鋼渣-礦渣復合礦粉對水泥水化的影響

楊 峰 廖 斌 蔣 勇 鄧天宇 蔣 赟 吳茂杰 王小均

（1.綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000；2.重慶祥眾再生資源有限公司，重慶 401319；3.成都精準混凝土有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

鋼渣是在生鐵煉鋼過程中排放出來的工業廢渣，鋼渣的主要成分是CaO、Fe2O3、SiO2、MgO和MnO。CaO的含量高達38%～48%，SiO2范圍為11%～20%。礦物成分包含C3S、C2S、RO相等，還含有較多的游離CaO、MgO[1-3]，這給鋼渣在水泥基材料中的應用造成一定的困難。將鋼渣磨成粉體，做為輔助性膠凝材料使用可以克服其安定性不良的缺點，但其用量通常不能太高。WANG Qiang[4]用鋼渣粉分別取代15%和30%的水泥制備混凝土，研究混凝土性能的變化規律，發現在高水膠比情況下鋼渣混凝土的抗壓強度、抗滲性和抗碳化能力均出現下降，但在低水膠比時，影響不明顯。陳晟豪[5]用10%的鋼渣粉與硅灰、水泥搭配使用，制備出抗壓強度超過140MPa的UHPC。JIN Liu[6]的研究結果表明，當鋼渣取代水泥的比例不超過10%時，其孔結構與100%的水泥基本一致。

相比之下，煉鐵過程排放的粒化高爐礦渣具有更優良的性能。較高的反應活性、無安定性問題等特點使得這種工業廢渣廣泛應用于水泥和混凝土中。礦渣粉顆粒可以為水泥水化產物的生成提供更多生長點，對水化過程具有促進作用[7-8]。而鋼渣粉對水泥的水化過程則表現出抑制作用，特別是在水泥水化的早期抑制作用表現得更明顯。有研究表明[9]，其抑制作用主要源于鋼渣會降低溶液的pH值，延緩CH和CSH的生成，同時還會減緩石膏的消耗，減少鈣礬石的形成。

鋼渣與礦渣均是鋼鐵冶煉行業的副產物，將二者制備成復合礦粉可以同時兼顧鋼渣和礦渣的利用率，并能通過稀釋作用克服鋼渣的安定性和對水泥水化的抑制問題。但二者協同作用下對水泥水化的影響規律還不明朗，需要開展相應的研究。本文將鋼渣粉與礦渣粉按不同質量比例混合后，取代30%的水泥制備水泥凈漿，研究各試驗組的抗壓強度，并對各組開展水化熱、XRD、SEM和MIP測試，以研究復合礦粉對水泥水化的影響。

1 試驗原材料和方法

1.1 原材料

鋼渣和礦渣取自重慶某鋼鐵公司，其XRF、XRD測試結果如圖1和表1所示。水泥代號為P·O 42.5R，由四川某中聯水泥公司提供。聚羧酸減水劑由四川砼興源建材科技有限公司提供，含固量15%，減水率28.3%。

表1 鋼渣和礦渣的XRF測試結果（單位：%）

圖1 鋼渣和礦渣的XRD圖譜

1.2 試驗方法

將礦渣和鋼渣破碎至粒徑<5mm，各取4kg 置于500mm×500mm 的試驗球磨機中分別粉磨25min 和35min，粉體過0.9mm篩后備用。經測試，礦渣粉和鋼渣粉的比表面積分別為460.2m2/kg、427.0m2/kg。將礦渣粉和鋼渣粉按1∶2、1∶1、2∶1的質量比配制成復合礦粉，取代30%的水泥制備2cm×2cm×2cm的水泥凈漿試塊，另設置100%的水泥組和30%的鋼渣粉組做為對照。試驗配合比如表2所示。

表2 試驗配合比（單位：%）

按表2的配合比進行配樣，采用TAM Air水泥水化熱測量儀測量各組的水化放熱速率和放熱量。將各組樣品進行標準養護，分別在3d、7d、14d和28d測試抗壓強度，加載速率為2.4kN/s。取壓碎樣品浸泡于無水酒精中，以中止水化。取樣進行粉磨處理后，采用X′Pert P RO X射線衍射儀分析樣品的礦物成分，采用Sigma 300掃描電子顯微鏡對塊體樣品進行SEM測試，使用AutoPore Iv 9510全自動壓汞儀進行壓泵測試（MIP）。

2 試驗結果與討論

2.1 抗壓強度

圖2為各試驗組養護3d、7d、14d和28d抗壓強度的測試結果。

圖2 抗壓強度測試結果

各組的抗壓強度均隨著養護齡期的延長而逐漸增大。14d以前，摻鋼渣和礦渣的抗壓強度均低于空白組，養護到28d時，鋼渣與礦渣的質量比為1∶1的試驗組的抗壓強度已超過空白組。在摻有鋼渣和礦渣的各組中，1∶1和2∶1的試驗組的抗壓強度在整個養護齡期內均表現出了較明顯的增長，而1∶2和3∶0試驗組的強度曲線從7d～14d階段增長緩慢。整體來看，單獨摻30%鋼渣的試驗組各齡期抗壓強度均最低。而混摻鋼渣和礦渣的各組抗壓強度均高于單摻鋼渣的試驗組。說明將鋼渣與礦渣進行混摻可以彌補鋼渣活性低的缺點，并且二者在1∶1的情況下，對強度的提升作用最明顯。

2.2 水化熱

各試驗組的水化放熱速率和水化放熱量如圖3所示。觀察放熱速率曲線發現，混摻鋼渣和礦渣的1∶2、1∶1和2∶1組的水化誘導期均有延后現象，這是由于摻合料較低的早期活性所造成的。但意外的是，單摻30%鋼渣的3∶0試驗組，誘導期卻明顯縮短，并且在隨后出現的最大放熱速率也明顯高于其它各組；從放熱量的累積曲線可以看出，該組的累積放熱量也是最高的，其次分別為0∶0、1∶1、1∶2和2∶1的試驗組。通常情況下，水化放熱量高說明發生化學反應的成分較多，有助于促進水化產物的生成，對應的力學性能就高。但從抗壓強度的測試結果可知，單摻30%鋼渣的試驗組的抗壓強度卻是最低的。究其原因，是因為鋼渣中含有較多的f-CaO和f-MgO，二者與水接觸后快速反應生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，這些反應是典型的放熱反應，從而使水化放熱速率加快，累積放熱量增加，但Ca（OH）2和Mg（OH）2對力學性能的貢獻不大。

圖3 水化放熱速率與放熱量

2.3 水化產物分析

各組的XRD測試結果如圖4所示。未摻鋼渣和礦渣的對照組中生成有氫氧化鈣、碳酸鈣、鈣礬石，以及未反應的二氧化硅和硅酸三鈣，而摻有鋼渣和礦渣的試驗組中除了這些物質，還有Al2Mg4（OH）12（CO3）（H2O）3。對比氫氧化鈣的衍射峰可以發現，對照組的衍射強度最高，而摻有復合礦粉的各組衍射強度均較低，說明復合礦粉的摻入促進了“二次水化”反應，使得氫氧化鈣被消耗。

圖4 XRD測試結果

0∶0、1∶1和3∶0組的SEM分析結果如圖5所示。在圖中可以觀察到纖維狀的鈣礬石、無定形的水化硅酸鈣、板狀的氫氧化鈣、未反應的鋼渣或礦渣顆粒以及各種孔隙和裂紋。從整體來看，1∶1和3∶0組的密實度優于0∶0組，這得益于不同大小的鋼渣或礦渣顆粒發揮了良好的填充效應。

2.4 MIP分析

選擇0∶0、1∶1、3∶0三組進行壓汞測試，以分析樣品的孔隙狀態，累積孔體積的測試結果如圖6所示。

圖6 MIP測試結果

水泥石中的孔隙可以分為凝膠孔（孔徑<0.01μm）、中毛細孔（孔徑0.05～0.01μm）和大毛細孔（孔徑>0.05μm）[10]。對比各組的凝膠孔和中毛細孔發現，0∶0組的孔隙率最高，其次為3∶0的試驗組，1∶1組最低；而觀察大毛細孔可知，空白組仍然最高，其次分別為3∶0和1∶1的試驗組。從定量的數據可知，0∶0、1∶1和3∶0三組的孔隙率分別為35.71%、30.23%、31.45%。所以，1∶1組的凝膠孔、中毛細孔和大毛細孔均最低，總孔隙率最小。另外從平均孔徑的測試數據可以發現，該組的平均孔徑也最小，其次為3∶0和0∶0的試驗組。因此，將礦渣和鋼渣按合理的質量比例進行混摻，可以有效降低水泥石的孔隙率并細化孔隙，這對于提高力學性能和后期的耐久性有積極的作用。

3 結束語

本文主要研究鋼渣和礦渣復合礦粉對水泥水化的影響，得到如下結論：

用30%的復合礦粉取代水泥后，各試驗組14d以前的抗壓強度均低于純水泥組，但鋼渣與礦渣質量比為1∶1時，28d的抗壓強度超過了空白組。與單摻30%的鋼渣組相比，摻鋼渣與礦渣的復合礦粉的試驗組各齡期的抗壓強度均有明顯提高。

通過水化熱分析發現，單摻30%的鋼渣組具有縮短誘導期的作用，并且累積水化放熱量最高。經分析可知，這一現象與鋼渣中f-CaO和f-MgO的水化放熱有關。

XRD、SEM和MIP分析表明，摻入復合礦粉后，生成了新的水化產物Al2Mg4(OH)12(CO3)(H2O)3，并且各組的氫氧化鈣含量低于對照組，說明發生了明顯的“二次水化”反應。由于良好的填充效應，摻1∶1復合礦粉的試驗組的孔隙率和平均孔徑均減小，提高了體系的致密度。