钢渣微粉生态型超高性能混凝土力学性能影响因素分析

唐咸远，马杰灵，罗 杰，何滨冰，陆澄剑

(1.桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，桂林 541004；
2.广西智慧交通重点实验室，桂林 541004；

3.桂林市永固混凝土有限责任公司，桂林 541100)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是一种具有优异力学性能和耐久性的新型水泥基复合材料，在对混凝土有特殊要求的工程结构中应用增势较快[1-3]。但UHPC原材料复杂多样且配制难度大，导致工程造价较高，严重影响了其推广应用。近几年我国钢材产量迅速增长，2021年粗钢产量超过10亿吨，但目前钢铁工业废渣(钢渣)的利用率仅为40%左右[4]。如能将钢渣经过加工处理后应用于研制生态型超高性能混凝土，可有利于提高工业废料的有效利用，变废为宝，具有显著的经济效益和生态效益。

为降低超高性能混凝土的制备成本，一些研究者提出将工农业废渣经合理加工后掺入UHPC[5-8]。在掺加钢渣粉的UHPC研究方面, 邹敏等[9]介绍了钢渣的物化特性和凝胶性能，认为掺入适量钢渣粉可有效改善水泥基材料的性能；
祖庆贺等[10]通过将粒度区间较粗的钢渣微粉作为掺合料配制UHPC，研究了钢渣粗粒度区间对UHPC性能的影响；
冯元等[11]利用D-最优化设计方法以低水泥用量、高钢渣粉利用率制备钢渣粉UHPC，表明钢渣粉的加入可增强UHPC的工作性能且随钢渣粉掺量的增加抗压强度存在最优值；
杜衡[12]利用钢渣粉替代部分水泥来制备UHPC，通过研究其工作性能、力学性能和微观构造，分析了钢渣粉替代率和水胶比对UHPC的影响；
本研究团队[13]通过开展钢渣微粉替代石英粉配制UHPC的性能影响试验，证明了钢渣微粉替代石英粉配制UHPC的可行性。目前大多数研究多考虑钢渣微粉这一单因素对UHPC的影响，较少关注多种不同原材料掺量组合的改变对钢渣微粉UHPC力学性能的共同作用。

本文在改进的Andreasen & Andersen模型基础上，采用正交试验的设计方法，通过改变硅灰、钢渣微粉、河砂和钢纤维掺量来制备UHPC，测试其主要力学性能，并在极差分析的基础上，研究这四种不同原材料掺量变化对钢渣微粉UHPC各项性能指标的显著影响。

1.1 原材料

胶凝材料：水泥选用袋装P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；
硅灰为SiO2质量含量大于93%的灰色粉末硅灰；
钢渣微粉采用干法加工制得，先将钢渣多次破碎，经过超强磁滚筒磁选后进入干磨机干磨，再向其中加入质量18%的II级粉煤灰再次磨细得到钢渣微粉，其游离氧化钙(f-CaO)质量分数不超过1%。

其他材料：河砂为天然河砂，细度模数为2.70；
钢纤维选择直径为0.22 mm、长度为13 mm、抗拉强度为2 500 MPa的平直型镀铜钢纤维；
减水剂为聚羧酸高效减水剂母液，减水率大于30%；
拌和用水为自来水。

试验主要原材料的基本特性及化学成分如表1所示。

表1 主要原材料特性及化学成分Table 1 Main material properties and chemical composition of raw materials

1.2 原材料级配及微观分析

天然河砂按建筑用砂进行筛分，硅灰、钢渣微粉、水泥等胶凝材料采用负压筛分，级配筛分曲线如图1所示。采用扫描电子显微镜(SEM)对硅灰、钢渣微粉进行微观分析，结果如图2所示。

由图2可知，在扫描电子显微镜下，硅灰晶体颗粒较小，在制备过程中加入硅灰可填充大颗粒材料间的孔隙，改善孔隙尺寸分布，对于混凝土强度的提高有积极作用，同时还可以降低水化浆体的渗透性。而钢渣微粉颗粒分布不规则，没有特定的形态，从图中可以清晰地看到矿物结晶晶体，晶体表面较为光滑平整，其RO相(钢渣微粉中熔有以FeO、MgO为主及MnO等其他二价的金属氧化物形成的广泛固溶体)结晶程度较好，表明钢渣微粉的活性较低，不易与水发生反应。

图1 原材料累计筛分曲线Fig.1 Cumulative raw material sieving curves

图2 硅灰、钢渣微粉的SEM照片Fig.2 SEM images of silica fume and steel slag power

1.3 基础配合比设计

本试验依据最紧密堆积理论进行基础配合比设计，由于在众多基于最紧密堆积理论的UHPC配合比设计模型中，改进的Andreasen & Andersen模型(modified andreasen and andersen model， MAAM)具有考虑颗粒粒径分布的优势，更为准确有效[14]，故采用此方法对钢渣微粉UHPC的基础配合比进行计算分析，计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：P(D)为颗粒粒径小于D的累计筛余百分比，%；
D为颗粒粒径，μm；
Dmax、Dmin分布为体系中的最大、最小粒径，μm；
q为粒径分布模数，本文q取0.24。

利用python软件对式(1)进行建模分析，根据图1中不同原材料的颗粒分布曲线及MAAM目标曲线，采用最小二乘法对原料配比进行计算，通过调整每种材料比例尽可能让堆积曲线接近目标曲线，算得钢渣微粉UHPC基础配合比详见表2，固定水胶比为0.18，按此基础配合比制备的钢渣微粉UHPC 28 d立方体抗压强度达到147.5 MPa。

表2 钢渣微粉UHPC基础配合比Table 2 Steel slag power UHPC basic mix proportion

1.4 正交试验设计

试验研究硅灰(A)、钢渣微粉(B)、河砂(C)、钢纤维(D)四种主要原材料因素掺量对钢渣微粉超高性能混凝土力学性能的影响。每个因素设定三个水平，由于全面试验需要做34=81次试验，故采用正交试验设计来减少试验次数[15]。将L组作为基础配合比，在此基础上进行因素水平的增减，根据L9(34)正交试验设计表共配了9组配合比。因素与水平设定如表3所示，正交试验方案详见表4。

表3 正交试验因素水平表Table 3 Factor level table for orthogonal tests

表4 正交试验方案Table 4 Orthogonal test scheme

1.5 制备、养护及性能测试

试验时根据配合比计算各组分材料并将其称量备用。搅拌时，首先将所有干粉投入混凝土搅拌机中搅拌约3 min，随后将称量好的水及减水剂均匀加入，搅拌8 min后加入钢纤维，再搅拌2 min完成UHPC拌合物的制备[16]。

试件在温度为(20±5) ℃、相对湿度>50%的室内静置1 d后拆模编号，随后立即进行(90±5) ℃高温养护2 d，再进行标准养护，当达到测试龄期(7、28 d)时取出进行测试。立方体抗压强度、劈裂抗拉强度测试采用100 mm×100 mm×100 mm尺寸的试块，轴心抗压强度、弹性模量测试采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体，抗折强度测试采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，试验严格按力学性能试验要求进行测试[17]。

2.1 力学性能测试结果分析

将钢渣微粉超高性能混凝土试件的主要力学性能正交试验测试结果列至表5。分析表5可知，不同配合比钢渣微粉UHPC 28 d立方体抗压强度相差较大且较基础组(L)均有不同程度的降低。其中T3组强度最低，28 d抗压强度仅为105.8 MPa，相较于基础组(L)强度下降28.3%；
T7组强度下降最小，较基础组(L)下降4.9%。证明原材料配比对钢渣微粉UHPC影响较大，因粒径不同的原材料无法达到内部的最大密实堆积，导致其抗压强度差距较大。

不同配合比钢渣微粉UHPC 7 d立方体抗压强度均达到90.0 MPa以上，28 d立方体抗压强度均达到100.0 MPa以上，7、28 d立方体抗压强度比值稳定在0.85～0.90，均值为0.88，可见经高温养护的钢渣微粉UHPC能在前期形成较高且稳定的抗压强度，采用钢渣微粉配制生态型UHPC是可行的。

钢渣微粉UHPC 28 d轴心抗压强度均达到70.0 MPa以上,劈裂抗拉强度均达到8.00 MPa以上,抗折强度均达到11.0 MPa以上，28 d静力受压弹性模量均达到40.0 GPa以上，可见钢渣微粉UHPC轴心抗压强度较高，具有较好的抗裂能力和抗折能力，其弹性模量也较高，表明钢渣微粉UHPC具有优良的力学性能。

表5 钢渣微粉UHPC主要力学性能测试结果Table 5 Main mechanical properties test results of steel slag powder UHPC

2.2 立方体抗压强度分析

立方体抗压强度是评价混凝土质量的主要性能指标，表6为四种材料因素对立方体抗压强度影响的极差分析。由表6可知，钢渣微粉UHPC 7、28 d立方抗压强度R值大小排序均为：RD>RC>RB>RA,表明各因素对UHPC立方体抗压强度的影响程度从主到次依次为：D(钢纤维)、C(河砂)、B(钢渣微粉)、A(硅灰)。其中钢纤维极差(RD)值最大，7、28 d的R值分别为17.5、23.1 MPa，这说明钢纤维掺量对钢渣微粉UHPC立方体抗压强度影响显著。RB、RC值7 d时分别为11.5、12.3 MPa，28 d时分别为15.5、15.8 MPa，两者相差不大，表明河砂和钢渣微粉掺量对UHPC立方体抗压强度影响较大且影响程度相当。硅灰掺量7、28 d的R值各仅为8.9、8.4 MPa，可见硅灰掺量对钢渣微粉UHPC立方体抗压强度影响最小。

表6 立方体抗压强度极差分析Table 6 Analysis of range in cube compressive strength

图3 因素水平与28 d立方体抗压强度趋势图Fig.3 Trend of factor levels and 28 d cubic compressive strength

为得到立方体抗压强度随因素、水平的变化规律，将因素水平作为横坐标，以28 d立方体抗压强度平均值ki为纵坐标，绘制因素与指标的趋势图，如图3所示。

由图3可知：钢渣微粉UHPC立方体抗压强度随硅灰、河砂及钢纤维掺量的增加先增大后减小，说明适量增加硅灰、河砂和钢纤维掺量对钢渣微粉UHPC试块的抗压强度有增强作用；
而随着钢渣微粉掺量的增加，UHPC试块28 d立方体抗压强度明显下降，表明在原有掺量的基础上再增加钢渣微粉反而不利于强度的提升，故不宜添加过多的钢渣微粉。钢纤维掺量对钢渣微粉UHPC立方体抗压强度影响最大，掺入1.5%体积掺量的钢纤维28 d立方体抗压强度较未掺加钢纤维提高了21.1%，体积掺量变化率(钢纤维体积掺量每变化1%，强度改变值与原强度值之比)为14.0%；
体积掺量2.0%相较于1.5%抗压强度降低了11.6%，体积掺量变化率高达23.3%，抗压强度变化明显，影响显著。

同样，硅灰掺量对钢渣微粉UHPC立方体抗压强度影响甚微，硅灰掺量从基础配合比的90%增加到110%，掺量强度变化率(掺量每变化10%，强度改变值与原强度值之比)仅为3.6%，从110%增加到130%掺量强度变化率仅为1.9%，变化不明显。河砂和钢渣微粉掺量对UHPC立方体抗压强度影响较小，当河砂掺量从基础配合比的90%增加到110%时，28 d立方体抗压强度提高了14.1%，掺量强度变化率为7.0%，继续掺加河砂，抗压强度降低且影响变缓，掺量从基础配合比的110%增加到130%时，掺量强度变化率为3.5%；
钢渣微粉掺量从基础配合比的90%增加到130%时，掺量强度变化率为3.0%。

2.3 轴心抗压强度分析

混凝土抗压强度与试件形状有关，采用棱柱体较立方体能更好反映混凝土结构的实际抗压能力，将钢渣微粉UHPC不同因素对轴心抗压强度影响的极差计算列至表7。分析表7可知，钢渣微粉UHPC 28 d轴心抗压强度R值的大小排序为：RD>RB>RC>RA,表明各因素对轴心抗压强度的影响程度由主到次依次为：D(钢纤维)、B(钢渣微粉)、C(河砂)、A(硅灰)。其中钢纤维极差(RD)值最大，达到28.5 MPa，表明钢纤维掺量对UHPC的轴心抗压强度影响显著，与立方体抗压强度一致。RB值达到17.9 MPa，可见钢渣微粉对UHPC的轴心抗压强度影响较大。RC值、RA值较小，分别为14.0、12.5 MPa，表明河砂、硅灰掺量对钢渣微粉UHPC轴心抗压强度影响较小。

表7 轴心抗压强度极差分析Table 7 Analysis of range in axial compressive strength

为分析四种原材料掺量变化对钢渣微粉UHPC轴心抗压强度的影响规律，将材料掺量作为横坐标，以28 d轴心抗压强度为纵坐标，得出各因素掺量与轴心抗压强度的变化趋势图, 如图4所示。

分析图4可知，钢渣微粉UHPC轴心抗压强度随硅灰、河砂及钢纤维掺量的增加先增大后减小，随钢渣微粉掺量的增加逐渐降低，这与立方体抗压强度变化趋势一致，表明可在钢渣微粉UHPC中适量增加硅灰、河砂和钢纤维掺量，适当减少钢渣微粉掺量来提高抗压强度。硅灰及河砂掺量对钢渣微粉UHPC轴心抗压强度影响较小，硅灰掺量从342 kg·m-3增加至418 kg·m-3过程中，每增加10 kg硅灰，轴心抗压强度平均增加值仅为1.6 MPa，强度提高甚微，再增加掺量抗压强度变化不大且略有降低，河砂掺量从684 kg·m-3增加至836 kg·m-3过程中，轴心抗压强度逐渐增大，每增加50 kg河砂，轴心抗压强度平均增加值仅为3.6 MPa，强度提高较小，再增加其掺量强度变化不大反而略有下降。

图4 各因素掺量与轴心抗压强度变化趋势图Fig.4 Variation trend of axial compressive strength and each factor content

同时，钢渣微粉掺量对UHPC轴心抗压强度影响较大，钢渣微粉掺量从126 kg·m-3增加到182 kg·m-3的过程中，钢渣微粉UHPC轴心抗压强度逐渐下降，强度降低了17.9 MPa,强度下降明显。钢纤维对钢渣微粉UHPC轴心抗压强度影响最为显著，掺入1.5%体积掺量钢纤维的试块28 d轴心抗压强度相较于未掺加钢纤维提高了35.6%；
体积掺量2.0%相较于1.5%强度降低了22.7%，轴心抗压强度变化特别显著。

2.4 劈裂抗拉强度分析

混凝土抗拉强度对于抗开裂性具有重要意义，钢渣微粉UHPC抗拉强度采用立方体劈裂抗拉试验测定，不同因素水平对劈裂抗拉强度影响的极差分析见表8。分析表8可知，钢渣微粉UHPC 28 d劈裂抗拉强度R值的大小排序为：RD>RB>RC>RA,表明各因素对劈裂抗拉强度的影响程度由主到次依次为：D(钢纤维)、B(钢渣微粉)、C(河砂)、A(硅灰)，与28 d轴心抗压强度影响因素排序一致。其中钢纤维极差(RD)值最大，高达5.90 MPa，表明钢纤维掺量对UHPC的劈裂抗拉强度影响显著。RB值为4.30 MPa，说明钢渣微粉掺量对UHPC的劈裂抗拉强度影响较大。RC、RA值较小，分别为1.80、1.40 MPa，可知河砂、硅灰掺量对钢渣微粉UHPC的劈裂抗拉强度影响较小。

表8 劈裂抗拉强度极差分析Table 8 Analysis of range in splitting tensile strength

为分析四种原材料掺量变化对钢渣微粉UHPC劈裂抗拉强度的影响规律，将各因素掺量与劈裂抗拉强度的变化趋势图绘制如图5所示。

由图5可知：钢渣微粉UHPC劈裂抗拉强度随硅灰、钢纤维掺量的增加先增大后减小，随钢渣微粉掺量的增加先减小后增大，随河砂掺量的增加逐渐增大，可见在钢渣微粉UHPC中适量增加硅灰、钢纤维和河砂的掺量，减少钢渣微粉的掺量可提高劈裂抗拉强度。硅灰掺量对钢渣微粉UHPC劈裂抗拉强度影响较小，掺量从342 kg·m-3增加到418 kg·m-3时，劈裂抗拉强度提高了1.40 MPa，10 kg掺量强度变化率(掺量每变化10 kg，强度改变值与原强度值之比)仅为1.5%，当继续增加硅灰掺量至494 kg·m-3时抗压强度反而下降了0.50 MPa。

钢渣微粉掺量对UHPC劈裂抗拉强度影响较大，掺量从126 kg·m-3增加到154 kg·m-3后，劈裂抗拉强度下降了4.30 MPa，强度下降率为29.5%，10 kg掺量强度变化率达到10.5%，强度变化明显。再增加掺量，劈裂抗拉强度有所提升，增加至182 kg·m-3后，劈裂抗拉强度相较于154 kg·m-3提高了2.00 MPa，但相较于126 kg·m-3掺量强度还有所下降。河砂掺量对钢渣微粉UHPC劈裂抗拉强度影响较小，且随着河砂掺量的增加劈裂抗拉强度缓慢增大，当掺量从684 kg·m-3增加至988 kg·m-3，劈裂抗拉强度提高了1.80 MPa，100 kg掺量强度变化率(掺量每变化100 kg，强度改变值与原强度值之比)仅为5.1%，劈裂抗拉强度提高甚微，表明河砂对UHPC劈裂抗拉强度有增强作用，但增强效果不明显。

图5 各因素掺量与劈裂抗拉强度变化趋势图Fig.5 Variation trend of splitting tensile strength and each factor content

钢纤维掺量对钢渣微粉UHPC劈裂抗拉强度影响较为显著，掺加钢纤维后的UHPC劈裂抗拉强度明显提升，掺加1.5%体积掺量钢纤维的UHPC试块相较于不掺加钢纤维试块劈裂抗拉强度提高率高达67.8%。这说明钢纤维起到了阻碍裂缝发展的作用，掺加钢纤维后的钢渣微粉UHPC具有较好的韧性，在一定程度上改善了UHPC脆性较大的缺点。

2.5 抗折强度分析

抗折强度是混凝土的一项重要力学性能指标，其大小是否满足设计要求将直接影响到混凝土结构的整体质量及其使用寿命，将钢渣微粉UHPC不同因素对抗折强度影响的极差计算整理至表9。由表9可知，钢渣微粉UHPC 28 d抗折强度R值的大小排序为：RD>RC>RB>RA,表明各因素对抗折强度的影响程度由主到次依次为：D(钢纤维)、C(河砂)、B(钢渣微粉)、A(硅灰)。其中钢纤维的极差(RD)值最大,达到4.4 MPa，这说明钢纤维掺量对钢渣微粉UHPC抗折强度影响显著。河砂和钢渣微粉掺量的影响程度次之且较大，极差值分别为3.6、2.7 MPa，硅灰掺量对UHPC的抗折强度影响甚微，极差(RA)值仅为0.9 MPa。

为分析四种原材料掺量变化对钢渣微粉UHPC抗折强度的影响规律，将各因素掺量与抗折强度的变化趋势图绘制如图6所示。

对比图6可以看出,钢渣微粉UHPC抗折强度随硅灰、河砂、钢纤维掺量的增加先增大后减小，随钢渣微粉掺量的增加先减小后增大。表明可在钢渣微粉UHPC中适量增加硅灰、河砂和钢纤维掺量、适当减少钢渣微粉掺量来提高抗折强度。硅灰掺量对钢渣微粉UHPC抗折强度影响甚微，掺量从342 kg·m-3增加到418 kg·m-3时，抗折强度仅提高了6.1%，再继续增加掺量至494 kg·m-3后，抗折强度略有降低，强度下降率仅为3.8%。

表9 抗折强度极差分析Table 9 Analysis of range in flexural strength

图6 各因素掺量与抗折强度变化趋势图Fig.6 Variation trend of flexural strength and each factor content

同时，钢渣微粉掺量对UHPC抗折强度影响较小，掺量从126 kg·m-3增加到154 kg·m-3后，抗折强度降低了2.7 MPa，再增加掺量抗折强度略有提升，但变化不明显。河砂掺量对钢渣微粉UHPC抗折强度影响较大，掺量从684 kg·m-3增加至836 kg·m-3后抗折强度提高了26.8%,再增加掺量抗折强度反而下降，当继续增加掺量到988 kg·m-3时，抗折强度下降了12.9%，强度变化较明显。钢纤维掺量对钢渣微粉UHPC抗折强度影响明显，钢纤维体积掺量为1.5%时抗折强度最大，相较于不掺加钢纤维及体积掺量为2%时强度分别提高了33.3%、22.2%。可见钢纤维在钢渣微粉UHPC中发挥了良好的桥接作用，能有效阻止试块的突然断裂，使得试块破坏后仍然具有一定的抗折强度，在一定程度上弥补了UHPC脆性断裂的缺点。

2.6 弹性模量分析

超高性能混凝土弹性模量与超高性能混凝土强度密切相关，将钢渣微粉UHPC不同因素对抗折强度影响的极差计算整理如表10所列。分析表10可得出，钢渣微粉UHPC 28 d弹性模量R值的大小排序为RD>RC>RB>RA，表明各因素对UHPC弹性模量的影响程度由主到次依次为：D(钢纤维)、C(河砂)、B(钢渣微粉)、A(硅灰)。其中钢纤维的极差(RD)值最大,达到6.7 GPa，说明钢纤维掺量对钢渣微粉UHPC弹性模量影响显著。河砂、钢渣微粉、硅灰掺量的影响程度也较大，极差值分别为4.5、4.3、4.1 GPa。

表10 弹性模量极差分析Table 10 Analysis of range in elasticity modulus

2.7 最佳配合比确定

根据硅灰、钢渣微粉、河砂和钢纤维四种原材料掺量在UHPC各项性能指标下的变化趋势，挑选各材料因素ki值中最大值所对应掺量组成优方案，采用综合平衡法[18]分析各项性能指标下的优方案，从而确定最佳配合比为A2B1C2D2，最佳配合比方案详见表11。

表11 最佳配合比方案Table 11 Optimum mix proportion scheme

为验证四种原材料因素掺量变化趋势的合理性，按照最佳配合比方案制备钢渣微粉UHPC，对其进行坍落度、扩展度试验及28 d的力学性能测试，试验结果详见表12。

表12 优方案性能测试结果Table 12 Performance test results

由表12可知，利用最佳配合比方案制备的钢渣微粉UHPC各项力学性能相较于正交试验组均有提升，也具有良好的工作性能与力学性能，说明前述各原材料因素掺量在各项力学性能指标下的变化趋势是可靠的。

1)试验组不同配合比钢渣微粉UHPC 7 d立方体抗压强度均大于90.0 MPa,28 d立方体抗压强度均大于100.0 MPa，28 d轴心抗压强度均大于70.0 MPa，说明其抗压强度较高并能在早期形成。

2)钢渣微粉UHPC的28 d劈裂抗拉强度均达到8.00 MPa以上,抗折强度均达到11.0 MPa以上，静力受压弹性模量均达到40.0 GPa以上，表明其具有较好的抗裂能力和抗折能力，且具有较高的弹性模量。

3)钢纤维体积掺量对钢渣微粉UHPC的各项力学性能影响最为显著，河砂、钢渣微粉掺量影响程度较大，硅灰掺量影响程度较小。

4)立方体抗压强度、抗折强度、静力受压弹性模量指标下的显著性影响顺序为：钢纤维>河砂>钢渣微粉>硅灰，轴心抗压强度、劈裂抗拉强度指标下的显著性影响顺序为：钢纤维>钢渣微粉>河砂>硅灰。

5)钢渣微粉UHPC立方体抗压强度、轴心抗压强度随硅灰、河砂及钢纤维掺量的增加先增大后减小，随钢渣微粉掺量的增加逐渐降低。劈裂抗拉强度随硅灰、钢纤维掺量的增加，呈先增大后减小的趋势，但随钢渣微粉掺量的增加则先减小后增大，随河砂掺量的增加逐渐增大；
抗折强度均随硅灰、河砂、钢纤维掺量的增加先增大后减小，随钢渣微粉掺量的增加先减小后增大。

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