鋼渣微粉水化性能研究

李鴻軻,付二全,任彥飛,陳美祝,慕維東,尹寶灃

(1.內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司,呼和浩特010050；2.武漢理工大學,武漢430070)

我國粗鋼年產量接近10億t,鋼渣是煉鋼的副產品,我國每年會產生超過1億噸的鋼渣,但利用率卻不到30%,剩余大量鋼渣堆積不僅造成土地資源浪費,也是環境污染的源頭之一[1,2]。因此,鋼渣處理和資源化利用任務相當艱巨,如何規模化有效利用產量巨大的廢棄鋼渣,是我國降低環境污染、實現綠色發展亟待解決的問題[3]。鋼渣與水泥熟料有相似的礦物組成和化學成分,是一種具有潛在活性的膠凝材料[4,5]。不少研究人員在鋼渣作為水泥或者礦粉的替代物應用于水泥混凝土方面做了大量研究,均表明鋼渣微粉摻入水泥中是可行的[6-11]。

該文對鋼渣微粉摻入水泥中組成復合膠凝材料進行了砂漿實驗與水化熱實驗,對鋼渣微粉潛在膠凝性的發展進行了探究,對進一步開發鋼渣膠凝活性及其推廣應用具有指導意義。

1 實 驗

1.1 原材料

鋼渣:內蒙包頭鋼鐵集團有限責任公司生產的熱悶鋼渣,鋼渣的化學組成見表1。將粒徑為10～20 mm的鋼渣投入水泥熟料球磨機中,粉磨30 min,得到的粉末通過9 mm 的方孔篩,即為試驗所用的鋼渣微粉,其比表面積為467.8 m2/g。水泥:安徽海螺水泥公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥。標準砂:廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO 標準砂。

表1 包鋼鋼渣化學組成 w/%

1.2 方法

砂漿成型和流動度測試參照規范《JGJ70—2009建筑砂漿基本性能試驗方法》執行。砂漿抗折抗壓強度測試參照規范《JGJ70—2009建筑砂漿基本性能試驗方法》執行。使用法國SETARAM 公司生產的C80微量熱儀,測試鋼渣微粉和水泥的3 d水化熱。

鋼渣微粉摻入水泥中的摻量分別為0,10%,20%,30%,40%,50%(鋼渣粉摻入水泥的摻量一般是30%,左右各偏移2個10%取點,0作對照)。砂漿實驗的水膠比為0.5,實驗編號與膠凝體系的組成如表2所示。

表2 試驗編號與膠凝體系組成

2 結果與討論

2.1 砂漿流動度

鋼渣微粉摻量對砂漿流動度的影響見圖1。可以看出,鋼渣微粉的摻入不會降低水泥砂漿的流動性,相反,隨著鋼渣微粉摻量的增加,水泥砂漿的流動度有增大趨勢,二者正相關。

2.2 砂漿抗折強度與抗壓強度

鋼渣微粉摻量對砂漿抗折強度、抗壓強度的影響見圖2、圖3。可以看出,無論什么齡期,隨著鋼渣微粉的摻入,水泥砂漿的抗折強度與抗壓強度都隨著摻量的增加而降低。

為了研究鋼渣微粉對水泥-鋼渣微粉復合膠凝體系的膠凝性能的影響,將純水泥砂漿的抗壓強度作為標準參考值,設為100%,分析其他試樣抗壓強度與純水泥砂漿抗壓強度的比值。

水化齡期對抗壓強度比的影響見圖4。可以看出,鋼渣微粉摻入到水泥中,砂漿抗壓強度比隨著水化時間的增加逐漸增大,這說明無論摻量多少,隨著水化的進行,鋼渣微粉的潛在膠凝性被激發,鋼渣微粉的潛在膠凝性在水化后期要優于水泥。摻入30%鋼渣微粉時,其砂漿28 d抗壓強度僅為純水泥砂漿28 d抗壓強度的74.8%,達到二級鋼渣粉的活性標準。

2.3 砂漿的折壓比

砂漿的折壓比定義為各個齡期,砂漿的抗折強度與抗壓強度的比值,反映了砂漿的韌性。

鋼渣微粉摻量對砂漿折壓比的影響見圖5。隨著鋼渣微粉的摻入,砂漿的折壓比呈增大趨勢。這說明,無論在什么水化齡期,鋼渣微粉的摻入會提高水泥砂漿的韌性,且摻量越高,韌性提高就越多。

2.4 水化熱

水泥和鋼渣微粉3 d水化熱曲線見圖6,作曲線積分處理,得到水泥的3 d水化放熱量為220.309 J/g,鋼渣微粉的3 d水化放熱量為29.182 J/g,僅為水泥3 d水化放熱量的1/9。鋼渣微粉作為膠凝材料摻入水泥中,可以降低水泥水化熱,緩解水泥水化熱過高帶來的混凝土溫度收縮問題,從而可以應用于大體積混凝土。

3 結 論

鋼渣微粉摻入水泥中,會降低水泥砂漿的抗折抗壓強度,但可以增加砂漿流動度,增加砂漿的折壓比,提高砂漿的韌性。鋼渣微粉的潛在膠凝性隨著水化的進行逐漸被激發。鋼渣微粉摻入水泥中,可以大幅降低水泥水化熱。