢渣混凝 土抗 折强度 的影响 ： 蠢 羹 3 0 1 O 2 O 3 0 钢渣粉 掺量 图 3 钢渣粉对高抗 水泥钢渣混凝土抗折强度的影响 蠢 8 羹6 0 1 0 2 0 3 O 钢 渣粉 掺量 图 5钢 渣 粉对 快 硬 水 泥 钢 渣 混 凝 土 抗 折 强 度 的 影 响 的抗折强度较掺量为 0 ( 后用“ 空白组” 表示 ) 时相差 较大， 2 8 d的抗折强度较空白组相差较小 且均接近 空白组的抗折强度。钢渣粉掺量为 2 0 时的试验组 2 8 d抗折强度甚至超过了空白组。 ( 2 ) 抗 压强 度试 验结果 钢渣粉掺入混凝土中后 ， 各个龄期的抗压强度 整体上呈下降趋势 。随着钢渣粉掺量 的增多 ， 3 d 、 7 d 的抗压强度下降较快 ， 并呈现一直下降的趋势 ； 2 8 d 抗压强度下降较慢 ， 并呈先下降再上升再下降的趋 势。钢渣粉掺量为 2 0 时， 试件的 2 8 d抗折和抗压 强度均较大 ， 最接近空白组。所以， 钢渣粉的最优掺 量为 2 0 。钢渣粉掺量为 3 0 时， 试件的抗压强度 为空白组 的 8 7 ， 所以 ， 钢渣粉 的合理掺量一般不 应超 过 3 0 。 ( 3 ) 试验结果分析 钢渣粉 比水泥颗粒细 ， 可以填充混凝土 内部的 孔 隙 ， 改 善 混 凝 土 过 渡 区 的 微 结构 。 从 而 提 高 混凝 一 98 6 5 6 O 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 钢 渣粉掺 量 图 2 钢渣 粉对普通水泥钢渣混凝土抗压强度的影响 7 O 6 0 5 0 4 0 3 O 2 O l 0 图 4 9 5 8 5 螽 7 5 疆6 5 鬟5 5 4 5 O 1 O 2 0 3 0 钢渣 粉掺量 钢渣粉对高抗水泥钢渣混凝 土抗 压强度 的影 响 1 O 2 0 3 O 钢 渣粉 掺量 图 6钢 渣 粉 对 快 硬 水 泥 钢渣 混凝 土抗 压 强 度 的影 响 土的强度。钢渣 的主要矿物成分是 C S ， 其次是 C S 和铁酸钙 ， C ： S的早期水化速度慢 ， 故早期强度增长 较慢 ， 而对后期强度贡献较大 ， 所 以， 掺钢渣粉混凝 土的早期强度较低 ， 后期强度增长较快。并且钢渣 粉掺量 越 多 早期 强度 增长 越慢 。另外 ， 钢渣 中含 有 的铁元素较多 。 可以提高混凝土的抗折性能。 3 2 2 高抗水泥钢渣混凝土试验结果与分析 ( 1 ) 抗折强 度试 验结果 随着钢渣粉掺量 的增加 ， 3 d抗折强度增长速度 越来越慢 ， 整体上呈下降趋势。7 d和 2 8 d抗折强度 均出现先增加再减小的规律 。 2 8 d时， 各种掺量 的抗 折强度均超过空白组。 ( 2 ) 抗压强度试验结果 随 着 钢 渣 粉 掺量 的增 加 。 3 d 、 7 d 、 2 8 d抗 压 强 度 均呈下降趋势 ， 表现出良好的规律性。 3 d 、 7 d抗压强 度下降较大 2 8 d抗压强度下降趋势变缓 ， 并接近空 白组 。 当钢渣 粉掺量 为 1 0 时 ， 2 8 d抗 压强度 几 乎接 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王飞虎 ， 冯 勇 ， 晋强 ， 等钢渣粉部分替换不同水泥对混凝土力学性能的影 响 近 空 白 组 ， 所 以 ， 钢 渣 粉 最 优 掺 量 为 1 0 i 钢 渣 粉 3 0 时 ， 抗 压 强 度 为空 白组 的 8 6 ， 所 以 ， 合 理掺 量 范 围一 般不 应 超过 3 0 。 ( 3 ) 试验结果分析 高抗水泥钢渣混凝 土与普通水泥钢渣混凝 土 相 比 ， 后者 的早期 强度 比前者高 ， 但后 期强度 两者 相 当。这是由于高抗水泥 中 C 。 S和 C 的含量 比普 通水泥低 ， 而 C S和 C 对早期强度贡献较大 ； 高抗 水泥 中的 C 2 S和 C 4 AF的含量 比普通水泥高 ， 而 C 2 S 和 C F的水化速度相 比 C 3 s和 C 。 A较慢 ， 对早期强 度的贡献相对较小 ， 但对后期强度贡献较 大 ， 最终 也 可 以达到 与 普通水 泥 大致 相 同 的强度 。钢渣 粉 的 性质和矿物成分也同样影响高抗水泥 ， 在早期 的抗 折和抗压强度 中， 高抗水泥钢渣混凝土 比普通水泥 钢渣混凝 土下 降快 ， 这 是因为掺 入钢渣 粉后 ， 高抗 水泥钢渣混凝土中 C 2 S的含量比普通水泥钢渣混凝 土高 ， 所 以， 下 降得较为明显。同时 ， 钢渣粉掺量越 大 ， C 2 S所 占比例越高 ， 早期强度下降越快 ， 但后期 强度增长较快 。 3 2 3 快硬水泥钢渣混凝土试验结果与分析 ( 1 ) 抗折强度试验结果 钢渣粉掺量为 1 0 、 2 0 时 ， 3 d 、 7 d 、 2 8 d的抗折 强度与空白组大致相 当， 但钢渣粉掺量为 3 0 、 4 0 时 ， 3 d 、 7 d 、 2 8 d抗折强度均出现大幅度下降 ， 尤其是 2 8 d强度下 降最快 。 ( 2 ) 抗压强度试验结果 抗压强度变化与抗折强度类似 ， 钢渣粉掺量 为 1 0 时 ， 7 d 、 2 8 d抗压强度均超过了空白组 ，且为各 掺量 中抗压强度值最 大的 ， 所 以 ， 钢渣粉 的最优掺 量应 为 1 0 。钢 渣 粉掺 量为 2 0 时 ， 7 d抗压 强 度超 过 了空白组 ， 2 8 d抗压强度虽未超过 空 白组 ， 但也很 接近 ； 钢渣粉掺量为 3 0 、 4 0 时 ， 各龄期抗压强度 均 出现 大幅度下降 ， 所 以 。 钢渣粉的合理 掺量范围 一 般不应超过 2 0 。 ( 3 ) 试验结果分析 快硬水 泥钢渣混凝 土的抗折强度 和抗压强度 比普通水泥钢渣混凝土及 高抗水 泥钢渣 混凝土都 要高 ， 特别是早期强度更加显著 。这是因为快硬水 泥 的主 要成 分是 无 水 硫铝 酸 钙 和 B型硅 酸 二钙 ( B C S ) 。 无 水硫 铝 酸 钙水化 速 度很 快 ， 早期 形成 大量 的 钙矾石和氢氧化铝凝胶 ， 使得混凝土获得较高 的早 期 强 度 。 B C ： S能 较早 地生 成水 化硅 酸 钙凝 胶 ， 填充 于钙矾石的 晶体骨架 中 ， 使结构密实 ， 进一步提高 了强度 。当需要达到相同强度时 ， 使用快硬水泥 比 使用普通水泥和高抗水泥节约水泥。快硬水泥对钢 渣 粉有一定 的激发效果， 特别是 在钢渣粉 掺量为 1 0 2 0 1对钢渣水化有很明显的作用。 钢渣粉水 化生成了大量水化硅酸钙凝胶 ， 密实了混凝土中的 疏松结构。 所以， 钢渣粉掺量为 1 0 一 2 0 时， 抗折强 度和抗压强度均与空白组大致相当。但如果继续增 加钢渣粉掺量 ， C 2 s所 占比例就会增多 ， 造成混凝土 强度下降 。在上述三种水泥中， 钢渣粉替换快硬水 泥时 对混凝土强度 的增长较多 ， 所 以， 钢渣粉替换 快硬 水 泥时 效 果 最好 。 4结论 ( 1 ) 钢渣粉用作普通水泥 、 高抗水泥和快硬水 泥钢 渣混 凝土 的掺 合料 时 ，其 最优 掺量 分别 为 2 0 、 1 0 和 l 0 。合 理掺量一般 不应超 过 3 0 、 3 0 和 2 0 。 ( 2 ) 就早 期强 度 而 言 ， 快硬 水 泥钢 渣 混凝 土 普 通水泥钢渣混凝土 高抗水泥钢渣混凝土；就后期 强度而言 快硬水泥钢渣混凝土 普通水泥钢渣混 凝土 高抗水泥钢渣混凝土 。 ( 3 ) 在普通水泥 、 高抗水泥和快硬水泥之 中， 钢 渣粉对快硬水泥的替换效果最好。当需要达到相同 强 度 时 ， 使 用 快 硬水 泥可 以节 约水 泥 用 量 ， 具 有 较 高 的发展 潜 力 。 参考文献 ： 1 吴刚， 高瑞， 尚建 丽 钢渣在 混凝 土中 的综 合应 用 J 混凝 土。 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 1 2 2 - 1 2 3 【 2 於林锋 ， 徐兵 ， 王琼 ， 等 钢渣 混凝土性 能 的试验研 究及应 用前景分析 J 1 混凝- I- ； 2 0 1 4 ( 1 ) ： 7 9 8 1 【 3 韩艳 丽， 冯勇， 晋 强， 等 不 同水 泥的钢渣混凝土基本力学性 能试 验研究f J 1 水利与建筑工程学报， 2 0 1 4 ( 6 ) ： 9 8 1 0 1 4 】 韩艳丽， 冯 勇， 肖磊 粗细钢渣 替代天然骨 料对混凝土力 学 性能的影 响【 J 昆 凝土与水泥制品， 2 0 1 5 ( 2 ) ： 9 6 9 8 【 5 】 冯 勇， 肖磊 钢渣混 凝土梁 与普通混 凝土梁抗 弯性能试 验 对 比研究 J 1 新疆农业大学学报， 2 0 1 4 ( 6 ) ： 5 0 0 5 0 3 6 】 贺婷， 廖 洪强， 童震松， 等 钢渣微粉对泡沫混凝 土基本性能 的影响 J 】 混凝土， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 7 5 7 8 【 7 】 刘攀， 侍克斌， 努尔开力 依 孜特罗 甫， 等 钢渣 高性 能混 凝 土抗压强度及早期抗裂性能研究 J 0 昆 凝土， 2 0 1 4 ( 5 ) ： 5 7 5 9 8 】 李永鑫 含钢渣粉掺 合料的水泥混凝土组成 、 结构与性能 的研究 D 北京： 中国建筑材料科学研究院， 2 0 0 3 收稿 日期 ： 2 01 5 0 9 2 1 作者简介 ： 王飞虎 ( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 硕 士研究生 。 通讯地址 ： 乌鲁木齐市沙依 巴克 区农大东路 3 1 1 号 联 系 电 话 ： 1 5 1 9 9 4 5 0 0 6 5 E -ma i l ： 1 2 9 3 0 4 4 7 2 5 q q c o m 通讯作者 ： 冯勇 ( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 教授 、 博士。 E- ma i l ： 4 71 8 6 61 2 9q q c o m 一 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m