昆鋼鋼渣微粉在混凝土中的應用研究

韓長菊，張育才，黃嵐，宋華，祁加彬

（1.昆明冶金高等?？茖W校建材學院，云南昆明650033 2.云南昆鋼水泥建材集團技術中心，云南昆明650033）

0 前言

鋼渣是煉鋼時產生的一種工業副產品，屬于過燒劣質熟料，具有較高的潛在活性，理論上在混凝土行業具有廣泛的應用前景，但實際的應用情況卻遠不如粉煤灰和礦渣粉等工業廢渣［1－4］。云南省缺乏優質礦渣粉，且活性較低，通過堿性激發，可以達到S75級［5］。將鋼渣經過預處理磨細成粉，以優質鋼渣微粉代替礦渣粉，開發新型鋼渣礦粉摻合料，既可為鋼鐵企業的鋼渣有效利用提供一條途徑，又可以為混凝土行業提供新的活性礦物摻合料，以解決優質礦粉資源不足的問題。昆鋼鋼渣排放量大，通過熱悶、磁選、粉磨處理，用作混凝土活性摻合料，是實現鋼渣“零排放”資源化利用的有效途徑［6］。

1 實驗材料

實驗采用的原材料主要有昆鋼嘉華水泥有限公司生產的P.O 42.5水泥，云南昆鋼工業廢渣綜合利用開發有限公司生產的鋼渣粉和礦渣粉，和云南廣泰混凝土有限公司生產的粉煤灰和砂石料。其中，鋼渣粉、礦渣粉和粉煤灰為用于混凝土的活性摻合料，與水泥一起，在混凝土中主要起膠結作用，硬化后將砂、石料膠結成一個整體，屬于無機類膠凝材料。

1.1 膠凝材料化學性能分析

1.1.1 膠凝材料化學成分分析

實驗所用膠凝材料的化學成分見表1。鋼渣粉的活性評價方法常用堿度系數法，堿度系數為M＝中等活性，屬于硅酸二鈣渣［7］。經對鋼渣粉生產線5個月的跟蹤分析，鋼渣粉的 f－CaO含量波動范圍為1.30% ～2.06%，安定性合格。

表1 膠凝材料化學成分／%

由化學成分計算礦渣粉相關品質系數為

堿性系數

質量系數

該礦渣堿性系數小于1，屬酸性礦渣；根據GB／T 203—2008《用于水泥中的?；郀t礦渣》的規定，由質量系數判斷，本樣品屬合格品，礦粉活性一般［8］。

1.1.2 膠凝材料礦物組成分析

實驗所用膠凝材料的X射線衍射圖如圖1所示，分析顯示，鋼渣粉主要礦物組成為C2S、C3S、C2F和RO相（FeO、MgO）等。粉煤灰圖譜顯示其主要礦物為莫來石、石英等相。礦粉圖譜無明顯的晶相衍射峰，主要以玻璃體形式存在，有利于活性的發揮。

圖1凝膠材料的XRD圖譜圖

1.2 膠凝材料的顆粒形貌

膠凝材料的SEM分析如圖2所示。掃描電鏡下可以看到，鋼渣粉顆粒比礦粉形貌規整，顆粒邊棱不明顯，少見條狀、片狀顆粒，邊角圓鈍。礦渣粉顆粒形貌不規則，邊棱較清晰，含一定條狀、片狀、針狀顆粒。粉煤灰多為球形顆粒，表面光滑，球形顆粒尺寸約幾μm至幾十μm，10μm以下顆粒極少，小顆粒多相互聚集。

圖2膠凝材料的SEM圖

2 實驗方法

根據JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設計規程》，參考昆明周邊多個混凝土攪拌站配合比，設計出C15、C20、C30和C40四個強度等級的混凝土（見表3），在礦粉和粉煤灰復摻的基礎上，用鋼渣粉等量取代礦渣粉［9］。采用 GB／T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》檢測試樣工作性［10］，采用GB／T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》檢測試樣力學性能［11］。

表3 混凝土配合比設計

3 結果與分析

3.1 鋼渣粉摻入對混凝土工作性能的影響

3.1.1 鋼渣粉摻入對混凝土流動性的影響

通過檢測不同配比混凝土的塌落度和擴展度，考察鋼渣粉摻入對混凝土流動度的影響（見表4）。由表4中數據可以看出，鋼渣粉的摻入有利于混凝土流動度的提高。因為鋼渣粉可以改變膠凝材料水化基體的孔道大小與分布，對漿體的流動性能起到積極作用。另鋼渣粉大部分呈大小不等、光滑的圓球狀細顆粒，填充于水泥顆粒的空隙中，形成了更為合理的級配，鋼渣粉細顆粒在新拌水泥漿中具有軸 承效果，可增大水泥漿的流動度［12］。

表4 混凝土性能檢測

3.1.2 鋼渣粉摻入對混凝土泌水性的影響

為檢測鋼渣粉摻入對混凝土泌水的影響，實驗以C20混凝土為例，分別檢測A2000（基準組）和A2050（50%鋼渣取代組）的泌水量，實驗結果見表5。

表5 泌水時間與累計泌水量

實驗中，混凝土拌合裝模初期無泌水，在裝模后70 min左右開始出現泌水，50%鋼渣取代組累計泌水率稍高于基準組，而110 min后，基準組的累計泌水率明顯高于50%取代組，說明鋼渣的摻入有利于降低混凝土的滯后泌水。這可能是由于鋼渣粉較細，鋼渣的摻入可以提高拌合物的比表面積，有利于提高混凝土的粘聚性。

3.1.3 鋼渣粉摻入對混凝土塌落度損失的影響

為進一步檢測鋼渣粉的摻入對混凝土工作性的影響，以A3000和A3040混凝土為例，測量了混凝土的塌落度損失，結果見表6。從表6中數據可知，鋼渣的摻入有利于減少混凝土的塌落度損失。這是因為與礦渣粉顆粒相比較，鋼渣粉顆粒更加圓鈍（如圖3所示），有利于混凝土流動度發展，達到相同流動度所需的水量較少。鋼渣的摻入有利于延緩塌落度損失，對于混凝土施工有利。

表6 混凝土塌落度損失

3.2 鋼渣粉摻入對混凝土力學性能的影響

3.2.1 鋼渣粉摻入對混凝土抗壓強度的影響

從表4混凝土的抗壓強度檢測結果可知，隨著鋼渣粉取代礦渣粉的比例逐漸增加，混凝土各齡期抗壓強度沒有明顯降低，部分還稍有增加，這主要與鋼渣粉中微細顆粒含量較高有關，微細顆粒在材料堆積中主要起孔隙填充作用，提高混凝土的結構密實度［13－14］。鋼渣粉、礦渣粉在水化過程中能夠相互激發，鋼渣粉、礦渣粉和粉煤灰的疊加效應，對于混凝土強度的發展有一定的積極作用。因而隨著鋼渣粉的摻入，混凝土的強度沒有明顯降低，且當鋼渣粉取代礦渣粉50%時，各強度等級混凝土的抗壓強度都比較高。

3.2.2 鋼渣粉摻入對混凝土劈裂抗拉強度的影響

從表4鋼渣粉摻入對混凝土劈裂抗拉強度的影響數據看，隨著鋼渣粉摻入比例的增加，各配比混凝土劈裂抗拉強度整體下降不多，鋼渣粉取代礦渣粉50%時，各等級混凝土的劈裂抗拉強度都較高，C40混凝土28 d劈裂抗拉強度達到4.76 MPa，升高趨勢尤為明顯。

3.3 鋼渣粉摻入對水化產物的影響

為進一步研究鋼渣粉摻入對水化產物的影響，分別以水泥凈漿、與混凝土配合比相同的水泥＋粉煤灰＋礦粉凈漿（以下簡稱礦粉凈漿）、水泥＋粉煤灰＋礦粉＋鋼渣粉凈漿（以下稱鋼渣凈漿）成型，標準養護到3 d和28 d，用無水乙醇終止水化，進行SEM和XRD分析如圖3、4所示。

由圖3（a）可以看到水化3 d時水泥顆粒表面已有一層細小水化產物相互搭接形成空間網絡結構，但結構尚不緊密。由圖3（c）可以看出鋼渣凈漿水化3d時有極少量的針狀水化產物，顆粒邊界尚較清晰，完整的粉煤灰顆粒，不同顆粒之間還搭接較少。圖3（b）為水泥凈漿28 d時已經出現明顯的水化硅酸鈣產物，還有極少量的針狀鈣礬石存在。圖3（d）表明鋼渣凈漿水化28 d時掃描電鏡圖片中可以看到大量的針狀鈣礬石存在，水化硅酸鈣的比例相對較少，粉煤灰顆粒表面較完整。說明鋼渣粉、礦渣粉的水化較慢，其中粉煤灰的水化最慢。

圖3凈漿微觀形貌圖

圖4（a）為凈漿水化3 d時的 XRD圖。C3S、C2S的峰強度較高，同時水化產物中出現了衍射峰較強的 Ca（OH）2、鈣礬石（Aft）和水化硅酸鈣（C－S－H），說明此時已經發生了明顯的水化，鋼渣粉的摻入并沒有改變水化產物的種類。2θ為32.1、32.6、34.3、38.7、41.2和 51.7°時分別表示 C3S和C2S的單峰或疊加峰，三條譜線的峰高明顯不同，鋼渣凈漿的峰高明顯低于礦粉凈漿和水泥凈漿，說明水化3 d后，鋼渣凈漿中還留下較多的C3S和C2S。這是因為，雖然鋼渣中也含有與水泥熟料中成分一樣的C3S和C2S，但因為經過了煉鋼工程中的高溫，這些C3S和C2S結構比較致密，水化速度較慢。

圖4（b）為凈漿水化28 d時的XRD圖譜。圖譜中 2θ為 32.1、32.6、34.3、38.7、41.2和 51.7°時的C3S、C2C的峰高明顯降低，且鋼渣凈漿的峰高降低最為明顯，三條譜線在以上幾處的峰高已經基本接近。2θ＝34.3、38.7°時，C3S、C2C的峰已經基本看不見。說明鋼渣粉的摻入，與礦粉等相互疊加，且早期水化產物Ca（OH）2有利于激發鋼渣粉和礦粉的活性，后期水化程度逐漸提高。

圖4 凈漿水化28 d XRD圖譜

4 結論

通過本研究可知：

（1）采用鋼渣粉取代礦渣粉與粉煤灰復摻，制備了C15、C20、C30和C40四個等級的混凝土；

（2）鋼渣粉作為活性摻合料部分取代礦渣粉，有利于提高混凝土的流動性，延緩塌落度損失，降低滯后泌水；隨著鋼渣粉取代礦渣粉的比例逐漸增加，混凝土各齡期抗壓強度沒有明顯降低，部分還稍有增加，各配比混凝土劈裂抗拉強度整體下降不多；

（3）鋼渣粉的摻入，沒有改變水化產物種類，鋼渣粉早期水化速度較慢，后期水化程度逐漸提高。因此，昆鋼建材集團生產的鋼渣粉，要用作混凝土摻合料，替代礦渣粉使用，具有中等以上的活性。

［1］宋子新.鋼渣與礦渣對水泥性能影響［J］.水泥技術，2013（1）：35－37.

［2］管宗甫，余遠明，崔書瑾，等.鋼渣顆粒粒徑分布對水泥強度影響的灰色關聯分析［J］.鄭州大學學報（工學版），2010，31（5）：32－35.

［3］鄒啟賢，喻世濤.鋼渣微粉對高強混凝土性能的影響［J］.混凝土與水泥制品，2009（4）：12－15.

［4］陳苗苗，馮春花，東旭.鋼渣作為混凝土摻合料的可行性研究［J］.硅酸鹽通報，2011，30（4）：751－754.

［5］唐祥正，張俊，董昱.淺談云南混凝土用粉煤灰的生產和應用［J］.建材發展導向.2012（20）：63－65.

［6］欒景麗，李文斌，屈云海.昆鋼鋼渣資源化利用的研究［J］.中國資源綜合利用，2009，27（4）：19－21.

［7］朱桂林，孫樹杉.鋼渣成分對鋼渣粉活性的影響［J］.中國鋼鐵業，2010（9）：20－24.

［8］GB／T 203—2008，用于水泥中的?；郀t礦渣［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［9］JGJ55—2000，普通混凝土配合比設計規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2001.

［10］GBT 50080—2002，普通混凝土拌合物性能試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［11］GBT 50081—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［12］陳德玉.磨細鋼渣摻量對水泥和混凝土性能的影響［J］.有色金屬，2008，60（4）：132－135.

［13］朱桂林，楊景玲，李可，等.生產鋼渣粉是鋼渣高價值利用的重要途徑［J］.冶金環境保護，2006（1）：31－36.

［14］趙德剛，陶珍東，鄭少華，等.摻加鋼渣微細粉配制高強度混凝土研究［J］.中國建材，2008（6）：96－98.