鋼渣粉摻入對高強尾礦混凝土性能的影響

崔孝煒 倪 文

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.商洛學院化學工程與現代材料學院，陜西 商洛 726000；3.陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西 商洛 726000)

鋼渣粉摻入對高強尾礦混凝土性能的影響

崔孝煒1,2,3倪 文1

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.商洛學院化學工程與現代材料學院，陜西 商洛 726000；3.陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西 商洛 726000)

為了研究鋼渣粉摻入對高強尾礦混凝土性能的影響，以比表面積為5 950 cm2/g的鋼渣粉等量替代比表面積為5 137 cm2/g的基礎膠凝材料(鐵尾礦、礦渣、水泥熟料、天然石膏的梯級磨礦產品，各對應成分的質量比為40∶26∶26∶8)進行了膠砂流動度試驗，并以等質量的原始粒級鐵尾礦為骨料，進行了混凝土試件強度試驗。結果表明：鋼渣粉的摻入在一定程度上提高了體系的流動度；鋼渣粉的摻入對混凝土早期強度有明顯的負面影響；鋼渣粉水化作用的緩慢、持久釋放，使摻鋼渣粉的混凝土后期強度顯著增長，但鋼渣粉的摻量不宜超過20%。試驗產品的SEM分析表明，無論是否摻加鋼渣粉，尾礦混凝土水化產物均為鈣礬石和C-S-H凝膠；在反應的中后期，體系中C-S-H 凝膠和鈣礬石的協同生成能夠促進體系強度的增長。

鋼渣粉 膠凝材料 高強尾礦混凝土 流動度 抗壓強度 抗折強度

鋼渣是鋼鐵冶煉的廢料，每生產1 t鋼材約產生0.5 t鋼渣。然而，長期以來，鋼渣的利用率都較低[1-2]。微觀分析表明，鋼渣粉的礦物組成包括硅酸二鈣、硅酸三鈣、氧化鎂、f-CaO產生的Ca(OH)2、RO相(MgO、FeO和MnO的固溶體)，以及少量的鐵酸鈣、鋁酸鈣等，與硅酸鹽水泥的礦物組成比較接近，因此，鋼渣應該是一種具有較好潛在水硬性的材料[3]。將其作為高強尾礦混凝土的摻合料，能夠改善混凝土的性能，降低生產成本[4-5]。目前，尾礦資源綜合利用的一個重要方向就是制備混凝土[6-7]。本試驗通過向尾礦混凝土中摻加鋼渣粉的方法，研究了鋼渣粉的摻入對尾礦混凝土強度的影響。

1 試驗原料與試驗設備

1.1 試驗原料

鐵尾礦取自鞍鋼齊大山鐵礦，主要礦物為石英，赤鐵礦少量，+0.63 mm粒級產率不足1%，-0.08 mm粒級產率為14.4%，屬于高硅中細粒鐵尾礦。

鋼渣取自鞍鋼集團公司，主要礦物組成是硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)，RO相(MgO、FeO和MnO的固溶體)及少量游離的氧化鈣(f-CaO)、鐵酸鈣(C2F)、鋁酸鈣(C12A)。

水泥熟料為唐山市冀東水泥廠的普通硅酸鹽水泥熟料。

石膏為北京房山區雙山水泥廠的脫硫石膏。

礦渣為首鋼公司的高爐水淬礦渣。

減水劑為北京慕湖外加劑公司生產的PC高效減水劑。

試驗用水為自來水。

主要原料化學成分分析結果見表1。

表1 主要原料的化學成分分析結果

1.2 試驗設備及儀器

試驗所用主要設備有SMΦ500×500型球磨機，SJ-ISO型水泥凈漿攪拌機，YDT90S-8/4型砂漿攪拌器，DBT-127型勃氏透氣比表面積儀，YES-300型數顯壓力試驗機，YH-40B型標準恒溫恒濕養護箱，ZS-15型水泥膠砂振實臺，Mastersizer 2000型激光粒度分析儀，Rigaku D/Max-RC型X射線衍射儀(XRD)，S250型掃描電鏡和SUPRA 55型場發射掃描電鏡等。

2 膠凝材料的制備和試驗方案

2.1 膠凝材料的制備與粒度特征

2.1.1 膠凝材料的制備

試驗用膠凝材料由基礎膠凝材料和磨細的鋼渣粉組成。

將鐵尾礦、礦渣、水泥熟料、脫硫石膏按40∶26∶26∶8的比例進行梯級混磨。物料粉磨采用水泥試驗室常用的SMφ500×500型球磨機，研磨介質為生產廠家標準配置，所有磨料過程都保持5 kg裝料量。首先對齊大山鐵尾礦粉磨20 min，然后按比例摻入首鋼礦渣(5～0.1 mm)，混磨70 min，再在第一階段混磨料中按比例摻入水泥熟料和石膏，最后混磨60 min得粉磨混合料，即基礎膠凝材料。

將鋼渣破碎至-4.75 mm，然后單獨粉磨90 min即得鋼渣粉。

2.1.2 膠凝材料的粒度特征

膠凝材料的細度見表2。

表2 膠凝材料的細度

從表2可以看出，基礎膠凝材料和鋼渣粉的粒度均較細，比表面積分別為5 137和5 950 cm2/g，d90分別為13.10和12.13 μm，鋼渣粉的細度更高。

2.2 試驗方案

用制備好的鋼渣粉等量替代0%、5%、10%、15%、20%、25%的基礎膠凝材料，制備試驗用膠凝材料，試驗配比見表3。

表3 試驗原料配合比

按膠砂比1∶1將膠凝材料和骨料(原始粒級鐵尾礦)混合，加入0.4%的PC高效減水劑，按水膠比0.24制備40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試塊。

試塊標準養護1 d后拆模，在56 ℃條件下蒸養12 h后繼續標準養護，測定不同規定齡期各試塊的強度，按照《GB/T17671—1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測試試塊的強度。

3 試驗結果與討論

3.1 鋼渣粉對水泥膠砂流動性的影響

按照《GB/T2419—2005 水泥膠砂流動度測定方法》測試摻入不同比例鋼渣粉膠砂體系的流動度，結果見圖1。

由圖1可以看出，隨著鋼渣粉摻量的增大，膠砂體系的流動度先上升后下降，但均高于純基礎膠凝材料體系的流動度，這主要是由于摻入的鋼渣粉比基礎膠凝材料的粒度更細，其摻入可發生一定的微集料效應[8-9]。當鋼渣粉摻量為15%時，其流動度最大。

圖1 鋼渣粉的摻量對混凝土流動度的影響

3.2 鋼渣粉對混凝土試件強度的影響

按照《GB/T17671—1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測試摻入不同比例鋼渣粉尾礦混凝土試塊不同齡期的抗折強度和抗壓強度，結果見圖2、圖3。

圖2 鋼渣粉摻量對試件抗折強度的影響

圖3 鋼渣粉摻量對試件抗壓強度的影響

從圖2、圖3可以看出，鋼渣粉的摻入對尾礦混凝土試件早期強度的影響尤其顯著，這主要是因為鋼渣水化比較慢，反應初期大部分鋼渣未參與反應，因而體系的早期強度明顯低于未加鋼渣粉的體系；隨著鋼渣粉摻量的增加，混合料中水泥熟料的摻量減少，生成的C-S-H凝膠的量減少，因而摻入鋼渣粉的混凝土28 d的強度略低于相同齡期未摻鋼渣粉的混凝土強度[10-11]；隨著養護齡期的延長，鋼渣粉顆粒逐漸參與水化反應，對試件強度的貢獻逐漸體現，因而摻入鋼渣粉后試件28 d的強度相對早期強度降幅較小。當鋼渣粉的摻量超過20%以后，試件28 d的抗壓強度和抗折強度均開始加速下降。因此，確定鋼渣粉的摻量占膠凝材料質量分數的20%。

4 硬化漿體試塊的微觀形貌分析

分別用基礎膠凝材料和用等量替代法摻入20%鋼渣粉的膠凝材料制備試塊，進行微觀形貌分析。試塊制作過程中PC高效減水劑摻量為0.4%，水膠比為0.24，采用水泥凈漿攪拌機，按照《GB/T1346-2001 水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》中水泥凈漿的拌制規定進行攪拌，攪拌后制備30 mm×30 mm×50 mm的試塊，標準養護1 d后拆模，再采用56 ℃蒸汽養護12 h，然后繼續進行標準養護，對28 d的試件分別進行SEM分析，結果見圖4。

圖4 水化28 d的硬化漿體試塊的SEM照片

從圖4并結合試件的XRD圖譜可以看出，無論是否摻加鋼渣粉，試件的水化產物均為鈣礬石和C-S-H凝膠。隨著水化過程的不斷進行，凝膠相不斷包裹鐵尾礦顆粒及鈣礬石晶體、并充填顆粒間的孔隙，使得空隙不斷減少甚至消失，因而混凝土結構變得越來越致密。

鋼渣粉在反應初期水化速度較慢，但在反應后期，鋼渣中的f-CaO及RO相發生水化反應，其水化產物主要為C-S-H凝膠、Ca(OH)2以及少量的Fe6(OH)12(CO3)。在反應的中后期，體系中不斷生成的C-S-H 凝膠與鈣礬石發生協同反應，促進了體系強度的提高[10]。結晶度較高的針狀鈣礬石晶體相互搭接，C-S-H凝膠和未反應的鐵尾礦微粒填充在其中，彼此交織在一起，使較疏松、脆弱的網絡逐漸密實，因而對混凝土強度的提高有極大的促進作用。

5 結 論

(1)以比表面積為5 950 cm2/g的鋼渣粉等量替代比表面積為5 137 cm2/g的基礎膠凝材料，可提高高強尾礦混凝土的流動性，摻加整個膠凝材料質量分數15%的鋼渣粉時，膠凝體系的流動度最大。

(2)鋼渣粉的摻入對高強尾礦混凝土的力學性能有較大影響。隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土早期強度明顯下降，但對后期強度影響較小，主要是由于鋼渣粉水化反應速度較慢，隨著水化時間的延長，鋼渣粉水化效果逐步釋放，混凝土后期強度提高顯著，這表明鋼渣粉的摻入有利于后期強度的增長。當鋼渣粉摻量超過20%后，尾礦混凝土的強度開始加速下降，因此，鋼渣粉的摻量以20%為宜。

(3)SEM和XRD分析表明，無論是否摻入鋼渣粉，尾礦混凝土水化產物均是鈣礬石和C-S-H凝膠。在反應的中后期，體系中C-S-H 凝膠和鈣礬石的協同反應能夠促進體系強度的增長。

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(責任編輯 羅主平)

Effect of Steel Slag Powder Addition on Properties of High Strength Tailings Concrete

Cui Xiaowei1,2,3Ni Wen1

(1.CollegeofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing，100083，China;2.CollegeofChemicalEngineeringandModernMaterials，ShangluoUniversity，Shangluo726000，China；3.ShaanxiKeyLaboratoryofComprehensiveUtilizationofTailingsResources，Shangluo726000，China)

In order to study the effect of dosage of steel slag powder on high strength tailings concrete，the fluidity of cementitious concrete strength is conducted using steel slag powder，with specific surface area of 5 950 cm2/g，to replace the same amount of basic cementitious material，with specific surface area of 5 137 cm2/g，which is prepared by cascade grinding products with iron tailings，slag，cement clinker and natural gypsum in proportion of 40∶26∶26∶8，and then the original iron tailings as aggregate with equal quality，the concrete strength are tested.The results show that，addition of steel slag powder improved the fluidity of the system to some extent，and had a negative effect on the strength of concrete at early stage.That hydration of steel slag power acts slowly and releases sustainably made the strength of concrete increased significantly later，while the dosage of steel slag powder should not exceed 20%.The SEM analysis on the products shows that，whether mixed with steel slag powder or not，the tailings concrete has hydration products of ettringite and C-S-H gel，during the middle and later stage of the hardening process，the coordinated growth of C-S-H gel and ettringite can increase the strength of the system.

Steel slag powder，Cementitious material，High strength tailings concrete，Fluidity，Compressive strength，Flexural strength

2014-06-04

商洛學院服務地方專項(編號：12SKY-FWDF008)，陜西省科技廳自然科學基金項目(編號：2014JM2055)，陜西省科技統籌創新工程項目(編號：2012KTDZ02-02-01)。

崔孝煒(1988—)，男，助教，博士研究生。

TD926.4

A

1001-1250(2014)-09-177-04