鋼渣應(yīng)用于復(fù)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(zé)任公司，湖北 武漢 430083）

0 前言

近年來，隨著施工要求及施工環(huán)境對(duì)混凝土性能的需求不斷提高、政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)苛、各地礦物資源的不平衡等因素，使混凝土用復(fù)合礦物摻合料多元化趨勢(shì)越來越明顯。復(fù)合礦物摻合料為混凝土技術(shù)的進(jìn)步開辟了一個(gè)新的途徑，尤其在我國西南、西北等資源比較匱乏的地區(qū)，可以直接就地取材當(dāng)?shù)刎S富的硅灰、鋼渣等礦物進(jìn)行復(fù)配后生產(chǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的復(fù)合礦物摻合料。

鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，有數(shù)據(jù)表明，每生產(chǎn) 1 噸鋼鐵就會(huì)產(chǎn)生 0.13～0.14 噸鋼渣。作為大宗工業(yè)固體廢棄物，鋼渣不僅對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人們的生產(chǎn)生活也產(chǎn)生了不良影響[1]。近幾年我國一直倡導(dǎo)固體廢棄物的資源化利用，對(duì)鋼渣的研究也逐漸深入，但是綜合利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)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(fù)配，制備復(fù)合礦物摻合料。GB/T 51003—2014《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和JG/T 486—2015《混凝土用復(fù)合摻合料》對(duì)鋼渣在復(fù)合礦物摻合料中的使用做了明確規(guī)定。本文研究了鋼渣的性能與比表面積的關(guān)系，以及普通鋼渣與超細(xì)鋼渣在不同摻量條件下對(duì)復(fù)合礦物摻合料性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

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

表1 試驗(yàn)所用原材料化學(xué)分析表 %

1.2 試驗(yàn)方法

將原鋼渣粉、礦粉、粉煤灰分別在小型球磨機(jī)中粉磨一定時(shí)間，利用丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)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(zhǔn)水泥按 3:7 復(fù)配后按標(biāo)稠用水量進(jìn)行安定性試驗(yàn)，然后檢測(cè)不同比表面積鋼渣的活性，研究比表面積對(duì)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(duì)應(yīng)比表面積的礦粉、粉煤灰、石膏進(jìn)行復(fù)配，研究不同比表面積條件下，不同鋼渣摻量對(duì)復(fù)合礦物摻合料性能的影響。

2 結(jié)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(duì)比見表 2。

表2 鋼渣與礦粉和粉煤灰易磨性對(duì)比 m2/kg

從易磨性來看，初始比表面積相近的前提下，粉磨時(shí)間相同時(shí)，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(yàn)所用鋼渣已經(jīng)經(jīng)過除鐵處理，鋼渣內(nèi)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(shí)間的變化趨勢(shì)來看，三者變化趨勢(shì)類似，粉磨時(shí)間為 40min 之前粉磨速度較快，但粉磨時(shí)間 40min 以后，粉磨速度趨于平緩，這是原材料性質(zhì)和球磨機(jī)兩者綜合原因所致。

2.2 鋼渣粉的比表面積對(duì)其性能指標(biāo)的影響

2.2.1 鋼渣粉的比表面積對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(yàn)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(yàn)方法》進(jìn)行安定性試驗(yàn)，粉體質(zhì)量為 500g，其中鋼渣粉與基準(zhǔn)水泥比例為 3:7，記錄達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度（維卡儀試桿沉入凈漿并距底板 6mm±1mm 時(shí)）狀態(tài)時(shí)各比表面積鋼渣的需水量，各比表面積鋼渣粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量見表 3。

表3 不同比表面積鋼渣凈漿達(dá)到 標(biāo)準(zhǔn)稠度狀態(tài)時(shí)的用水量

一般研究認(rèn)為，粉體需水量應(yīng)隨其比表面積升高而降低，比表面積至 700m2/kg 的超細(xì)鋼渣需水量應(yīng)遠(yuǎn)高于水泥。但本試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著鋼渣粉比表面積的增大，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越來越小，說明磨細(xì)鋼渣粉具有一定的減水作用。這可能的原因在于，磨細(xì)鋼渣粉粒徑分布較窄，絕大部分位于 1～10μm 區(qū)間，真正小于 1μm 的超細(xì)粉含量實(shí)則不多。而據(jù)粉體 Horsfield 填充模型可知，1～10μm 的顆粒可以填充于水泥顆粒孔隙間，從而釋放出大量絮凝結(jié)構(gòu)中的水分，因而對(duì)流動(dòng)性能略有增大。當(dāng)比表面積大于 700m2/kg 時(shí)，鋼渣粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量可能會(huì)增大，此結(jié)論有待進(jìn)一步研究。

2.2.2 鋼渣粉的比表面積對(duì)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(yīng)用于復(fù)合礦物摻合料時(shí)并不是比表面積越大效果越好，應(yīng)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)膠砂活性的影響

鋼渣粉活性指數(shù)試驗(yàn)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(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，其中鋼渣粉和基準(zhǔn)水泥質(zhì)量比為 3:7。鋼渣 7d、14d、28d 和60d 膠砂活性趨勢(shì)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(guān)系

由表 5 和圖 1 可知，鋼渣 7d 及 14d 活性指數(shù)隨比表面積增大變化不明顯，說明鋼渣比表面積對(duì)膠砂早期強(qiáng)度影響較小，但 28d 及 60d 活性指數(shù)隨著比表面積的增大先升高后降低，比表面積為 600m2/kg 時(shí)鋼渣粉 28d 活性最高，原因可能是鋼渣比表面積越大，早期發(fā)生反應(yīng)的細(xì)顆粒越多，水化反應(yīng)越迅速，其表現(xiàn)的活性越高，但比表面積繼續(xù)增大至 700m2/kg 后，由于早期反應(yīng)過快，導(dǎo)致后期強(qiáng)度增長(zhǎng)放緩。

2.4 鋼渣摻量對(duì)復(fù)合礦物摻合料性能的影響

目前主要應(yīng)用的復(fù)合礦物摻合料分為兩種，一種是普通復(fù)合礦物摻合料（比表面積為 400～500m2/kg），一種是超細(xì)復(fù)合礦物摻合料（比表面積≥650m2/kg），其中，超細(xì)復(fù)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(fā)揮形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)、和微集料效應(yīng)，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(fā)生斷裂，相對(duì)于普通復(fù)合礦物摻合料更具反應(yīng)活性。

本試驗(yàn)選擇普通復(fù)合礦物摻合料，配比為礦粉:粉煤灰:石膏=20:70:10，及超細(xì)復(fù)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(fù)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(xì)復(fù)合礦物摻合料中不同量的粉煤灰，分別進(jìn)行膠砂活性試驗(yàn)，研究鋼渣對(duì)復(fù)合礦物摻合料膠砂性能的影響。

2.4.1 鋼渣摻量對(duì)普通復(fù)合礦物摻合料膠砂活性的影響

本試驗(yàn)對(duì)照組為空白基準(zhǔn)水泥，試驗(yàn)水膠比為 0.5，試驗(yàn)方法為用比表面積為 400m2/kg 的鋼渣取代普通復(fù)合礦物摻合料中 0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70% 的粉煤灰，普通復(fù)合礦物摻合料與基準(zhǔn)水泥質(zhì)量比為 5:5，檢驗(yàn)不同摻量鋼渣的活性指數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表 6 和圖 2。

由表 6 和圖 2 結(jié)果可知，當(dāng)比表面積為 400m2/kg 的鋼渣取代不同摻量的普通復(fù)合礦物摻合料中的粉煤灰時(shí)，7d、14d 活性指數(shù)先增大后減小，28d 活性指數(shù)呈線性增大趨勢(shì)，說明適當(dāng)摻量條件下，鋼渣粉在普通復(fù)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(fā)普通復(fù)合礦物摻合料活性。

圖2 鋼渣摻量與普通復(fù)合礦物摻合料活性的關(guān)系

表6 不同鋼渣摻量普通復(fù)合礦物摻合料活性 %

2.4.2 鋼渣摻量對(duì)超細(xì)復(fù)合礦物摻合料膠砂活性的影響

本試驗(yàn)對(duì)照組為空白基準(zhǔn)水泥，試驗(yàn)水膠比為0.5，試驗(yàn)方法為用比表面積為 700m2/kg 的鋼渣取代超細(xì)復(fù)合礦物摻合料中 0%、10%、20%、30%、40%、50% 的粉煤灰，超細(xì)復(fù)合礦物摻合料與基準(zhǔn)水泥質(zhì)量比為 5:5，檢驗(yàn)不同摻量鋼渣的活性指數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表 7 和圖 3。

由表 7 和圖 3 可知，當(dāng)比表面積為 700m2/kg 的鋼渣取代不同摻量的超細(xì)復(fù)合礦物摻合料中的粉煤灰時(shí)，7d、14d 及 28d 活性指數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，其中超細(xì)鋼渣摻量小于 20% 時(shí)呈下降趨勢(shì)，超細(xì)鋼渣摻量為 20%～40% 時(shí)呈上升趨勢(shì)，鋼渣摻量大于 40% 時(shí)活性指數(shù)基本不變。這與鋼渣摻入普通復(fù)合礦物摻合料中所呈現(xiàn)的規(guī)律不同。

圖3 鋼渣摻量與超細(xì)復(fù)合礦物摻合料活性的關(guān)系

表7 不同鋼渣摻量超細(xì)復(fù)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(dāng)摻量小于 20% 時(shí)，超細(xì)復(fù)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(yīng)，且鋼渣活性比粉煤灰低，取代粉煤灰后導(dǎo)致?lián)胶狭蠌?qiáng)度下降；當(dāng)鋼渣摻量為 20%～40% 時(shí)，超細(xì)復(fù)合礦物摻合料活性發(fā)展較快，說明合適的粉煤灰與鋼渣比例可以有效被水化環(huán)境產(chǎn)生的堿性物質(zhì)激發(fā)，且具有相互促進(jìn)水化的作用，從而使超細(xì)復(fù)合礦物摻合料活性提高；當(dāng)繼續(xù)提高鋼渣摻量時(shí)，鋼渣含量占主導(dǎo)地位，此時(shí)超細(xì)復(fù)合礦物摻合料活性主要由鋼渣活性決定，因此超細(xì)復(fù)合礦物摻合料活性增長(zhǎng)不明顯，甚至下降。

3 結(jié)論

（1）鋼渣粉的粉磨程度隨粉磨時(shí)間的變化趨勢(shì)與礦粉和粉煤灰類似，均是前期隨粉磨時(shí)間增加，比表面積增長(zhǎng)較快，后期比表面積基本不變。從易磨性來看，雖然鋼渣粉經(jīng)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(xì)鋼渣粉 6h 壓蒸安定性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，超細(xì)鋼渣粉相對(duì)于普通鋼渣粉來說，具有一定的減水作用，超細(xì)鋼渣粉的流動(dòng)性優(yōu)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(fù)合礦物摻合料中取代一定摻量的粉煤灰時(shí)，在普通復(fù)合礦物摻合料中 7d、14d 活性指數(shù)先增大后減小，28d 活性指數(shù)呈線性增大趨勢(shì)；在超細(xì)復(fù)合礦物摻合料 中 7d、14d 及 28d 活性指數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在選用鋼渣作為復(fù)合礦物摻合料使用時(shí)，除考慮活性指數(shù)高低外還應(yīng)綜合考慮安定性、易磨性等問題。