超早强环保型钢渣微粉UHPC制备及形成机理

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0647

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (1): 191-201.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0647

超早强环保型钢渣微粉UHPC制备及形成机理

唐咸远¹^,²^,³(), 任博文¹^,²^,³(), 胡冰倩¹^,²^,³, 柳大成¹^,²^,³, 冯美杰¹^,³

1.桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，桂林 541004
2.桂林电子科技大学南宁研究院，南宁 530033
3.广西智慧交通重点实验室，桂林 541004

收稿日期:2025-07-03 修订日期:2025-08-27 出版日期:2026-01-20 发布日期:2026-02-10
通信作者: 任博文，硕士研究生。E-mail：15977382987@163.com
作者简介:唐咸远（1973—），男，高级工程师。主要从事道路与桥梁工程及超高性能混凝土材料方面的研究。E-mail：thy1188@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(42067044);国家级大学生创新训练计划项目(202410595071);广西大学生创新训练计划项目(s202410595135)

Preparation and Formation Mechanism of Ultra-Early Strength Environmental-Friendly Steel Slag Micro Powder UHPC

TANG Xianyuan¹^,²^,³(), REN Bowen¹^,²^,³(), HU Bingqian¹^,²^,³, LIU Dacheng¹^,²^,³, FENG Meijie¹^,³

1. School of Architecture and Transportation Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China
2. Nanning Research Institute，Guilin University of Electronic Technology，Nanning 530033，China
3. The key laboratory of Intelligent Transportation in Guangxi，Guilin 541004，China

Received:2025-07-03 Revised:2025-08-27 Published:2026-01-20 Online:2026-02-10

摘要/Abstract

摘要：

为提升混凝土路面损坏后的快速修补能力并加强固废资源的再利用，在前期研制的环保型钢渣微粉超高性能混凝土（UHPC）的基础上，采用正交试验方法，以普通硅酸盐水泥（OPC）替代硫铝酸盐水泥（SAC）的替代率、早强剂碳酸锂掺量、钢纤维掺量、调凝剂硼砂掺量为影响因素，制备了9组超早强钢渣微粉UHPC。通过测试初凝时间及不同龄期的抗压强度、抗折强度，分析了各因素的影响规律，确定了超早强UHPC的最佳配合比；采用场发射扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD），对不同龄期的超早强UHPC的微观形貌及物相组成进行表征。结果表明：随着OPC替代率增大，UHPC凝结时间先减小后增大，力学性能均呈下降趋势；SAC-OPC体系早期水化反应过快导致水化不完全，后期抗压强度低于基准组；低OPC替代率下，利用钢渣微粉制备的SAC-OPC体系UHPC碱度仍偏低，水化产物中均存在钙矾石（AFt），但未发现氢氧化钙（CH），且AFt含量随着OPC替代率增加而逐渐降低；随着水化反应的不断进行，超早强UHPC基体的孔洞、空隙及裂缝均逐渐缩减，结构趋于密实；综合各因素对SAC-OPC体系混凝土力学性能与施工性能的影响，制备出常规养护情况下初凝时间为30 min且3 h抗压强度、抗折强度分别为39.6、11.2 MPa的超早强环保型钢渣微粉UHPC。

关键词: 超高性能混凝土, 钢渣微粉, SAC-OPC体系, 超早强, 力学性能, 形成机理

Abstract:

To enhance the rapid repair capability of concrete pavements after damage and strengthen the reuse of solid waste resources， based on the previously developed environmental-friendly steel slag micro powder ultra-high performance concrete （UHPC）， nine groups of ultra-early strength steel slag micro powder UHPC were prepared using an orthogonal experimental design. The influencing factors included the replacement rate of ordinary Portland cement （OPC） for sulphoaluminate cement （SAC）， the content of early-strength agent lithium carbonate， the content of steel fiber， and the content of setting regulator borax. By testing initial setting time， compressive strength， and flexural strength at different ages， the influence patterns of each factor were analyzed， and the optimal mix ratio of ultra-early strength UHPC was determined. Additionally， field emission scanning electron microscopy （SEM） and X-ray diffractometer （XRD） were used to characterize the micro-morphology and phase composition of ultra-early strength UHPC at various ages. The results show that with the increase of OPC replacement rate， the setting time of UHPC decreases first and then increases， and the mechanical properties show a downward trend. The excessively rapid early hydration reaction of the SAC-OPC system leads to incomplete hydration， resulting in lower later-age compressive strength compare to the reference group. At a low OPC replacement rate， the SAC-OPC system UHPC prepared from steel slag micro powder still has relatively low alkalinity. Ettringite（AFt） is present in the hydration products， but calcium hydroxide（CH） is not observed. Moreover， the content of AFt gradually decreases with increasing OPC replacement rate. As hydration reaction proceeds， the pores， voids， and cracks in the matrix of ultra-early strength UHPC gradually reduce， and the structure tends to be dense. Based on the analysis of the influences of various factors on the mechanical properties and construction performance of SAC-OPC system concrete， the ultra-early strength environmental-friendly steel slag micro powder UHPC with initial setting time of 30 min and compressive strength and flexural strength of 39.6 and 11.2 MPa for 3 h under conventional curing conditions is prepared.

Key words: ultra-high performance concrete, steel slag micro powder, SAC-OPC system, ultra-early strength, mechanical property, formation mechanism

中图分类号:

TU528

唐咸远, 任博文, 胡冰倩, 柳大成, 冯美杰. 超早强环保型钢渣微粉UHPC制备及形成机理[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 191-201.

TANG Xianyuan, REN Bowen, HU Bingqian, LIU Dacheng, FENG Meijie. Preparation and Formation Mechanism of Ultra-Early Strength Environmental-Friendly Steel Slag Micro Powder UHPC[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(1): 191-201.

图/表 15

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Materials	Mass fraction/%							Specific surface area/（m²·kg^-1）
Materials	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Other	Specific surface area/（m²·kg^-1）
OPC	21.86	4.25	2.72	63.65	2.14	2.43	2.95	300
SAC	12.30	21.33	1.53	50.12	2.06	12.33	0.33	550
SSMP	17.15	5.60	22.70	43.35	6.00	—	5.20	620
SF	93.58	0.51	0.58	1.97	0.25	—	3.11	22 000

Materials	Mass fraction/%							Specific surface area/（m²·kg^-1）
Materials	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Other	Specific surface area/（m²·kg^-1）
OPC	21.86	4.25	2.72	63.65	2.14	2.43	2.95	300
SAC	12.30	21.33	1.53	50.12	2.06	12.33	0.33	550
SSMP	17.15	5.60	22.70	43.35	6.00	—	5.20	620
SF	93.58	0.51	0.58	1.97	0.25	—	3.11	22 000

Sample No.	Mix proportion/（kg·m^-3）							Mass fraction/%			Volume fraction/%
Sample No.	OPC	SAC	SF	SSMP	MRS	Water	PCE	LC	NC	Bx	Steel fiber
T1-10	72	648	380	140	760	225	12.5	0.075	2	0.09	0
T2-10	72	648	380	140	760	225	12.5	0.100	2	0.18	1
T3-10	72	648	380	140	760	225	12.5	0.125	2	0.27	2
T4-20	144	576	380	140	760	225	12.5	0.075	2	0.27	1
T5-20	144	576	380	140	760	225	12.5	0.100	2	0.09	2
T6-20	144	576	380	140	760	225	12.5	0.125	2	0.18	0
T7-30	216	504	380	140	760	225	12.5	0.075	2	0.18	2
T8-30	216	504	380	140	760	225	12.5	0.100	2	0.27	0
T9-30	216	504	380	140	760	225	12.5	0.125	2	0.09	1
T0	0	720	380	140	760	225	12.5	0.100	2	0	1

Sample No.	Mix proportion/（kg·m^-3）							Mass fraction/%			Volume fraction/%
Sample No.	OPC	SAC	SF	SSMP	MRS	Water	PCE	LC	NC	Bx	Steel fiber
T1-10	72	648	380	140	760	225	12.5	0.075	2	0.09	0
T2-10	72	648	380	140	760	225	12.5	0.100	2	0.18	1
T3-10	72	648	380	140	760	225	12.5	0.125	2	0.27	2
T4-20	144	576	380	140	760	225	12.5	0.075	2	0.27	1
T5-20	144	576	380	140	760	225	12.5	0.100	2	0.09	2
T6-20	144	576	380	140	760	225	12.5	0.125	2	0.18	0
T7-30	216	504	380	140	760	225	12.5	0.075	2	0.18	2
T8-30	216	504	380	140	760	225	12.5	0.100	2	0.27	0
T9-30	216	504	380	140	760	225	12.5	0.125	2	0.09	1
T0	0	720	380	140	760	225	12.5	0.100	2	0	1

Sample No.	Compressive strength/MPa					Flexural strength/MPa
Sample No.	3 h	6 h	1 d	3 d	28 d	3 h	6 h	1 d	3 d	28 d
T1-10	37.5	46.4	55.4	70.1	113.6	8.4	8.7	9.4	9.5	20.2
T2-10	40.2	48.8	56.3	75.4	112.5	7.3	8.1	9.0	12.5	22.6
T3-10	42.1	53.3	63.2	78.3	123.3	13.4	13.6	14.0	17.8	23.7
T4-20	35.3	47.4	53.2	67.2	111.8	8.1	8.4	11.5	12.1	18.1
T5-20	37.1	46.8	61.2	73.5	119.1	8.2	10.2	15.3	15.3	22.9
T6-20	37.7	38.4	53.1	70.5	115.5	8.1	8.8	9.1	10.1	20.5
T7-30	23.4	37.3	46.7	60.0	106.4	9.3	11.9	12.5	13.0	23.6
T8-30	35.2	35.7	45.3	56.1	94.0	6.3	7.3	9.0	8.8	16.5
T9-30	35.2	37.7	45.3	65.9	101.3	6.1	7.5	9.1	9.7	16.8
Average	36.0	43.5	53.3	68.6	110.8	8.4	9.4	11.0	12.1	20.5
T0	35.0	44.4	55.0	80.5	130.5	6.4	8.5	9.8	10.0	22.7

超早强环保型钢渣微粉UHPC制备及形成机理

Preparation and Formation Mechanism of Ultra-Early Strength Environmental-Friendly Steel Slag Micro Powder UHPC

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Range	Factor
Range	A OPC replacement rate	B LC content	C Steel fiber content	D Bx content
k₁	39.93	32.07	36.80	36.60
k₂	36.70	37.50	36.90	33.77
k₃	31.27	38.33	34.20	37.53
R	8.66	6.26	2.70	3.76
Primary and secondary factors	A＞B＞D＞C
Optimal plan	A₁B₃C₂D₃

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