新型輕質鋼渣加氣混凝土的實驗研究

劉 星，李小華，曾 智，蘇 歡，李文菁

(湖南工程學院建筑工程學院，湘潭 411104)

0 引 言

隨著“十三五”期間鋼鐵行業發展目標的鎖定，大力促進鋼鐵行業綠色發展被進一步提上日程，鋼渣作為煉鋼生產的附屬產品，如何更有效、更節能地綜合利用始終是鋼鐵行業關注的焦點。2016年我國粗鋼產量約為8.08億噸，其中鋼渣產量約為0.65億～1.2億噸,每煉1噸鋼將產生125～140千克鋼渣。大量廢棄的鋼渣堆疊成山，嚴重威脅生態環境安全，也逐漸成為鋼鐵行業生存發展的瓶頸，不僅占用土地，污染周邊的空氣與河流，而且浪費了大量資源。鋼渣的種類繁多，成分、性能不盡相同，處理后的鋼渣綜合利用率約25%，鋼鐵行業作為一個固體廢棄物排出量較大的行業，鋼渣治理程度直接影響到環境治理水平，合理利用鋼渣不僅能變廢為寶，也可以保護環境，因此鋼渣的資源化利用具有重大意義，同時相關方面的研究符合國家的產業政策，有廣闊的發展前景[1-3]。

近年來，我國對墻體材料生產技術革新力度的加大以及人們對于綠色環保概念理解的進一步加強，粘土磚的應用逐步受到禁限，低污染、低消耗的加氣混凝土砌塊正逐步成為建筑材料市場的主力軍[4]。采用免蒸壓工藝生產加氣混凝土具有獨特的發展優勢，不僅減少了傳統加氣混凝土在生產過程中煤能源的消耗，節約了能源，同時又減少了對大氣的污染。但是免蒸壓技術還不是很成熟，各種廢渣的制備流程也有較大差異。孫正等[5]在自然養護的條件下，采用水泥-石灰-粉煤灰體系，研究了陶粒、礦渣對加氣混凝土力學性能的影響，并用堿激發劑使強度級別達到了A05級別。傅鳴放[6]利用粉煤灰、礦渣在免蒸壓條件下制備加氣混凝土，結果顯示制品干密度等級和強度等級皆可滿足GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》B05級加氣混凝土要求。李春等[7]利用鉬尾礦制備出抗壓強度為3.1 MPa,干密度為660 kg/m3的免蒸壓加氣混凝土，并發現礦渣的摻入可顯著提高加氣混凝土的抗壓強度。江曉君等[8]對堿激發磷渣制備加氣混凝土的方法進行研究，在免蒸壓的條件下成功制備出抗壓強度高達11.9 MPa，干密度為806 kg/m3的加氣混凝土。以上實驗都是在免蒸壓工藝下利用粉煤灰和一些金屬尾礦制備加氣混凝土，鋼渣微粉化學成分和顆粒粒徑都與之相似，說明利用鋼渣制備加氣混凝土具有一定的可行性，但在免蒸壓條件下，利用鋼渣微粉制作加氣混凝土的研究幾乎沒有。為了提高廢棄鋼渣、礦渣的回收利用，本研究利用正交分析法研究了鋼渣、礦渣、粉煤灰摻量和堿分量對加氣混凝土抗壓強度的影響，并制備出輕質保溫的綠色混凝土材料。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料

鋼渣微粉：湘潭玉峰新材料有限公司生產，比表面積為400 m2/kg，鋼渣堿度為2.29，為中堿度鋼渣。其主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、RO(鎂、鐵、錳的氧化物，即FeO、MgO、MnO 形成的固熔體)、游離石灰(f-CaO)等。鋼渣的礦物組成不盡相同，其影響因素在于鋼渣本身的化學成分及堿度。

其他膠凝材料：S95級礦渣微粉，宜興恒旺環保公司生產，比表面積為400 m2/kg，堿性系數為1.05；硅酸鹽水泥，湖南寧鄉南方水泥有限公司生產，強度等級42.5R，比表面積為300 m2/kg；脫硫石膏，常德冠宏石膏科技有限公司生產，SO3含量為42.2%，含水量為7%；粉煤灰，河北京航礦產品有限公司生產，試驗用Ⅰ級粉煤灰，比表面積為400 m2/kg；生石灰，長沙振湘石灰石礦有限公司生產，有效鈣含量為83.1%，消解溫度為90 ℃。

主要膠凝材料化學成分如表1所示。

表1 膠凝材料的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of cementitious materials /%

1.1.2 添加劑

水玻璃：一種常用的化學堿激發劑，用來激發鋼渣、礦渣、粉煤灰的活性，其物理化學指標如表2所示。

表2 水玻璃的物理化學指標Table 2 Physical and chemical indicators of water glass

氫氧化鈉：片狀固體，用來調節水玻璃模數。

無水硫酸鈉、三乙醇胺：純度均為99.9%,作為混凝土的早強劑，兩者復合使用可有效提高混凝土的早期強度。

穩泡劑：采用α-稀基磺酸鈉作為穩泡劑，有利于提高形成泡沫的穩定性，具有改善加氣混凝土孔結構的作用。

減水劑：采用聚羥酸系高性能減水劑，可以減少用水量，改善漿料的流動性，或減少單位水泥用量，節約水泥[9]。

加氣劑：采用GLS-65-05型加氣鋁粉膏。

1.2 實驗方案

1.2.1 正交方案

(1)正交因素

鋼渣微粉和礦渣微粉作為水泥混合材料時有很好的復合反應，礦渣可有效消除由鋼渣微粉中少量游離氧化鈣引起的安定性問題，同時鋼渣水化后產生的氫氧化鈣也可激發礦渣微粉的活性，在提高礦渣堿性反應條件的同時也降低了試件初始的孔隙率[10]。粉煤灰作為膠凝材料的一種，其表面相對光滑，可以增加料漿流動性，調節料漿稠化速率[11]。

采用水玻璃來激發鋼渣及礦渣活性，氫氧化鈉來調節水玻璃模數，同時在水泥硬化過程中,氫氧化鈉起著催化作用，使水泥中的硅鋁酸鹽溶解形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉，有利于增加混凝土強度[12]。

綜上所述，采用鋼渣摻量、礦渣摻量、粉煤灰摻量、堿含量作為四個正交因素，同時每個因素設計三個水平，如表3所示。

表3 正交試驗因素表Table 3 Orthogonal experiment factors table

(2)正交配合比

根據文獻[13-14]確定原始水膠比為0.48，引氣劑摻量為0.1%，鋼渣摻量、礦渣摻量、粉煤灰摻量、堿含量以占材料總量的百分比表示，以水泥作為補充材料。正交試驗方案如表4所示。

表4 正交試驗方案Table 4 Orthogonal experiment scheme

(3)單因素控制配合比

通過上述正交試驗得到加氣混凝土優化配比，僅改變鋁粉摻量與水料比，研究其對鋼渣加氣混凝土性能的影響，并探究干密度與抗壓強度之間的關系，具體試驗方案如表5所示。

表5 單因素控制試驗方案Table 5 Single-factor control experiment scheme

1.2.2 試件制備

(1)堿含量的計算

堿含量是水玻璃中Na2O含量占材料總量的百分比，不同模數的水玻璃中Na2O含量不同，因而要計算堿含量必須先確定水玻璃模數。根據文獻[12]選用模數為1.6的水玻璃作為堿激發劑為宜。由表2可知，所購買水玻璃模數為3.26，則需使用氫氧化鈉對其模數進行調節后使用，具體調節公式如下[15]：

(1)

(2)

(3)

調節后可得公式如下：

(4)

可以計算出調節后水玻璃中Na2O的含量為11.09%，則根據材料總量與堿含量的百分比可確定需要加入的水玻璃質量與調節模數所需NaOH的質量。

(2)制備工藝

①將鋼渣微粉、礦渣、粉煤灰按照正交設計配合比配制，保持石灰6%、脫硫石膏5%、減水劑1%、硫酸鈉3%不變，水泥作為補充調料，按照比例進行攪拌干混2 min。

②將0.1%鋁粉、0.02%穩泡劑、0.06%三乙醇胺,加入5%水中(水溫為50 ℃)制成懸浮液。

③將水玻璃和氫氧化鈉溶入95%水中，攪拌均勻，并調配至實驗溫度50 ℃。

④將加有水玻璃的堿溶液倒入攪拌機中攪拌2～3 min。

⑤將含有鋁粉、穩泡劑、三乙醇胺的懸浮液，倒入料漿中攪拌45 s。

⑥將制備好的漿料倒入100 mm×100 mm×100 mm的三聯模中澆筑成型。

⑦放入60 ℃熱濕養護箱中發氣加預養護12～18 h后脫模。

⑧在60 ℃熱濕養護箱中進行熱濕養護28 d后，按GB/T 11968—2008 《加氣混凝土性能試驗方法》進行試塊的干密度和抗壓強度測試。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

養護28 d后抗壓強度測試結果如表6所示。

表6 正交試驗抗壓強度Table 6 Orthogonal experimental compressive strength /MPa

圖1為不同因素水平抗壓強度變化圖，由圖可知，四個正交因素對鋼渣加氣混凝土抗壓強度影響順序為：堿含量>鋼渣摻量>礦渣摻量>粉煤灰摻量，堿含量的大小影響程度最顯著，這是因為適當的堿含量可促使水化體系形成良好的堿環境，有利于膠凝體系中玻璃體逐漸解體后又重新縮聚形成沸石類水化產物，從而使加氣混凝土強度上升[16]。鋼渣的影響程度僅次于堿含量，影響程度同樣顯著，這是由于硅酸二鈣水化較慢，較多的鋼渣不利于早期強度的提高，也會增加初期養護的時間，不利于生產，再者鋼渣膠凝性相對較弱，鋼渣摻量超過一定值時，無法和礦渣發生較好的復合反應，水化速度變慢，水化程度也大大降低，也會使抗壓強度大大降低[17]。

圖1 不同因素水平抗壓強度變化圖Fig.1 Variation of compressive strength at different factor levels

2.2 方差分析

在表6和圖1的基礎上，為了證實各個因素對混凝土抗壓強度的影響程度，對其進行了方差分析，如表7所示。

表7 抗壓強度方差分析Table 7 Analysis of variance of compressive strength

由表7分析可得，因素A、因素B、因素D對混凝土加氣抗壓強度影響程度高，較小的變化也能改變加氣混凝土的抗壓強度。其中，堿含量影響程度最高，鋼渣摻量也有較為明顯的影響，同時也證實了之前圖表分析的準確性。

2.3 鋼渣加氣混凝土干密度與抗壓強度關系

2.3.1 鋁粉摻量與水料比對加氣混凝土性能影響

鋁粉摻量和水料比的大小對試塊發氣速度、發氣高度、氣孔結構和分布、澆筑穩定性都有著很大的影響，同時也是試件抗壓強度、干密度的重要影響因素[18]?？刂茖嶒炂渌蛩夭蛔儯瑑H改變水料比與鋁粉摻量，圖2～圖3分別為養護28 d后水料比、鋁粉摻量對加氣混凝土性能的影響。

圖3 鋁粉摻量對試件抗壓強度及干密度的影響Fig.3 Effect of aluminum powder content on compressive strength and dry density of specimens

從圖2中可以看到，水料比為0.36時，試件抗壓強度低，干密度較高，這是因為漿料中水分太少，漿料稠化速率遠大于發氣速率，此時加氣混凝土水化條件差，同時會導致料漿憋氣，甚至出現難以攪拌的現象，試件干密度和抗壓強度均會受到影響。當水料比在一定的范圍(0.44～0.52)時,發氣速率和稠化速率匹配度高,試件的抗壓強度和干密度均比較理想,因為料漿中有充足的水分保證水化反應進行,且制品硬化以后內部殘留的水分少,多余的水分形成的毛細孔也少,制品比較密實,強度較高。水料比大于0.52時，稠化速率遠小于發氣速率，會導致塌?，F象產生，且料漿硬化以后殘留的水分多,這些多余的水分在制品內部會形成較多孔道,使制品的強度降低。同時料漿稠化速度慢,使氣泡不能在料漿中保存,也會導致制品的體積密度增加。因此，可以看出當水料比為0.48時，料漿澆筑穩定，形成的孔結構良好，制品性能較好[19]。

圖2 水料比對試件抗壓強度及干密度的影響Fig.2 Effect of water-material ratio on compressive strength and dry density of specimens

圖3為鋁粉摻量對堿激發鋼渣加氣混凝土抗壓強度和干密度的影響，當鋁粉摻量小于0.1%時，加氣混凝土干密度隨著鋁粉摻量增加而減小，而抗壓強度變化不大。主要原因是由于引氣量過小，料漿稠化速率過快，從而導致部分料漿未參加水化反應，但試件仍具有一定的抗壓強度。當鋁粉摻量大于0.1%時，發氣過程中料漿的發氣速率過快，氣泡會逐漸變大并從加氣混凝土表面逸出，隨著鋁粉摻量的進一步增加，甚至會導致出現塌?，F象，從而使抗壓強度驟減。

綜上所述，結合正交試驗設計配合比可得最優化配比，即鋼渣∶礦渣∶粉煤灰∶其他膠凝材料∶添加劑=0.3∶0.26∶0.12∶0.28∶0.041，堿含量6%，水料比0.48，鋁粉摻量0.1%。此時混凝土抗壓強度為3.43MPa,其性能最佳，可實現輕質保溫。

2.3.2 鋼渣加氣混凝土干密度與抗壓強度關系

為探究加氣混凝土干密度和抗壓強度之間的聯系，對養護28 d后的加氣混凝土性能曲線進行擬合，可得如下方程：

Y=-4.02×10-7X3+0.7×10-3X2-0.395X+73.19

(5)

Y=-1.05×X-2+0.021 8X-7.115

(6)

式(5)為鋁粉摻量改變加氣混凝土干密度與抗壓強度關系曲線方程，式(6)為水料比改變加氣混凝土干密度與抗壓強度關系曲線方程，式中，X為干密度，Y為壓強。綜上可知，隨著鋼渣加氣混凝土干密度的增加，抗壓強度都呈現上升的趨勢，且干密度與抗壓強度之間是非線性關系，并通過擬合可大致推斷出同配方兩種情況下的抗壓強度。

3 結 論

(1)四個正交因素對免蒸壓鋼渣加氣混凝土抗壓強度影響順序為：堿含量>鋼渣摻量>礦渣摻量>粉煤灰摻量，其中堿含量與鋼渣摻量對其影響最為顯著。

(2)無論改變水料比還是鋁粉摻量，隨著免蒸壓鋼渣加氣混凝土干密度的增加，抗壓強度都呈現上升的趨勢，且干密度與抗壓強度之間是非線性關系。

(3)通過實驗結果分析可得免蒸壓鋼渣加氣混凝土最優化配比，即鋼渣∶礦渣∶粉煤灰∶其他膠凝材料∶添加劑=0.3∶0.26∶0.12∶0.28∶0.041，堿含量6%，水料比0.48，鋁粉摻量0.1%。此時混凝土性能最佳，可實現輕質保溫。