鋼渣微粉對水泥路用性能的影響研究

馬萬斌

（內蒙古交通投資（集團）有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010011）

1 引言

作為冶金工業中產生的工業廢棄物，鋼渣大約占到粗鋼產量的12%左右，我國鋼渣綜合利用率僅為30%左右，鋼渣尾渣累計堆存量超過18億t，占地20多萬畝，鋼渣的資源化利用成為當前亟待解決的技術問題［1］。國內外諸多學者針對鋼渣的綜合利用進行了多方面研究和開發。目前對鋼渣的利用途徑主要有：用于廢水治理［2］；作為堿性廢渣可以應用于酸性土壤土質改善，其中的氧化鈣、氧化鎂起到主要作用［3］；碳化鋼渣制建筑材料［4］；代替碎石和細骨料應用于道路工程［5-8］；利用粉煤灰和鋼渣，可制備以鈣、鐵灰石為主晶相的微晶玻璃［9］；替代石屑制作混凝土路面磚、混凝土空心砌塊［10,11］。除了上述應用，國內諸多學者將鋼渣研磨成粉應用于水泥混凝土工程中［12-14］，證實了鋼渣粉替代水泥實現鋼渣高值化利用的可能性。基于此，本文研究不同鋼渣粉摻量對鋼渣粉-水泥復合材料路用性能的影響規律，以期為鋼渣粉在水泥膠凝體系的深入應用提供一定借鑒。

2 原材料

選用鋼渣微粉為包鋼鋼渣經球磨25min 后過0.075mm 篩后所得，鋼渣為經過除鐵工藝處理且粒徑在4.75 mm 以下的熱悶渣，陳化時間超過2a。采用Axios advanced X 射線熒光光譜儀對鋼渣微粉試樣進行化學成份分析，具體結果見表1。采用TriStarⅡ3020 多通道比表面積及孔徑分析儀和Mastersizer 2000 激光粒度儀對其比表面積和粒度進行分析，測試結果見表2。

表1 鋼渣微粉化學成分

表2 鋼渣微粉比表面積和粒徑

3 試驗結果與分析

3.1 水化熱分析

不同摻量的鋼渣微粉對水泥水化熱的影響如圖1所示，加水5h～20h的礦物水化放熱峰里面，純水泥的放熱峰最高，開始最早，結束最晚。隨著鋼渣粉摻量的增加，礦物水化放熱峰峰高降低，開始時間滯后，結束時間提前。可以看出鋼渣微粉的水化程度較低，活性成分較水泥少。

圖1 鋼渣微粉對水泥水化熱的影響

3.2 標準稠度需水量

將鋼渣粉以不同摻量取代水泥時，由于鋼渣粉與水泥存在細度不一致性，使得其各自的工作性能存在較大差異。文章按照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346）開展相關性能試驗。不同鋼渣微粉摻量下，水泥標準稠度需水量變化規律如圖2所示。

分析圖2 可以看出，隨著鋼渣微粉摻配比例的提高，鋼渣微粉-水泥復合膠結材料的標準稠度用水量不斷減小；其中，當鋼渣微粉摻配比例達到50%時，鋼渣微粉-水泥復合膠結材料的標準稠度僅為0.264。分析主要原因在于，鋼渣微粉中含有較多微顆粒，隨著鋼渣微粉摻配比例的不斷增大，微顆粒占比不斷增多，而微顆粒在遇水反應時，顆粒發生團聚，導致未水化的微顆粒被包裹在團聚大顆粒內部，進而迫使鋼渣微粉水化進程受阻，從而標準稠度用水量逐漸降低［15］。

圖2 鋼渣微粉對復合膠凝材料標準稠度用水量的影響曲線

3.3 凝結時間

文章按照按《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346）開展凝結時間測試，測試結果如圖3所示。

圖3 鋼渣微粉對復合膠凝材料凝結時間的影響曲線

圖3 為鋼渣微粉對復合膠凝材料初凝、終凝時間的影響曲線。分析圖3可以看出，隨著鋼渣微粉摻配比例的提高，復合膠凝材料的初凝、終凝時間均呈現不斷增大的趨勢。分析主要原因在于：鋼渣微粉比表面積較大，含有較多微顆粒，遇水反應時，顆粒之間發生團聚效應，導致未水化的微顆粒被包裹在團聚大顆粒內部，進而迫使鋼渣微粉水化能力減弱，水化產物形成受阻，凝結時間延長［15］；隨著鋼渣微粉摻配比例的不斷增大，微顆粒含量不斷增多，復合膠凝材料凝結時間逐漸延長，但是鋼渣微粉摻入水泥之后凝結時間仍然符合規范標準。

3.4 安定性

鋼渣微粉應用于水泥膠凝體系過程中面臨的關鍵問題在于安定性方面，而影響鋼渣微粉安定性的關鍵因素在于鋼渣中含有一定量的游離氧化鈣和氧化鎂，二者在發生水化反應后產生體積膨脹，從而影響鋼渣微粉的體積安定性［16］。文章按照GB/T1346體積安定性的試餅法檢驗不同鋼渣微粉摻量的鋼渣-水泥復合膠凝材料的安定性［17］。鋼渣微粉摻量對水泥安定性的影響見表3。

表3 鋼渣微粉摻量對水泥安定性的影響

分析表3 可以看出，當摻量低于50%時，安定性檢測結果為合格，超過50%后，安定性檢測結果為不合格。因此，鋼渣微粉摻量要嚴格控制，不得高于40%。

3.5 砂漿性能

為了研究鋼渣微粉摻配比例對水泥膠砂流動度與強度的影響規律，文章按照膠砂比為1∶3，水膠比為0.5拌制膠砂樣品，并對膠砂的流動度與3d、7d、28d的抗壓強度、抗折強度進行測試，測試結果分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 鋼渣微粉對水泥膠砂流動度的影響曲線

圖5 鋼渣微粉對水泥膠砂抗壓強度的影響

圖6 鋼渣微粉對水泥膠砂抗折壓強度的影響

分析圖4 可以看出，隨著鋼渣微粉摻配比例的增加，水泥膠砂的流動度呈現先減小后增大的趨勢，當鋼渣微粉摻配比例為30%時出現峰值，之后出現顯著下降；當摻配比例為50%時，膠砂流動度僅為180mm，表明鋼渣微粉摻配比例不宜過高，對于流動度指標而言，30%為最佳摻量。

分析圖5、圖6可以發現，隨著鋼渣微粉摻配比例的增加，水泥膠砂的3d 與7d 的抗壓強度與抗折強度逐漸降低，降低趨勢逐漸趨緩，而28d 的抗壓強度與抗折強度均呈現先升高后降低的變化規律，且在鋼渣微粉摻配比例為20%時出現峰值，兩項強度指標甚至超過純水泥膠砂，表明鋼渣微粉的水化進程在水化初期進展較慢，對膠砂早期強度貢獻不足，隨著齡期的增長，水化進程不斷提速，水化產物不斷增多，對膠砂后期強度貢獻較大。

4 結語

鋼渣微粉的主要成分為SiO2、CaO 和Fe2O3，也有含一定含量的MgO；水化熱結果顯示鋼渣微粉的水化程度較低，活性成分較水泥少；鋼渣微粉的摻入降低了標準稠度用水量，延長了水泥凝結時間；在鋼渣粉摻量小于40%時，依據試餅法進行檢測的鋼渣粉-水泥復合材料的安定性結果合格；鋼渣微粉摻量為30%時，水泥膠砂流動度出現峰值，鋼渣微粉水化進程隨著齡期增長而不斷提速，對水泥膠砂的強度貢獻主要集中在后期。