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钢渣对混凝土的力学性能和耐久性的影响

摘要 ：钢渣是一种潜在的混凝土矿物掺合料。研究了钢渣对混凝土抗压强度、干缩、抗氯离子渗透性和抗碳化性能的影响。结果表明，在水灰比不变的情况下，增加钢渣掺量有降低混凝土抗压强度（特别是早期强度）、增加混凝土渗透性、降低混凝土抗碳化能力的趋势。钢渣对混凝土抗压强度、渗透性和抗碳化性能的负面影响在低W/B时较弱；在高W/B时，钢渣有加速混凝土早期干缩发展的趋势，但对混凝土90天的极限收缩影响不大。在低水灰比时，钢渣对混凝土的干缩影响不大。在28天抗压强度不变的情况下，钢渣混凝土的早期强度比纯水泥混凝土低，后期强度高。钢渣混凝土具有与纯水泥混凝土相似的渗透性、干缩性和抗碳化性能。

1. 引言

在混凝土中掺入粉煤灰、磨细高炉矿渣等矿物掺合料是现代混凝土技术的一种成熟做法。矿物掺合料用于降低混凝土成本，改善新拌混凝土或硬化混凝土的某些性能。开发更多种类的矿物掺合料有助于混凝土设计的可持续性和环境的绿色化。

钢渣是钢铁转化过程的副产品，是一种潜在的混凝土矿物掺合料。其常见矿物包括C3S、C2S、C12A7、C4AF、C2F、RO相（CaO-FeO-MgO-MnO固溶体）、Fe3O4和游离CaO。C3S、C2S、C12A7、C4AF和C2F等矿物与水混合后表现出胶凝性能。RO相和Fe3O4的活性很低[3,4]。值得注意的是，钢渣中胶凝矿物的活性远低于硅酸盐水泥，因为钢渣的冷却速率远低于硅酸盐水泥的冷却速率。同时，钢渣中非活性组分的含量也很高。因此，钢渣是一种反应性弱的材料。

Tsakiridis等人。[6] 对钢渣在硅酸盐水泥熟料生产中的应用进行了研究，结果表明：钢渣掺量为10.5%时，对生产水泥的质量没有负面影响。Monshi和Asgarani用钢渣（8%）、铁渣和石灰石生产了一种水泥，满足了I型硅酸盐水泥的抗压强度要求。钢渣用于水泥生产时，通常掺量很小，以保证水泥的基本强度要求。

Li等人 报道了在碱性氧炉钢渣中加入一定量的调节剂，在钢渣处于熔融状态时，可获得一种具有较高胶凝活性的新型钢渣。Kriskova等人 发现机械活化显著提高了钢渣的反应活性，但钢渣难以磨碎。Liang等人 研究发现，钢渣经碳化处理后，其活性有所提高。Wang等人。 结果表明，提高钢渣水化环境的碱度并不能显著促进钢渣的水化反应。正确认识钢渣与混凝土的相互作用，对扩大钢渣在混凝土中的应用具有重要意义。研究了钢渣对混凝土性能的影响。首先，研究了钢渣对水胶比（W/B）恒定的混凝土性能的影响，以揭示钢渣掺量与混凝土性能变化的关系。制备了不同钢渣替代量、相同28天抗压强度的混凝土，并对其性能进行了对比研究。

1. 实验

2.1. 原材料

所用水泥为硅酸盐水泥，强度等级42.5，符合国家标准GB 175-1999。所用钢渣为磨细的碱性氧气炉钢渣，比表面积为453m2/kg。使用的粗骨料为5-25 mm的石灰石碎骨料。所用细集料为天然河砂，细度为2.8。采用聚羧酸系超塑化剂（PS）调节混凝土的流动性。所用水泥的化学成分为CaO 63.83%、SiO2 21.56%、Al2O3 4.44%、Fe2O3 2.78%、mno2.57%、SO3.14%、mgo2.32%、p2o52.68%。钢渣的化学成分为CaO 38.62%、sio15.45%、Al2O3 5.37%、Fe2O3 25.49%、MnO 1.94%、SO3 0.18%、MgO 7.68%、P2O5 1.62%。所用水泥的主要矿物成分为C3S、C2S、C3A和C4AF，所用钢渣的主要矿物成分为C2S、C3S、RO相和C2F。

2.2. 配合比

表1和表2显示了水灰比分别为0.50和0.35的混凝土的配合比。表3和表4分别显示了28天抗压强度分别为47兆帕和73兆帕的混凝土的配合比。混凝土的初始坍落度在17-20cm之间。

2.3. 试验方法

制备100 100 100 mm的试样，用于抗压强度试验。标本在20plusmn;1c和95plusmn;5%相对湿度的室内固化。在3天、7天、28天、90天和360天龄期，测量混凝土的抗压强度。制备了100100515mm的试样，用于干缩试验。标本首先在20plusmn;1c和95plusmn;5%相对湿度的室内固化3天。然后将试样安装在20plusmn;1 C和65plusmn;5%相对湿度的室内干燥收缩测量装置上。连续90天测定混凝土的干缩。

根据ASTM C1202“混凝土抗氯离子渗透能力的电气指示的标准试验方法”，测量28、90和360天龄期混凝土对氯离子的渗透性。

采用20plusmn;1c内相对湿度65plusmn;5%的碳化室进行加速碳化试验。在初始标准养护（20plusmn;1c和95plusmn;5%相对湿度）3天或28天后，将试样放入碳化室进行加速碳化试验。在碳化28天后测量试样的碳化深度。用乙醇指示剂溶液中1%酚酞显示碳化区和未碳化区之间的可见界面。

两个原因：钢渣的早期活性远低于水泥；钢渣降低了水泥的早期水化速率

在水灰比为0.50时（图1），掺15%钢渣的混凝土后期强度接近于纯水泥混凝土。但掺30%和45%钢渣的混凝土后期强度仍远低于纯水泥混凝土。在W/B为0.35（图2）时，钢渣混凝土与纯水泥混凝土的抗压强度差距随龄期的延长而明显减小，钢渣混凝土的后期强度与纯水泥混凝土相比并不低。

图3显示了钢渣混凝土的相对抗压强度。钢渣混凝土的相对抗压强度由其抗压强度占纯水泥混凝土抗压强度的百分比来确定。可见，混凝土的相对抗压强度随龄期的增加而增大。结果表明，掺钢渣混凝土的强度增长率在3天后高于纯水泥混凝土。此外，可以观察到30%和45%钢渣混凝土的相对抗压强度在W/B较低时较高，说明钢渣对混凝土抗压强度的不利影响在低W/B时较小，钢渣反应度的增加对混凝土后期强度有直接的贡献。钢渣除对混凝土后期强度有直接贡献外，还对混凝土后期强度有间接贡献：通过提高实际水灰比来促进水泥后期水化，因为钢渣的反应所需水量较少。它认为钢渣在低W/B时的间接贡献较大，这可能是钢渣混凝土在低W/B时相对抗压强度较高的一个重要原因，因此需要少量的水化产物来致密孔隙结构。因此，尽管钢渣的产量远低于水泥，但其负面影响是微不足道的。

3.1.2干缩

图4和5分别显示了在W/B为0.50和0.35时混凝土的干缩。从图4可以看出，四种混凝土在90天内的总干缩量非常接近，其中纯水泥混凝土的干缩量稍小。由图4还可以看出，与纯水泥混凝土相比，大掺量钢渣混凝土的干缩在40天内发展得更快。高水灰比大掺量钢渣混凝土在干燥环境中暴露时，由于其粘结料水化速度慢，早期甚至中期失水量较大，这可能是其干缩发展较快的原因。

与图4中的混凝土相比，图5中的混凝土在90天时具有较小的最终干燥收缩，这被认为是由于混凝土的W/B较低。从图5可以看出，所有混凝土的干缩发展趋势非常相似，在同一龄期干缩值非常接近。表明钢渣对低W混凝土的干缩影响很小。

3.1.3 氯离子渗透性

图6显示了在W/B为0.50时混凝土的通过电荷和对氯离子的渗透等级。在28天龄期，所有混凝土表现出高渗透性。高渗透性可归因于高W/B和高孔隙率。结果表明，钢渣混凝土的过荷量明显高于纯水泥混凝土。90天龄期时，纯水泥混凝土表现为中等渗透性，而钢渣混凝土仍表现为高渗透性。值得注意的是，掺15%钢渣的混凝土在90天内的相对抗压强度为96.4%（图3），表明其强度与纯水泥混凝土非常接近，但其渗透性仍然要高得多。众所周知，混凝土的抗压强度与其孔隙率密切相关。混凝土的渗透性与其孔隙率和孔隙连通性密切相关。钢渣有可能增强孔隙的连通性。含30%和45%钢渣的混凝土在90天内通过的电荷仍然很高，这与图1中的抗压强度结果相当。在360天龄期时，纯水泥混凝土和掺15%钢渣的混凝土表现出低渗透性，其中钢渣的通过量较高。钢渣掺量为30%和45%的混凝土在90～360天的通过量显著降低，两种高掺量钢渣混凝土在360天时表现出中等的渗透性。总的来说，图6表明钢渣倾向于增加高W/B混凝土的渗透性，特别是当钢渣置换率较高时。

图7显示了在W/B为0.35时混凝土的通过电荷和对氯离子的渗透等级。在每一龄期，随着钢渣置换量的增加，混凝土的通过量也随之增加。然而，不同混凝土之间的电荷传递差异随着龄期的增加而减小。28天龄期纯水泥混凝土含钢渣15%的混凝土具有中等渗透性，含钢渣30%的混凝土具有近中等渗透性，含钢渣45%的混凝土具有高渗透性。90天龄期时，纯水泥混凝土和掺15%钢渣的混凝土具有低渗透性，其过荷量非常接近。钢渣掺量分别为30%和45%的混凝土具有中等的渗透性，其过充量接近2000℃。在360天龄期时，所有混凝土均表现出极低的渗透性。总体而言，图7表明，在低W/B下，钢渣置换对混凝土360天的渗透性影响不大，但可能导致混凝土28天和90天的渗透性增加。

从图6和7比较，钢渣对低水灰比混凝土渗透性的负面影响较小。

3.1.4碳化深度

图8所示为初始标准养护3天后，在加速碳化室中暴露28天的混凝土碳化深度。显然，低W/B混凝土的碳化深度比高W/B混凝土的碳化深度小，这是因为低W/B混凝土具有更高的强度和更密集的孔结构，这有助于抗碳化[15,16]。总的来说，在相同水灰比的情况下，混凝土碳化深度随着钢渣含量的增加而逐渐增加。在W/B为0.50时，15%的钢渣置换只使碳化深度略有增加。但30%和45%的钢渣置换显著增加了碳化深度。当W/B为0.35时，钢渣对混凝土碳化深度的影响不如W/B为0.50时显著。

初始标准养护28天后，加速碳化室28天。通过比较表5和图8可以清楚地看出，试验前较长的初始养护期可获得更好的抗碳化性能。这一结果与Jia等人的结果一致。[17] 以及Atis[15]。这是因为增加初始养护期会降低混凝土的渗透性，从而减少二氧化碳在混凝土中的扩散。在水灰比为0.50时，15%和30%钢渣的掺量对混凝土碳化深度的影响较小，而45%钢渣的掺量有明显增加混凝土碳化深度的趋势。含45%钢渣的混凝土在0.50水灰比下28天抗压强度仅为19.1Mpa，占纯水泥混凝土的38.0%（图1）。此外，在28天内，含45%钢渣的混凝土通过的电荷超过9000 C（图6）。此外，45%的钢渣置换可以显著降低Ca（OH）2的含量。可见，在0.50水灰比下，掺45%钢渣的混凝土表现出较低的强度28d强度高，渗透性好，Ca（OH）2含量低，抗碳化能力弱。在W/B为0.35时，所有混凝土的碳化深度都很小，表明混凝土具有相当致密的结构来抵抗碳化。

3.2.1抗压强度

图9显示了28天抗压强度约为47mpa的混凝土的抗压强度发展。在配合比方面，纯水泥混凝土与钢渣混凝土有两个不同之处：钢渣混凝土含有钢渣，水灰比较低，如图9所示，钢渣混凝土的早期抗压强度低于纯水泥混凝土，说明降低W/B对早期强度的积极作用弱于钢渣的消极作用。掺15%和30%钢渣的混凝土具有相似的早期抗压强度。

从图9也可以看出，钢渣混凝土在7天后比纯水泥混凝土获得强度的速度更快。28天龄期钢渣混凝土的抗压强度与纯水泥混凝土相当。90天龄期和360天龄期混凝土抗压强度均高于纯水泥混凝土，钢渣含量较高的混凝土后期抗压强度较高。

图10显示28天抗压强度约为73mpa的混凝土的抗压强度发展。图10中的许多结果似乎与图9中观察到的趋势一致：钢渣混凝土的早期抗压强度低于纯水泥混凝土；钢渣混凝土的后期抗压强度超过纯水泥混凝土；钢渣越多的混凝土后期抗压强度越高。

3.2.2 干缩

图11显示了28天抗压强度为47mpa的混凝土的干缩发展。钢渣掺量为15%的混凝土具有非常相似的发展趋势图9所示28天抗压强度为47mpa的混凝土抗压强度发展。

对纯水泥混凝土干缩的影响，但钢渣混凝土干缩在70天后发展稍快。掺30%钢渣的混凝土在30天内的干缩比纯水泥混凝土的干缩发展速度快，但随后的干缩发展缓慢。在90天龄期时，三种混凝土的极限干缩非常接近。

图12显示了28天抗压强度为73mpa的混凝土的干缩发展。在这种情况下，掺15%钢渣的混凝土也有着与纯水泥混凝土非常相似的干缩发展趋势。钢渣掺量为30%的混凝土在20天内的干缩与纯水泥混凝土相似，但20～60天干缩发展较慢，60～90天干缩发展较快。在90天龄期，三种混凝土的最终干缩也非常接近。

3.2.3氯离子渗透性

28天龄期、90天龄期和360天龄期抗压强度为47mpa的混凝土通过药量和渗透性等级如图13所示。可以看出28天龄期，随着钢渣掺量的增加，混凝土通过率降低。不过，这一差异并不显著。在90天和360天龄期，混凝土的电荷传递非常接近，混凝土表现出相似的渗透性。

28天、90天和360天龄期抗压强度为73mpa的混凝土，其过充量和渗透等级如图14所示。图14中的趋势与图13中观察到的基本一致。无花果之间的比较。结果表明，在较低的水灰比下，钢渣对混凝土渗透性的负面影响较小，降低水灰比有利于提高混凝土的渗透性

3.2.4条。碳化深度

图15显示了钢渣对具有恒定28天抗压强度的混凝土碳化的影响。混凝土在初始标准养护3天后，在加速碳化室中暴露28天。对于47mpa或73mpa的试件，尽管钢渣混凝土的早期强度低于纯水泥混凝土，但纯水泥混凝土和钢渣混凝土的碳化深度差别很小（图1）。9和10）。

表6中列出了28天初始标准养护后，在加速碳化室中暴露28天的具有恒定28天抗压强度的混凝土碳化深度。对于47mpa的混凝土，碳化深度很小，而且非常接近。对于73mpa的混凝土，几乎没有发现碳化。由图15和表6可知，在保证不少于3天的初养护标准下，钢渣对混凝土28天抗压强度不变的碳化影响不大。

四。结论

研究了钢渣在两种不同条件下对混凝土力学性能和耐久性的影响：恒定水灰比和恒定28天抗

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