鄭晟，許家文（.上海城市管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上?！?0438；.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原　03000）

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鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土抗壓強(qiáng)度及耐久性能研究

鄭晟1，許家文2
（1.上海城市管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海200438；2.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原030001）

研究了鋼渣單摻及鋼渣與納米SiO2復(fù)摻的鋼渣混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度及耐久性能。結(jié)果表明，摻加鋼渣有利于提高混凝土的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度及耐久性能，鋼渣摻量為20%時(shí)，鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度較未摻鋼渣的提高9.98%，氯離子遷移系數(shù)降低14.08%。在鋼渣混凝土中摻加納米SiO2可以進(jìn)一步改善鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度、耐久性能，通過(guò)摻加納米SiO2來(lái)進(jìn)一步提高鋼渣混凝土中鋼渣取代率是可行的。

鋼渣；納米SiO2；抗壓強(qiáng)度；滲透性；碳化

0　引言

水泥的生產(chǎn)需要消耗大量的自然資源，在混凝土中摻入一定量的礦物摻合料可以減少混凝土中水泥用量，同時(shí)解決工業(yè)廢渣應(yīng)用處理的難題，有利于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展及發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)。

鋼渣是冶煉鋼鐵過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣，其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的10%～15%［1-2］。我國(guó)每年鋼渣的排放量也較為龐大，鋼渣的堆積不僅占用土地空間，破壞自然環(huán)境，同時(shí)也是對(duì)資源的浪費(fèi)［3］。鋼渣的化學(xué)成分與硅酸鹽水泥熟料組分類似，有一定的水化活性，將廢棄鋼渣應(yīng)用于混凝土中成為解決上述問(wèn)題的主要途徑［4-5］。已有研究表明，將鋼渣作為摻合料摻加在混凝土中并無(wú)體積安定性問(wèn)題，其抗壓強(qiáng)度提高或降低，彈性模量較大，干縮變形較?。?-9］。本文基于鋼渣混凝土的已有研究，進(jìn)一步探討復(fù)摻鋼渣及納米SiO2混凝土基本力學(xué)及耐久性能，為鋼渣混凝土推廣應(yīng)用提供切實(shí)可行的途徑。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：太原某水泥廠生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度53.6 MPa，體積安定性良好，比表面積360 m2/kg；細(xì)骨料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，表觀密度2600 kg/m3，含泥量0.3%；粗骨料：5～20 mm碎石，級(jí)配良好，含泥量1.7%；鋼渣：某鋼鐵公司產(chǎn)，經(jīng)磨細(xì)處理后使用，比表面積442 m2/kg；納米SiO2：太原某廠家生產(chǎn)，粒徑30 nm，SiO2含量高于99%；減水劑：沈陽(yáng)某廠生產(chǎn)的FDN萘系高效減水劑，減水率18%～28%；水：自來(lái)水。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)混凝土配合比如表1所示，鋼渣取代水泥的用量分別為0、10%、20%、30%、40%，納米SiO2摻量為鋼渣質(zhì)量的20%。表1中S系列編號(hào)表示鋼渣混凝土，SN系列編號(hào)表示鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土。

表1　試驗(yàn)混凝土配合比　kg/m3

試件制作時(shí)，先將鋼渣取代部分水泥，與砂、石混合持續(xù)攪拌1 min，隨后再加入水和減水劑，繼續(xù)攪拌3 min。立刻測(cè)試混凝土坍落度，測(cè)試完畢后將混凝土倒入試模，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)，隨后置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，拆模后的試件移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

1.3基本力學(xué)性能及耐久性能測(cè)試

試件7 d、28 d抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為150 mm×150mm×150mm。試件耐久性能主要進(jìn)行抗氯離子滲透及碳化試驗(yàn)，抗氯離子滲透采用RCM法測(cè)試，試件尺寸為φ100 mm×50 mm。碳化試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用碳化試驗(yàn)箱進(jìn)行，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

2　結(jié)果與討論

2.1鋼渣及納米SiO2摻量對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響（見(jiàn)圖1）

圖1　鋼渣及納米SiO2摻量對(duì)混凝土坍落度的影響

從圖1可以看出：

（1）隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土坍落度逐漸增大。鋼渣的摻入可以在一定程度優(yōu)化水泥基體孔隙的大小及其分布，有利于提高水泥漿體的流動(dòng)性。同時(shí)，鋼渣粒徑不等，級(jí)配優(yōu)良，其表觀呈光滑圓球狀的細(xì)顆粒，將鋼渣摻入混凝土中可以進(jìn)一步優(yōu)化混凝土級(jí)配，在水泥砂漿中起到“軸承”的作用，進(jìn)而提高水泥漿體的流動(dòng)性［10］。但隨著鋼渣摻量的進(jìn)一步增大，混凝土坍落度增長(zhǎng)率不斷降低。這主要是由于鋼渣的比表面積較大，較大的鋼渣摻量會(huì)吸收更多的水分，進(jìn)而不利于混凝土流動(dòng)性。韓長(zhǎng)菊等［11］研究也表明，當(dāng)鋼渣摻量高于50%時(shí)，混凝土流動(dòng)性開(kāi)始降低。

（2）與單摻鋼渣相比，復(fù)摻鋼渣及納米SiO2混凝土的坍落度明顯降低。這主要是由于納米SiO2有較高的活性，需要大量的水分潤(rùn)濕表面，進(jìn)而不利于混凝土的流動(dòng)性。

2.2鋼渣及納米SiO2摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖2）

圖2　鋼渣及納米SiO2摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2（a）可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土、鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土7 d抗壓強(qiáng)度均不斷降低，可見(jiàn)鋼渣摻量的增加并不利于混凝土早期強(qiáng)度。納米SiO2的摻加對(duì)混凝土早期強(qiáng)度并無(wú)明顯影響。鋼渣的主要成分為C3S、C2S、C3A、C4AF及RO等［12］，但C3S、C2S、C3A、C4AF等含量均相對(duì)較小?；炷猎缙趶?qiáng)度的發(fā)展主要依賴于水化速度較快的C3S、C3A與水反應(yīng)生成C-S-H、CH、Al2O3·H2O，其中水化硅酸鈣對(duì)水泥基體最終強(qiáng)度起著決定作用。鋼渣中提供早期強(qiáng)度的C3S、C3A含量較低，因而隨著鋼渣摻量的增加，混凝土早期強(qiáng)度也不斷降低。

從圖2（b）可知，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土、鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土28 d抗壓強(qiáng)度先提高后降低。當(dāng)鋼渣摻量低于20%，鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度不斷升高，當(dāng)鋼渣摻量為20%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度分別比未摻鋼渣的提高9.98%和17.10%；而鋼渣摻量高于20%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低，當(dāng)鋼渣摻量為40%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為未摻鋼渣的0.97、1.14倍。少量的鋼渣有利于增強(qiáng)水泥水化產(chǎn)物與鋼渣間的粘結(jié)，鋼渣可以促使水泥二次水化，減少混凝土中CH含量，提高混凝土密實(shí)程度。當(dāng)鋼渣摻量較大時(shí)，未水化的鋼渣顆粒相應(yīng)增加，導(dǎo)致混凝土內(nèi)孔隙增多，不利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。

對(duì)比圖2（b）鋼渣混凝土、鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土28 d抗壓強(qiáng)度可知，納米SiO2的摻加有利于提高鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度，減少鋼渣對(duì)混凝土強(qiáng)度的不利影響。當(dāng)鋼渣摻量為40%時(shí)，鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土的抗壓強(qiáng)度仍比未摻鋼渣的提高13.78%。納米SiO2可以進(jìn)一步提高混凝土膠凝材料活性，促進(jìn)水泥二次水化反應(yīng)，有利于混凝土后期強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，在鋼渣混凝土摻入納米SiO2有利于維持鋼渣混凝土強(qiáng)度，使得較高鋼渣摻量的混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中成為可能。

2.3鋼渣及納米SiO2摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響（見(jiàn)圖3）

圖3　鋼渣及納米SiO2摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響

從圖3可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土的氯離子遷移系數(shù)先降低后升高。鋼渣摻量為20%時(shí)，鋼渣混凝土、鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土氯離子遷移系數(shù)分別比未摻鋼渣的降低14.08%和25.97%；鋼渣摻量為40%時(shí)，鋼渣混凝土氯離子遷移系數(shù)比未摻鋼渣的提高8.99%，鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土比未摻鋼渣的降低19.42%?？梢?jiàn)，少量鋼渣的摻加有利于混凝土抗氯離子滲透性能的提升，而鋼渣摻量較大時(shí)則不利于混凝土抗氯離子滲透性能。少量鋼渣的摻加可以進(jìn)行二次水化反應(yīng)，填充混凝土內(nèi)部部分孔隙缺陷，提高混凝土的密實(shí)性；而當(dāng)鋼渣摻量較大時(shí)，未水化的鋼渣顆粒比例相應(yīng)增大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙增多，不利于混凝土抗氯離子滲透性能。

對(duì)比鋼渣混凝土、鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)可知，摻加一定量的納米SiO2對(duì)提升鋼渣混凝土抗氯離子滲透性能效果顯著。鋼渣摻量為20%、40%時(shí)，鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)分別比鋼渣混凝土低13.84%和26.06%。納米SiO2活性較高，可以促使混凝土二次水化反應(yīng)，提高混凝土密實(shí)性；同時(shí)，納米SiO2粒徑微細(xì)，可以填補(bǔ)骨料與水泥基體間的裂隙，進(jìn)一步增加混凝土骨料與水泥基體間的粘結(jié)。

2.4鋼渣及納米SiO2摻量對(duì)混凝土碳化深度的影響（見(jiàn)圖4）

從圖4可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土碳化深度先降低后升高，鋼渣摻量為10%時(shí)，可以降低混凝土碳化深度，而當(dāng)鋼渣摻量進(jìn)一步增加，混凝土碳化深度開(kāi)始增大。與上述抗氯離子滲透性類似，復(fù)摻納米SiO2同樣可以大幅減小混凝土的碳化深度。當(dāng)鋼渣摻量為10%時(shí)，鋼渣混凝土、鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土的碳化深度分別比未摻鋼渣的降低19.66%和24.89%；鋼渣摻量為40%時(shí)，鋼渣混凝土的碳化深度比未摻鋼渣的提高21.95%，鋼渣-納米SiO2復(fù)摻混凝土的碳化深度比未摻鋼渣的降低10.52%。

少量鋼渣的摻加可以在混凝土內(nèi)均勻分散，充分水化反應(yīng)，有利于混凝土抗碳化性能的提升。而當(dāng)鋼渣摻量較大時(shí)，鋼渣難以均勻分散，甚至出現(xiàn)抱團(tuán)結(jié)塊現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土內(nèi)空隙缺陷增多，抗碳化能力下降。

3　結(jié)論

（1）摻加鋼渣有利于提高混凝土的流動(dòng)性，易于滿足泵送要求，鋼渣混凝土的生產(chǎn)施工易于實(shí)現(xiàn)。

（2）隨著鋼渣摻量的增加，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度不斷降低，而28 d抗壓強(qiáng)度則先提高后降低。鋼渣摻量為20%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較未摻鋼渣的提高9.98%。

（3）鋼渣對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能及碳化性能影響明顯，隨著鋼渣摻量的增加，混凝土氯離子遷移系數(shù)及碳化深度均先降低后增大。當(dāng)鋼渣摻量為20%時(shí)，混凝土抗氯離子滲透性能最佳，氯離子遷移系數(shù)較未摻鋼渣的降低14.08%；鋼渣摻量為10%時(shí)，混凝土抗碳化性能最佳，碳化深度降較未摻鋼渣的低19.66%。

（4）在鋼渣混凝土中復(fù)摻納米SiO2可以顯著提高鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度，改善鋼渣混凝土抗氯離子滲透性及抗碳化性能。在鋼渣混凝土中摻加納米SiO2，使得較高鋼渣摻量的混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中成為可能。

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Research on compressive strength and durability of steel slag concrete with nano SiO2

ZHENG Sheng1，XU Jiawen2
（1.Shanghai Technical College of Urban Management，Shanghai 200438，China；2.Shanxi Academy of Building Research，Taiyuan 030001，China）

This paper studies the working performance，compressive strength and durability of steel slag concrete and steel slag concrete with nano SiO2composite.The results show that，adding slag powder can improve the fluidity，compressive strength and durability of concrete.When steel slag powder content is 20%of steel slag concrete，compressive strength increased by 9.98%，and chloride ion mobility coefficient decreased by 14.08%.Adding nano SiO2can further improve compressive strength and durability of steel slag concrete.Methods of adding nano SiO2to further improve replacement ratio of steel slag is feasible.

steel slag，nano-SiO2，compressive strength，permeability，carbonation

TU528

A

1001-702X（2016）06-0021-04

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014011033-1）

2016-01-22；

2016-02-22

鄭晟，男，1980年生，安徽蕪湖人，講師，碩士。E-mail：4121360@qq.com。通訊作者：許家文，地址：太原市迎澤區(qū)府東街山右巷10號(hào)，E-mail：tyutxujiawen@163.com。