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A1 2O3 , MnO 2 , 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200~300C，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&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。
目前导致钢渣在水泥混凝土中应用受限的主要原因有两个：
(1) 钢渣的成分复杂多变
不同钢厂，采用炼钢工艺不同，原料来源不同，钢渣的矿物、化学成分含量存在差异，即使同一钢厂，不同批次的钢渣也存在细微差异。
(2) 钢渣可能存在安定性不良的问题
钢渣中存在的少量游离CaO，在混凝土硬化后缓慢水化生成Ca(OH)2，体
积增至1.98倍，部分学者认为这是导致钢渣安定性不良的重要因索；另外，有研究表明，当钢渣中金属铁粒含量在2.2%以上时，压蒸试验的安定性不合格，因此钢渣必须经过磁选。
三、钢渣掺合料对混凝土流动性及强度的影响
3.1钢渣掺合料对混凝土流动性的影响
(1) 钢渣掺量对混凝土流动性的影响
钢渣的活性较低，达到可塑性所需的水量较少，用钢渣替代部分水泥后，
复合胶凝材料的需水量小于等质量纯水泥的需水量。因此，在用水量不变的情况下，掺人钢渣会增加混凝士的流动性。李永鑫等研究结果发现，当水灰比较低时，掺人钢渣能够改善混凝土的流动性，且
在一定程度上钢渣掺量越大，效果越明显。当水灰比较高时，掺人钢渣也能在一定程度上改善混凝土的流动性，但掺量较大时，混凝土的抗离析能力下降。在钢渣掺量为15%~25% 时，流动性普遍提高，对提高混凝土的流动性有利；但当掺量进一步增大时，
流动度有停滞或倒缩现象。
在混凝土初凝前，由于胶凝材料中的C3S、C2S、C4AF等逐渐水化，随
着时间的推移，混凝土的流动性会降低。而钢渣中类硅酸盐水泥熟料的矿物的水化活性低、水化速度慢，因此，用钢渣替代部分水泥可以在一定程度上抑制新拌混凝土流动性的降低。相关研究结果表明，相比基准混凝土，掺钢渣的混凝土保持流动性的能力增强，且钢渣的掺量越大，混凝土保持流动性的能力越强。朱航等研究表明，利用钢渣做掺合料，可制备初始坍落度大于18cm的混凝土，与基准混凝土相比，掺加钢渣的混凝土初始坍落度约大1~2cm。同时钢渣降低混凝土坍落度经时损失的作用也比较明显，且钢渣掺量越大，减小坍落度经时损失的作用越突出。可见，钢渣的掺人不仅有利于提高新拌混凝土的流动性，
还能抑制混凝土的经时坍落度损失。
(2) 钢渣细度对混凝土流动性的影响
钢渣细度对混凝土流动性存在影响。陈益民等研究表明，随着钢渣比表面积的增大，钢渣改善混凝土流动性及减小混凝土流动性损失的效果都会变小。这是因为钢渣的比表面积增大，致使钢渣颗粒被水包裹的需水量增加。同时，钢渣中矿物与水的接触面积增大，使得水分子容易进人矿物内部加速水化反应，提高了钢渣的活性。
不同细度钢渣对不同等级混凝土流动性的影响不同。混凝土的强度等级越高，钢渣细度对混凝土流动性的影响越大。对于C20~C60混凝土，钢渣的
掺量为胶凝材料用量的20%，比表面积为600m2/kg时，对于C20混凝土，1h坍落度经时损失约为2cm，而对C60混凝土，1h坍落度经时损失则高达4~5cm。但钢渣的细度应有一定的限制范围，过细的钢渣比表面积较大，需水量也相应增加。此外，从降低粉磨电耗的角度出发，也不必将钢渣磨得过细。
3.2钢渣掺合料对混凝土强度的影响
钢渣的掺量对混凝土强度有重要影响。在混凝土中用钢渣替代部分水泥，
能使硬化水泥浆体的结构及界面过渡区发生变化。当钢渣掺量< 20%时，钢
渣对硬化水泥石浆体强度的影响并不明显，而钢渣中的微小颗粒则可以填充浆体中的孔隙及改善过渡
区，且随着龄期的增长，钢渣中的部分活性成分发生水化，改善混凝土微结构，从而提高后期强度。但当钢渣掺量较大时(>20% 时)，胶凝材料中的惰性组分较多，在用水量不变的情况下，相当于增大了水灰比，因此，尽管钢渣可以起到一定的填充作用，但由于实际水灰比过大，浆体结构的孔隙率很大，造成混凝土的抗压强度降低。
已有研究表明钢渣掺量为10%~20%时，混凝土各龄期的抗压强度相对于
基准混凝土略有提高；当钢渣掺量为20%时，混凝土28d和90d抗压强度接
近基准混凝土；当掺量超过20%时，随着钢渣掺量的增加，混凝土的抗压强度开始呈明显的下降趋势。
此外，随着钢渣比表面积的提高，混凝土强度有一定提高。钢渣掺量为
10%时，掺400m2/kg钢渣的混凝土强度为44.2MPa，掺600m2/kg钢渣的混凝土28d 强度增至54.4Mpa。
四、钢渣对混凝土耐久性的影响
混凝土的耐久性涉及面广，影响因索多，破坏机理复杂，但混凝土材料的耐久性问题大多是水、有害
液体或气体向其内部侵人造成的。所以，提高混凝土耐久性的关键是增加混凝土材料自身的密实性和抗开裂能力。
4.1钢渣掺合料对混凝土体积稳定性的影响
混凝土体积稳定性是指混凝土凝结硬化过程中，不受外界环境影响而保持自身体积不变的性质。相对于混凝土的膨胀（主要是热膨胀），收缩更易引
起混凝土的开裂，故实际工程中人们更加关心混凝土的收缩。混凝土的收缩包括由各种原因引起的收缩，如干缩、碳化收缩、塑性收缩、温度收缩等。
掺加适量钢渣可以降低混凝土早期收缩，但对混凝土后期收缩影响不大。
掺钢渣混凝土硬化早期收缩减小的主要原因有：（1）钢渣的活性低于硅酸盐水泥，钢渣对水泥的“稀释作用”，降低了由于水泥水化形成的化学收缩；（2）钢渣中含有一定量的CaO、MgO，这些物质在水泥水化过程中发生化学反应，产生微量的膨胀，对混凝土收缩有少许补偿作用。混凝土水化后期，由于钢渣混凝土的孔隙率及孔径均低于基准混凝土，因而由毛细管失水引起的收缩应力相对较高；同时也由于含钢渣混凝土的抗碳化能力相对较差，较大的碳化收缩也可能增加了后期收缩的总量，故钢渣混凝土后期收缩相对较大。已有研究结果表明：掺加适量钢渣对于降低混凝土早期收缩有利，但降低混凝土后期收缩不明显。
4.2钢渣掺合料对混凝土抗冻性能的影响
在有冻融交替环境中服役的混凝土应具有一定的抗冻融循环能力。杨全兵等研究发现，在含气量相近的条件下，掺合料掺量不超过25%时，抗冻耐
久性指数DF值与基准混凝土相差不大；而掺合料用量超过25%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。
4.3钢渣掺合料对混凝土抗碳化性能的影响
20%时，随着钢渣掺量的 混凝土中掺加钢渣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25%和50%的钢渣复合粉的混凝
土的碳化深度分别为基准混凝土的
59.8%和71.9%。对于混凝土抗碳化性能 的影响，钢渣掺合料主要有两方面的作用：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 CO 2的能力 降低，对抗碳化不利；而另一方面，钢渣掺合料的活性效应有利于混凝土的长 期抗渗性的提高。总体而言，随着龄期的增长，钢渣掺合料的水化及填充效 应，改善了混凝土的孔结构，使其抗气体渗透能力显著提高，有利于混凝土 抗碳化性能的提高。
4.4钢渣掺合料对混凝土抗氯离子渗诱性的影响
氯离子的浓度和扩散是影响混凝土中钢筋锈蚀等问题的关键因索，因此 常用氯离子在混凝土中的扩散系数评价混凝土的渗透性。混凝土中氯离子渗 透性主要决定于孔结构，特别是毛细孔数量及其连通程度。矿物掺合料加人 混凝土中后，会对水泥石结构、混凝土界面结构等产生影响，从而对混凝土 的渗透性产生影响。
钢渣能够提高混凝土抗渗透性能的原因主要有以下 4个方面：（1）钢渣的 水化活性远低于水泥，用钢渣替代部分水泥，相当于增大了水泥的实际水灰 比，优化了水泥的水化环境，使水泥水化更加充分； （2）钢渣的微集料效应对 水泥石孔隙和界面结构起到填充作用，改善了混凝土的界面结构，降低了混 凝土孔隙率、平均孔径，提高了密实性； （3）随着龄期的增长，钢渣活性成分
逐渐水化，水化产物填充水泥石的孔隙，也有利于提高密实性；
（4）钢渣活性 成分水化改善了胶凝材料水化产物组成，增加了吸附固化氯离子的水化产物 CSH 凝胶及水化铝酸盐凝胶的数量。
众多学者研究发现掺入适量钢渣可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能。 朱航的研究表明，当钢渣掺量低于
30%时，掺钢渣的混凝土早期的抗氯离子 渗透能力低于基准混凝土，但后期的抗氯离子渗透能力高于基准混凝土。孙 家瑛研究了钢渣掺量对混凝土抗氯离子渗透能力的影响，当钢渣掺量低于 20%时，混凝土抗氯离子渗透能力提高；掺量高于

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