摻鋼渣粉與粉煤灰礦粉復合微粉混凝土的試驗研究

■鄒小平，曾 亮 ■江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001

1 引言

我國是世界鋼鐵生產第一大國，鋼渣作為鋼鐵行業的主要廢渣之一，每年的排放量越來越大，但我國鋼渣的綜合利用率與西方發達國家相比還有較大差距［1］，大量的鋼渣堆積既浪費資源又污染環境［2］。大量研究表明，鋼渣中含有與硅酸鹽水泥熟料相似的硅酸二鈣C2S 和硅酸三鈣C3S 屬于過燒劣質熟料，具有潛在水硬活性［3-4］，具備用作水泥混合材和混凝土摻合料的條件，但如何對鋼渣進行深層次的開發和利用，鋼渣的摻入對混凝土性能有何影響還需要進一步的探討。

混凝土的配合比設計離不開礦物摻合料，目前在混凝土中使用的礦物摻合料主要分為兩類［5］:一類是天然材料比如火山灰、凝灰巖、煅燒粘土和硅藻土等;另一類是工業副產品，包括高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等。礦物摻合料通常占總膠凝材料質量的20%～70%。一般來說，礦物摻合料的摻入能夠消耗Ca(OH)2，增加C-S-H 和其他水化產物的數量，細化混凝土內部孔徑，提高混凝土強度。Ca(OH)2含量減小也能有效減少堿-骨料反應引起的膨脹，提高混凝土的耐久性。另外，礦物摻合料的加入還能改善混凝土的工作性，同等強度下降低用水量，提高混凝土的耐久性。總的來說，在混凝土中摻入礦物摻合料，既能提升混凝土的性能又具有積極的環境意義。

由于鋼渣粉的的活性低、穩定性差，大摻量鋼渣粉配制的混凝土早期強度低、工作性差、體積收縮大等缺陷。而粉煤灰能吸收鋼渣粉中的游離氧化鈣而克服鋼渣粉可能存在的安定性不良問題，粉煤灰與鋼渣粉復合還可以改善單摻鋼渣粉混凝土的工作性能。將鋼渣粉和礦渣粉摻在一起，既可以發揮鋼渣粉的優點，降低早期水化熱、促進水泥的后期水化，又可以用礦渣粉來彌補鋼渣粉的缺點，從而獲得性能良好的復合礦物摻合料。基于以上原因，因此將不同的摻合料(粉煤灰、礦粉)分別與鋼渣粉進行復合微粉來配制鋼渣混凝土，根據現代復合材料理論，在本文主要研究了鋼渣粉與粉煤灰、鋼渣粉與礦粉二元復合配制混凝土的工作性能和力學性能，分析比較了不同礦物摻合料之間的復合超疊加效應。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

(1)水泥:江西萬年青水泥有限公司生產的P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥。

(2)鋼渣粉:江西新余鋼鐵廠分選后陳化一年的磨細鋼渣粉，密度為3.26g/cm3，比表面積為450m2/kg，活性指數75%，流動度比94%。

(3)粉煤灰:江西貴溪電廠Ⅱ類粉煤灰，細度為45μm，篩余18.6%，需水量比為100%，密度2.52g/cm3。

(4)礦粉:采用新余鋼鐵廠冶煉生鐵時排放的S95 級粒化高爐礦渣，密度2.86g/cm3，比表面積420m2/kg，28d 活性指數97%，流動度比100%。

(5)粗骨料:采用5-25mm 粒徑的連續級配的碎石。

(6)細骨料:采用細度模數為2.8 的天然河砂。

(7)減水劑:采用江西迪特科技有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，固含量10%，減水率20%，推薦摻量為膠凝材料總量的1.1%-1.3%。

2.2 試驗方法

試驗采用鋼渣粉與粉煤灰(礦粉)復合微粉不同摻量取代水泥配制C30 強度等級混凝土，進行混凝土工作性和力學性能試驗研究。混凝土工作性能按照《普通混凝土拌合物試驗方法標準》(GB/T 50080-2002)國家標準規定進行，混凝土力學性能按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)國家標準規定進行。

2.3 試驗配合比

試驗水膠比設定為0.45、膠凝材料總量為360kg/m3，外加劑摻量為1.2%，本試驗將鋼渣粉與粉煤灰(礦粉)按1∶1 復合，以0-40%復合摻量取代水泥配制C30 鋼渣粉煤灰(礦粉)復合微粉混凝土的工作性能及力學性能。試驗配合比如表1、表2 所示。

表1 鋼渣粉煤灰復合微粉混凝土試驗配合比 (kg/m3)

表2 鋼渣礦粉復合微粉混凝土試驗配合比 (kg/m3)

3 試驗結果及分析

3.1 鋼渣粉與粉煤灰復合摻量對混凝土工作性及力學性能的影響

按基本配合比用鋼渣粉和粉煤灰按1∶1 復合取代0-40%水泥配制混凝土的工作性能及力學性能如表3 及圖1、2 所示。

表3 復摻鋼渣粉與粉煤灰混凝土的工作性能及力學性能

圖1 復摻鋼渣粉—粉煤灰復合微粉混凝土的工作性能

圖1 中鋼渣粉煤灰復合微粉混凝土的工作性能實驗結果表明，鋼渣粉中復合50%粉煤灰后配制混凝土的工作性能比鋼渣粉單獨配制混凝土工作性好，混凝土的初始坍落度有明顯提高，60 分鐘后的坍落度也略有提高。

圖2 復摻鋼渣粉-粉煤灰復合微粉混凝土的力學性能

圖2 中鋼渣粉煤灰復合微粉混凝土的力學性能實驗結果表明，混凝土的強度隨著粉煤灰與鋼渣粉復合摻量增加而下降，當摻量在30%以后，28d 抗壓強度下降明顯，并且所配制的C30 混凝土達不到強度等級要求。粉煤灰同樣也降低了單摻鋼渣粉混凝土的7 天強度，但28 天強度略比單摻鋼渣粉小幅提升，但低于復合鋼渣粉礦粉混凝土強度。因此，鋼渣粉與粉煤灰復摻的最佳摻量范圍為20-30%。

3.2 鋼渣粉與礦粉復合摻量對混凝土工作性能及力學性能的影響

按基本配合比用鋼渣粉和礦渣粉按1∶1 復合取代0-40%水泥配制混凝土的工作性能及力學性能如表4 及圖3、4 所示。

表4 復摻鋼渣粉與礦粉混凝土的工作性能及力學性能

圖3 中混凝土工作性試驗結果表明，混凝土的初始坍落度與60 分鐘后的坍落度隨鋼渣粉與礦粉復合摻量增加而增加，混凝土的60 分鐘坍落度損失隨鋼渣粉與礦粉復合摻量提高有明顯減小趨勢，這表明在鋼渣粉與礦粉的復合摻量不僅能改善混凝土坍落度，還能減少混凝土的坍落度損失，這與單摻鋼渣粉對混凝土工作性能影響相似。

圖3 復摻鋼渣粉-礦粉混凝土的工作性能

圖4 復摻鋼渣粉-礦粉混凝土的力學性能

從圖4 可知，鋼渣粉與礦粉的復合最佳摻量為30%，當摻量高于30%時混凝土的28 天強度明顯下降;鋼渣粉中復合了50%礦渣粉后，較單摻鋼渣，混凝土的7 天強度僅略有降低，28 天強度比單摻鋼渣粉明顯提升，即礦粉在一定程度上增加了混凝土后期強度的遞增率，而且這種遞增作用隨礦粉摻量的提高而提高。

4 結論

(1)復摻粉煤灰可以改善單摻鋼渣粉混凝土工作性能，鋼渣粉中復合50%粉煤灰后復合微粉混凝土的7 天強度比鋼渣粉單獨配制混凝土的強度低，但其28 天強度已略微超過鋼渣粉單獨配制混凝土的強度。粉煤灰雖降低了單摻鋼渣粉混凝土的早期強度，但卻能提高單摻鋼渣粉混凝土的后期強度遞增率。

(2)鋼渣粉與礦渣粉有較好的復合效應，鋼渣粉中復合礦渣粉可改善單摻鋼渣粉混凝土的工作性能，雖在一定程度上降低單摻鋼渣粉混凝土的早期強度，但卻增加了混凝土的后期強度增長率。

(3)綜上考慮，鋼渣粉與粉煤灰復摻的最佳摻量范圍為20-30%，鋼渣粉與礦粉的復合最佳摻量為30%，所配制的鋼渣粉與粉煤灰(礦粉)復合微粉混凝土的性能最佳。

［1］楊波，史林.鋼渣混凝土研究現狀分析［J］.中國新技術新產品，2011，19(3):61-65。

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

［3］朱航.鋼渣礦粉的制備及其在水泥混凝土中的應用研究［J］.武漢理工大學學報，2005，(1).

［4］孫家瑛.鋼渣微粉對混凝土抗壓強度和耐久性的影響［J］.建筑材料學報，2005，8(1):63-66.

［5］陳益民，賀行洋，李永鑫，等.礦物摻合料研究進展及存在的問題［J］.材料導報，2006(8):8-31.