鋼渣應用于復合礦物摻合料的性能研究

楊澤波，劉勇，王海龍

（1. 武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430083； 2. 武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430083）

0 前言

近年來，隨著施工要求及施工環境對混凝土性能的需求不斷提高、政府對環境保護的要求日益嚴苛、各地礦物資源的不平衡等因素，使混凝土用復合礦物摻合料多元化趨勢越來越明顯。復合礦物摻合料為混凝土技術的進步開辟了一個新的途徑，尤其在我國西南、西北等資源比較匱乏的地區，可以直接就地取材當地豐富的硅灰、鋼渣等礦物進行復配后生產滿足標準要求的復合礦物摻合料。

鋼渣是鋼鐵生產過程中的副產品，有數據表明，每生產 1 噸鋼鐵就會產生 0.13～0.14 噸鋼渣。作為大宗工業固體廢棄物，鋼渣不僅對環境造成污染，對人們的生產生活也產生了不良影響[1]。近幾年我國一直倡導固體廢棄物的資源化利用，對鋼渣的研究也逐漸深入，但是綜合利用率遠遠低于發達國家[2]。

鋼渣主要由三種成分組成，分別為硅酸鹽相、鐵相和 RO 相（氧化物固溶相），具有一定的膠凝活性[3]，除鐵后粉磨可與其他摻合料復配，制備復合礦物摻合料。GB/T 51003—2014《礦物摻合料應用技術規范》和JG/T 486—2015《混凝土用復合摻合料》對鋼渣在復合礦物摻合料中的使用做了明確規定。本文研究了鋼渣的性能與比表面積的關系，以及普通鋼渣與超細鋼渣在不同摻量條件下對復合礦物摻合料性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗原材料

鋼渣粉由鑫源公司生產，比表面積為 400m2/kg，鋼渣的化學組成見表 1；礦渣粉為武鋼生產的水渣，粉煤灰為武漢青山電廠Ⅱ級粉煤灰，石膏為安徽恒泰公司生產；水泥為符合 GB 8076—2008《混凝土外加劑》要求的基準水泥；砂為符合 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》要求的標準砂。試驗所用原材料化學分析見表 1。

表1 試驗所用原材料化學分析表 %

1.2 試驗方法

將原鋼渣粉、礦粉、粉煤灰分別在小型球磨機中粉磨一定時間，利用丹東百特儀器有限公司生產的 BT-2001 激光粒度分析儀分析粉磨鋼渣的比表面積，得到不同比表面積的鋼渣粉、礦粉以及粉煤灰，研究鋼渣與礦粉和粉煤灰易磨性的差異；將比表面積為 400m2/kg、500m2/kg、600m2/kg 及 700m2/kg 的鋼渣粉與基準水泥按 3:7 復配后按標稠用水量進行安定性試驗，然后檢測不同比表面積鋼渣的活性，研究比表面積對鋼渣性能的影響；最后，利用兩種比表面積的鋼渣分別與其相對應比表面積的礦粉、粉煤灰、石膏進行復配，研究不同比表面積條件下，不同鋼渣摻量對復合礦物摻合料性能的影響。

2 結果與討論

2.1 鋼渣粉的易磨性

初始比表面積相近的條件下，鋼渣粉與礦粉和粉煤灰的易磨性對比見表 2。

表2 鋼渣與礦粉和粉煤灰易磨性對比 m2/kg

從易磨性來看，初始比表面積相近的前提下，粉磨時間相同時，粉煤灰最易粉磨，礦粉次之，鋼渣易磨性最差。原因是雖然試驗所用鋼渣已經經過除鐵處理，鋼渣內仍然含有大量的鐵相。從礦粉、粉煤灰和鋼渣的粉磨程度隨粉磨時間的變化趨勢來看，三者變化趨勢類似，粉磨時間為 40min 之前粉磨速度較快，但粉磨時間 40min 以后，粉磨速度趨于平緩，這是原材料性質和球磨機兩者綜合原因所致。

2.2 鋼渣粉的比表面積對其性能指標的影響

2.2.1 鋼渣粉的比表面積對標準稠度用水量影響

GB/T 20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》中明確了鋼渣粉對安定性的要求，在利用鋼渣粉作為摻合料使用前，必須保證沸煮法和壓蒸法安定性合格，其中，6h 壓蒸膨脹率須≤0.5%。試驗選用比表面積為 400m2/kg、500m2/kg、600m2/kg 和 700m2/kg 的鋼渣粉按 GB/T 750—1992《水泥壓蒸安定性試驗方法》進行安定性試驗，粉體質量為 500g，其中鋼渣粉與基準水泥比例為 3:7，記錄達到標準稠度（維卡儀試桿沉入凈漿并距底板 6mm±1mm 時）狀態時各比表面積鋼渣的需水量，各比表面積鋼渣粉標準稠度用水量見表 3。

表3 不同比表面積鋼渣凈漿達到 標準稠度狀態時的用水量

一般研究認為，粉體需水量應隨其比表面積升高而降低，比表面積至 700m2/kg 的超細鋼渣需水量應遠高于水泥。但本試驗結果顯示，隨著鋼渣粉比表面積的增大，標準稠度用水量越來越小，說明磨細鋼渣粉具有一定的減水作用。這可能的原因在于，磨細鋼渣粉粒徑分布較窄，絕大部分位于 1～10μm 區間，真正小于 1μm 的超細粉含量實則不多。而據粉體 Horsfield 填充模型可知，1～10μm 的顆?？梢蕴畛溆谒囝w粒孔隙間，從而釋放出大量絮凝結構中的水分，因而對流動性能略有增大。當比表面積大于 700m2/kg 時，鋼渣粉的標準稠度用水量可能會增大，此結論有待進一步研究。

2.2.2 鋼渣粉的比表面積對壓蒸安定性的影響

各比表面積鋼渣粉的 6h 壓蒸膨脹率見表 4。

由表 4 可知，鋼渣粉的比表面積越大，其 6h 壓蒸膨脹率越大，因此，鋼渣粉應用于復合礦物摻合料時并不是比表面積越大效果越好，應當在安定性合格的前提下選擇最佳粒徑分布的鋼渣。本研究所用鋼渣安定性符合標準要求。

表4 不同比表面積鋼渣安定性

2.3 鋼渣粉的比表面積對膠砂活性的影響

鋼渣粉活性指數試驗選用比表面積為 400m2/kg、500m2/kg、600m2/kg 和 700m2/kg的鋼渣粉，按 GB/T 51003—2014《礦物摻合料應用技術規范》進行，其中鋼渣粉和基準水泥質量比為 3:7。鋼渣 7d、14d、28d 和60d 膠砂活性趨勢見表 5 和圖 1。

表5 不同比表面積鋼渣膠砂活性 %

圖1 鋼渣比表面積與鋼渣活性的關系

由表 5 和圖 1 可知，鋼渣 7d 及 14d 活性指數隨比表面積增大變化不明顯，說明鋼渣比表面積對膠砂早期強度影響較小，但 28d 及 60d 活性指數隨著比表面積的增大先升高后降低，比表面積為 600m2/kg 時鋼渣粉 28d 活性最高，原因可能是鋼渣比表面積越大，早期發生反應的細顆粒越多，水化反應越迅速，其表現的活性越高，但比表面積繼續增大至 700m2/kg 后，由于早期反應過快，導致后期強度增長放緩。

2.4 鋼渣摻量對復合礦物摻合料性能的影響

目前主要應用的復合礦物摻合料分為兩種，一種是普通復合礦物摻合料（比表面積為 400～500m2/kg），一種是超細復合礦物摻合料（比表面積≥650m2/kg），其中，超細復合礦物摻合料可以增加粉體顆粒表面能及表面活性，充分發揮形態效應、填充效應、和微集料效應，另一方面使活性礦物摻合料中玻璃體含有的大量 Si-O、Al-O 鍵發生斷裂，相對于普通復合礦物摻合料更具反應活性。

本試驗選擇普通復合礦物摻合料，配比為礦粉:粉煤灰:石膏=20:70:10，及超細復合礦物摻合料，配比為礦粉:粉煤灰:石膏 = 45:50:5。用比表面積為 400m2/kg 的鋼渣取代普通復合礦物摻合料中不同量的粉煤灰，用比表面積為 700m2/kg 的鋼渣取代超細復合礦物摻合料中不同量的粉煤灰，分別進行膠砂活性試驗，研究鋼渣對復合礦物摻合料膠砂性能的影響。

2.4.1 鋼渣摻量對普通復合礦物摻合料膠砂活性的影響

本試驗對照組為空白基準水泥，試驗水膠比為 0.5，試驗方法為用比表面積為 400m2/kg 的鋼渣取代普通復合礦物摻合料中 0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70% 的粉煤灰，普通復合礦物摻合料與基準水泥質量比為 5:5，檢驗不同摻量鋼渣的活性指數，試驗結果見表 6 和圖 2。

由表 6 和圖 2 結果可知，當比表面積為 400m2/kg 的鋼渣取代不同摻量的普通復合礦物摻合料中的粉煤灰時，7d、14d 活性指數先增大后減小，28d 活性指數呈線性增大趨勢，說明適當摻量條件下，鋼渣粉在普通復合礦物摻合料中的活性高于粉煤灰，因此可以適量提高鋼渣粉的摻量以激發普通復合礦物摻合料活性。

圖2 鋼渣摻量與普通復合礦物摻合料活性的關系

表6 不同鋼渣摻量普通復合礦物摻合料活性 %

2.4.2 鋼渣摻量對超細復合礦物摻合料膠砂活性的影響

本試驗對照組為空白基準水泥，試驗水膠比為0.5，試驗方法為用比表面積為 700m2/kg 的鋼渣取代超細復合礦物摻合料中 0%、10%、20%、30%、40%、50% 的粉煤灰，超細復合礦物摻合料與基準水泥質量比為 5:5，檢驗不同摻量鋼渣的活性指數，試驗結果見表 7 和圖 3。

由表 7 和圖 3 可知，當比表面積為 700m2/kg 的鋼渣取代不同摻量的超細復合礦物摻合料中的粉煤灰時，7d、14d 及 28d 活性指數均呈現先減小后增大的趨勢，其中超細鋼渣摻量小于 20% 時呈下降趨勢，超細鋼渣摻量為 20%～40% 時呈上升趨勢，鋼渣摻量大于 40% 時活性指數基本不變。這與鋼渣摻入普通復合礦物摻合料中所呈現的規律不同。

圖3 鋼渣摻量與超細復合礦物摻合料活性的關系

表7 不同鋼渣摻量超細復合礦物摻合料活性

分析原因可能是鋼渣取代粉煤灰摻入，當摻量小于 20% 時，超細復合礦物摻合料活性隨鋼渣含量增加而降低，這是由于少量的鋼渣摻入僅能起到微集料效應，且鋼渣活性比粉煤灰低，取代粉煤灰后導致摻合料強度下降；當鋼渣摻量為 20%～40% 時，超細復合礦物摻合料活性發展較快，說明合適的粉煤灰與鋼渣比例可以有效被水化環境產生的堿性物質激發，且具有相互促進水化的作用，從而使超細復合礦物摻合料活性提高；當繼續提高鋼渣摻量時，鋼渣含量占主導地位，此時超細復合礦物摻合料活性主要由鋼渣活性決定，因此超細復合礦物摻合料活性增長不明顯，甚至下降。

3 結論

（1）鋼渣粉的粉磨程度隨粉磨時間的變化趨勢與礦粉和粉煤灰類似，均是前期隨粉磨時間增加，比表面積增長較快，后期比表面積基本不變。從易磨性來看，雖然鋼渣粉經過了除鐵處理，但是易磨性相比礦粉和粉煤灰仍然差很多。

（2）普通鋼渣粉與超細鋼渣粉 6h 壓蒸安定性均符合標準要求，超細鋼渣粉相對于普通鋼渣粉來說，具有一定的減水作用，超細鋼渣粉的流動性優于普通鋼渣粉，而且 7d、14d、28d 膠砂活性均高于普通鋼渣粉。

（3）鋼渣摻入復合礦物摻合料中取代一定摻量的粉煤灰時，在普通復合礦物摻合料中 7d、14d 活性指數先增大后減小，28d 活性指數呈線性增大趨勢；在超細復合礦物摻合料 中 7d、14d 及 28d 活性指數均呈現先減小后增大的趨勢。在選用鋼渣作為復合礦物摻合料使用時，除考慮活性指數高低外還應綜合考慮安定性、易磨性等問題。