鋼渣礦渣復(fù)合粉在混凝土中的應(yīng)用

摘 要：通過(guò)磨制不同比表面積的鋼渣與礦渣組成復(fù)合粉取代部分水泥進(jìn)行了水泥體積安定性，相容性和強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，本文研究了鋼渣細(xì)度和摻加量對(duì)混凝土力學(xué)性能和水泥安定性及與外加劑的相容性的影響。實(shí)驗(yàn)表明 , 用鋼渣和礦渣組成的微粉等量替代部分水泥后,安定性能夠保障，28d強(qiáng)度會(huì)有增長(zhǎng),但是相容性變差。

關(guān)鍵詞：鋼渣；相容性；安定性；強(qiáng)度

1． 前言

　　鋼渣是煉鋼工業(yè)中用石灰石作為熔劑提取生鐵中的SiO₂、Al₂O₃等雜質(zhì)而生成的廢渣。目前隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，大量的鋼渣需要排放出來(lái)，再加上以前未處理的堆積如山的鋼渣，不僅占用大量寶貴的土地，而且嚴(yán)重污染周圍的環(huán)境。因?yàn)殇撛泻蠧₂S、C₃S等硬性礦物以及鋁硅玻璃體，因而具有一定的膠凝性能^[1]。很多企業(yè)和科研單位借助外加劑來(lái)激發(fā)具有潛在活性的鋼渣和礦渣，生產(chǎn)鋼渣礦渣水泥，變廢為寶。這對(duì)保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。但是由于煉鋼的方式和儀器不同，生成的鋼渣的成分差別很大，性質(zhì)不穩(wěn)定，作為摻和料時(shí)混凝土的質(zhì)量波動(dòng)就會(huì)大，而且鋼渣也比較難磨。本文將研究鋼渣－礦渣微粉配制成復(fù)合微粉替代部分水泥，通過(guò)研究微粉中鋼渣不同替代量時(shí)的水泥靜漿，砂漿和混凝土的各種性能來(lái)探索其對(duì)水泥性能的影響規(guī)律，為更好的利用鋼渣奠定基礎(chǔ)，為可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

2． 實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)原料：

　　水泥：采用廣州珠江水泥廠生產(chǎn)的P•Ⅱ 42.5R硅酸鹽水泥，比表面積為380 m²/Kg;

　　鋼渣：取自韶鋼鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的鋼渣，出廠前已經(jīng)過(guò)粗破碎和除鐵，然后在粉磨到不同的比表面積以便實(shí)驗(yàn)用。礦渣：同樣來(lái)自于韶鋼鋼鐵廠。

　　實(shí)驗(yàn)方法：

　　將鋼渣粉磨為350m²/Kg 450m²/Kg 550m²/Kg 三個(gè)不同的比表面積，與礦渣組成復(fù)合微粉，其組成方法如表1

3．實(shí)驗(yàn)分析

3．1水泥的安定性

　　水泥的安定性是水泥出廠的主要指標(biāo)。作為鋼渣水泥由于其生產(chǎn)上的原因，必須要進(jìn)行安定性檢驗(yàn)。唐明述教授^[2]等發(fā)現(xiàn)造成鋼渣水泥安定性不良的主要因素是其中的f-CaO，鋼渣中的f-CaO在高溫液相中存在時(shí)間較長(zhǎng)，形成的晶粒比較大，晶格比較緊密，且固熔了許多其它的離子，使其水化活性顯著降低，水化速度變慢，在以后的繼續(xù)水化時(shí)就會(huì)發(fā)生膨脹，造成安定性不良。因此對(duì)鋼渣水泥進(jìn)行安定性測(cè)試非常重要。在鋼渣水泥中改善f-CaO帶來(lái)的體積安定性不良問(wèn)題主要是采用摻加礦渣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　本實(shí)驗(yàn)采用GB／T1346-200l《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，凝結(jié)時(shí)間，安定性檢驗(yàn)方法》用雷氏夾膨脹儀測(cè)定鋼渣水泥的安定性。其方法是將已經(jīng)制好的標(biāo)準(zhǔn)稠度靜漿裝進(jìn)準(zhǔn)備好的雷氏夾中移至濕氣養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h±2h，然后煮沸3h±5min后測(cè)試煮沸前后雷氏夾指針的差值，當(dāng)差值不大于5mm時(shí)，即為該水泥安定性合格。

　　其試驗(yàn)結(jié)果完全滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的要求（如下表），其煮沸前后膨脹值小于5mm，完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此小摻量的鋼渣水泥不會(huì)存在安定性的問(wèn)題^[3]。磨細(xì)鋼渣粉在水泥砂漿或混凝土中使用無(wú)安定性問(wèn)題。這可能是由于鋼渣經(jīng)粉磨達(dá)到一定細(xì)度后，游離的CaO和MgO被活化，在水泥水化時(shí)就參與反應(yīng)，生成Ca(0H)₂和Mg(OH)₂，雖然反應(yīng)產(chǎn)物體積大于反應(yīng)物，但此時(shí)混凝土還處于塑性狀態(tài)中，因此不會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

3．2鋼渣礦渣微粉與減水劑的相容性

　　當(dāng)今混凝土市場(chǎng)上主要存在著聚羧酸系減水劑和萘系減水劑，因此本試驗(yàn)用D350-15和D450－15兩種鋼渣水泥分別與FDN和聚羧酸系減水劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討此類鋼渣礦渣水泥與外加劑的適應(yīng)性。所采用的實(shí)驗(yàn)方法為Marsh筒法。

　　高效減水劑廣泛用來(lái)改善混凝土的性能 拌制大流動(dòng)性混凝土和高強(qiáng)度混凝土。隨著各種高效減水劑在不同膠凝材料和各種混凝土中的使用，在很多場(chǎng)合下發(fā)生了高效減水劑與水泥不相適應(yīng), 主要表現(xiàn)在減水效果低下或增加流動(dòng)性的效果不佳，凝結(jié)速度太快，緩凝、 坍落度損失快，甚至降低混凝土強(qiáng)度和耐久性。這種不適應(yīng)的問(wèn)題都涉及到高效減水劑與水泥的相容性。

　　所謂鋼渣與水泥及外加劑之間的相容與不相容,可以這樣認(rèn)為：配制混凝土(砂漿)時(shí)，按照混凝土和水泥的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，將經(jīng)檢驗(yàn)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的鋼渣微粉摻加到水泥砂漿或混凝土中，若能產(chǎn)生應(yīng)有的效果，則該水泥與鋼渣微粉是相容的。相反，若不能產(chǎn)生應(yīng)有的效果，則該水泥與鋼渣微粉是不相容的。

　　Marsh筒法最早由加拿大Sherbrook大學(xué)Aïtcin PC.教授提出 ^[4]，是一種測(cè)定水泥與混凝土外加劑混合物的流變特性的方法。經(jīng)科研人員大量試驗(yàn)證明，Marsh筒法的試驗(yàn)結(jié)果與漿體實(shí)際粘度變化的相符性較好，用此方法檢測(cè)新拌水泥漿的流變性能既簡(jiǎn)便又快速，可定量判別不同外加劑作用效果的差距。該方法的靈敏度、可重復(fù)性、易操作性、經(jīng)濟(jì)性等都比凈漿流動(dòng)度法好。測(cè)定時(shí)，將適量（依漿體密度而定，普通水泥凈漿用量宜選用500g左右）用凈漿攪拌機(jī)攪拌均勻的漿體倒入Marsh筒內(nèi)，測(cè)定漿體從下部料嘴流出200ml所用的時(shí)間，記為Marsh時(shí)間，以此來(lái)表征其流動(dòng)性能。Marsh時(shí)間越短，漿體的流動(dòng)性能就越好。

　　根據(jù)Aïtcin PC.教授的研究^[5]，認(rèn)為存在四種相容性：第一種，外加劑摻量不大就達(dá)到飽和，飽和點(diǎn)明顯，1小時(shí)的損失小，意味著水泥－減水劑的相容性好。第二種，對(duì)應(yīng)飽和點(diǎn)外加劑摻量較大，相應(yīng)靜漿的粘度較高，且隨時(shí)間迅速增長(zhǎng)。另外兩種介乎于這兩種之間，第三種是初始相容性較好，但一小時(shí)后流動(dòng)度損失明顯，第四種是開始相容性不好，但不隨時(shí)間變化。上圖是分別把鋼渣粉磨到350 m²/Kg和450 m²/Kg兩個(gè)比表面積，與礦渣共同取代水泥50％時(shí)與外加劑的相容性Marsh筒實(shí)驗(yàn)，其中，鋼渣的替代量為15％。由圖1可以看出，該水泥與FDN的飽和點(diǎn)大約為1％左右，D350-15與聚羧酸的飽和點(diǎn)大約為0.3％，D450-15與聚羧酸的飽和點(diǎn)大約為0.5％。摻有鋼渣后水泥與外加劑的相容性變差，而且1小時(shí)的經(jīng)時(shí)損失都相對(duì)較大。圖a的開始相容性不是很好，但是1小時(shí)后的損失是最小的。圖b的就是四個(gè)中相容性最差的，不但開始相容性差，而且1小時(shí)的損失很大。圖c、圖d都是1小時(shí)的流動(dòng)度損失有點(diǎn)大，并且這兩個(gè)的飽和點(diǎn)還有一定的差別，可能的原因是由于鋼渣的比表面積增大，可以更多的吸附外加劑分子，而使實(shí)際起減水作用的減水劑分子減少，因此要達(dá)到相同的流動(dòng)度，就必須要有較多的外加劑。

　　總體看來(lái)，摻有鋼渣的水泥與聚羧酸系減水劑的相容性明顯好于與萘系減水劑的相容性。這可能與外加劑的減水原理有一定的關(guān)系，萘系的減水原理主要是靜電斥力，聚羧酸系主要是靜電斥力和空間位阻的作用^[6]。另外隨著鋼渣比表面積的增大，其與外加劑的相容性是變差的，主要是由于比表面積增大會(huì)吸附更多的外加劑分子。

3．3強(qiáng)度

3．3．1膠砂強(qiáng)度

　　膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)按照GB/T 17671-1999進(jìn)行，將事先攪拌好的砂漿放入4×4×16cm的試模中，然后放入養(yǎng)護(hù)樣中濕養(yǎng)24h，然后放入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行水養(yǎng)，直到規(guī)定齡期后拿出進(jìn)行抗折，抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果如表3：

　　上表給出了，不同比表面積的，不同鋼渣摻量的水泥砂漿強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果，由表3可以得出一下結(jié)論，1）含鋼渣礦渣摻和料的水泥膠砂無(wú)論前期3d，中期7d還是后期28d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均隨鋼渣摻量的增加而下降，前期3d和中期7d抗折抗壓強(qiáng)度下降幅度比后期28d大（圖3）。如在比表面積為350m²/Kg時(shí)，其鋼渣摻量從15%提高到45％時(shí)，其三天的抗壓強(qiáng)度從18.1MP降低到13.7MP，28天強(qiáng)度從56.8MP降低到51.6MP。當(dāng)表面積為450m²/Kg，550m²/Kg時(shí)同樣有這樣的趨勢(shì)。究其原因可能有以下幾個(gè)方面：雖然鋼渣含有與水泥相似的水硬性礦物，可以作為混合材代替部分水泥使用，但它當(dāng)中的C3S含量較水泥中少，且礦物發(fā)育較大，較完整，活性較低，鋼渣浸水后，部分活性在浸水過(guò)程中喪失，因此當(dāng)代替水泥后，其對(duì)水泥膠砂的貢獻(xiàn)就相對(duì)較少。2）鋼渣摻加后，早期強(qiáng)度與硅酸鹽水泥相比強(qiáng)度較低（圖2），尤其是3d的強(qiáng)度，只有硅酸鹽水泥的一半左右，但是后期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，到28d時(shí)已經(jīng)達(dá)到或者已經(jīng)超過(guò)了硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。但是，其強(qiáng)度的增長(zhǎng)沒有只摻加50％礦渣的強(qiáng)度提高的快。因此，鋼渣的加入對(duì)于水泥的早期強(qiáng)度影響比較大，而后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。出現(xiàn)這樣的原因是因?yàn)殇撛乃残暂^水泥來(lái)說(shuō)較差，且代替了部分膠凝材料使早期的水化緩慢，但到了后期堿激發(fā)后大量生成了凝膠物質(zhì)后強(qiáng)度又有很快提高。鋼渣的活性物質(zhì)沒有礦渣的好，因此其后期強(qiáng)度增長(zhǎng)沒有只摻加礦渣的高。3）隨著鋼渣的比表面積的提高，其強(qiáng)度會(huì)有一定的提高，但提高鋼渣的比表面積對(duì)含鋼渣水泥膠砂的各個(gè)齡期的強(qiáng)度提升并不明顯，如比表面積增大從350m²/Kg到450m²/Kg，其強(qiáng)度的增長(zhǎng)并不明顯，而比表面積從450m²/Kg提高到550m²/Kg后抗壓強(qiáng)度有所降低。因此以提高鋼渣的比表面積來(lái)提高水泥的強(qiáng)度很有限,且過(guò)長(zhǎng)粉磨時(shí)的電耗很大，不經(jīng)濟(jì)，因此此實(shí)驗(yàn)可以為以后鋼渣粉磨提供依據(jù),最佳的粉磨細(xì)度為450 m²/Kg左右為宜。

3．3．2混凝土強(qiáng)度

　　在研究了鋼渣水泥與外加劑的相容性以及膠砂強(qiáng)度后，我們接著進(jìn)行了混凝土強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。所設(shè)計(jì)的混凝土標(biāo)號(hào)等級(jí)為C30。水膠比為0.52，砂率為0.46，外加劑摻量為1％。

　　試驗(yàn)方法：用三種比表面積的鋼渣與礦渣組成復(fù)合微粉，同時(shí)取一組硅酸鹽水泥作為基準(zhǔn)樣。按不同比列取代水泥并與石子，砂，水泥共同混合攪拌均勻，再加水和外加劑攪拌3min后立即進(jìn)行坍落度測(cè)定。同時(shí)將拌合物置于10×10×10cm的試模內(nèi)振動(dòng)成型，成型后的試體先在20°C±1°C養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h，然后置于20°C±3°C水中養(yǎng)護(hù)至3d、28d齡期后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定。其坍落度按照GBJ80-85進(jìn)行，力學(xué)強(qiáng)度測(cè)定按照GBJ81－85進(jìn)行。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單摻礦渣時(shí)隨著摻量的增加早期3d的強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而后期28d的強(qiáng)度卻是呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)?shù)V渣摻量從20％增加到50％時(shí)其3d強(qiáng)度從22.8MP降低到21.1MP，而28d強(qiáng)度從38.2MP提高到45.3MP。結(jié)果與理論相復(fù)合，因?yàn)殡S著礦渣的增多，膠凝材料減少，其早期的水化產(chǎn)物減少，固早期強(qiáng)度降低，當(dāng)?shù)搅撕笃?，礦渣經(jīng)堿激發(fā)后會(huì)生成大量的膠凝物質(zhì)，使強(qiáng)度又得到了提高。其坍落度隨著礦渣的變化不是很明顯，但都比硅酸鹽水泥混凝土的坍落度大。

　　當(dāng)鋼渣和礦渣復(fù)合摻加的混凝土，坍落度較基準(zhǔn)混凝土有所增加，但因其摻量較小，其坍落度變化不是很明顯。摻有鋼渣和礦渣的混凝土的坍落度低于只有摻加礦渣的混凝土的坍落度，其原因應(yīng)該是鋼渣的表面并不是很平整，而是有一些孔洞，這些孔洞吸收一部分水，使坍落度降低。摻鋼礦渣的混凝土早期強(qiáng)度明顯小于同齡期基準(zhǔn)樣的早期強(qiáng)度，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，28d強(qiáng)度已經(jīng)明顯超過(guò)了基準(zhǔn)樣的強(qiáng)度。當(dāng)鋼渣比表面積增大時(shí)其強(qiáng)度并沒有隨著比表面積的增大而明顯增大。當(dāng)鋼渣和礦渣的摻加量增大時(shí)，其早期強(qiáng)度隨摻量的增大所降低，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，比摻量低的有更高的強(qiáng)度。

4．結(jié)論：

　　通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)我們得到以下的結(jié)論：

　?。?）當(dāng)鋼渣的摻量適度，鋼渣礦渣復(fù)合水泥用雷氏夾法測(cè)定的膨脹值小于5mm，即水泥體積安定性是合格的。

　?。?）摻有鋼渣和礦渣后與外加劑的相容性降低，且隨鋼渣比表面積的增大相容性變差。水泥與聚羧酸系外加劑的相容性好于與萘系減水劑的相容性。

　?。?）含鋼渣礦渣摻和料的水泥膠砂無(wú)論前期3d，中期7d還是后期28d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均隨摻量的增加而下降，鋼渣摻加后，早期強(qiáng)度與硅酸鹽水泥相比強(qiáng)度較低，尤其是3d的強(qiáng)度，只有硅酸鹽水泥的一半左右，但是后期強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，到28天時(shí)已經(jīng)達(dá)到或者已經(jīng)超過(guò)了硅酸鹽水泥的強(qiáng)度，其強(qiáng)度的增長(zhǎng)低于只摻加礦渣的混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)。提高鋼渣的比表面積對(duì)含鋼渣水泥膠砂的各個(gè)齡期的強(qiáng)度提升并不明顯。

　?。?）摻入鋼渣以后，混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)有所降低，但后期強(qiáng)度會(huì)增長(zhǎng)明顯，且會(huì)使混凝土的和易性變好。

5．參考文獻(xiàn)

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