钢渣矿渣复合粉在混凝土中的应用

摘 要：通过磨制不同比表面积的钢渣与矿渣组成复合粉取代部分水泥进行了水泥体积安定性，相容性和强度实验，本文研究了钢渣细度和掺加量对混凝土力学性能和水泥安定性及与外加剂的相容性的影响。实验表明 , 用钢渣和矿渣组成的微粉等量替代部分水泥后,安定性能够保障，28d强度会有增长,但是相容性变差。

关键词：钢渣；相容性；安定性；强度

1． 前言

　　钢渣是炼钢工业中用石灰石作为熔剂提取生铁中的SiO₂、Al₂O₃等杂质而生成的废渣。目前随着钢铁工业的快速发展，大量的钢渣需要排放出来，再加上以前未处理的堆积如山的钢渣，不仅占用大量宝贵的土地，而且严重污染周围的环境。因为钢渣中含有C₂S、C₃S等硬性矿物以及铝硅玻璃体，因而具有一定的胶凝性能^[1]。很多企业和科研单位借助外加剂来激发具有潜在活性的钢渣和矿渣，生产钢渣矿渣水泥，变废为宝。这对保护环境和实现钢铁工业的可持续发展具有重大的现实意义。但是由于炼钢的方式和仪器不同，生成的钢渣的成分差别很大，性质不稳定，作为掺和料时混凝土的质量波动就会大，而且钢渣也比较难磨。本文将研究钢渣－矿渣微粉配制成复合微粉替代部分水泥，通过研究微粉中钢渣不同替代量时的水泥静浆，砂浆和混凝土的各种性能来探索其对水泥性能的影响规律，为更好的利用钢渣奠定基础，为可持续发展作出贡献。

2． 实验

　　实验原料：

　　水泥：采用广州珠江水泥厂生产的P•Ⅱ 42.5R硅酸盐水泥，比表面积为380 m²/Kg;

　　钢渣：取自韶钢钢铁厂转炉生产的钢渣，出厂前已经过粗破碎和除铁，然后在粉磨到不同的比表面积以便实验用。矿渣：同样来自于韶钢钢铁厂。

　　实验方法：

　　将钢渣粉磨为350m²/Kg 450m²/Kg 550m²/Kg 三个不同的比表面积，与矿渣组成复合微粉，其组成方法如表1

3．实验分析

3．1水泥的安定性

　　水泥的安定性是水泥出厂的主要指标。作为钢渣水泥由于其生产上的原因，必须要进行安定性检验。唐明述教授^[2]等发现造成钢渣水泥安定性不良的主要因素是其中的f-CaO，钢渣中的f-CaO在高温液相中存在时间较长，形成的晶粒比较大，晶格比较紧密，且固熔了许多其它的离子，使其水化活性显著降低，水化速度变慢，在以后的继续水化时就会发生膨胀，造成安定性不良。因此对钢渣水泥进行安定性测试非常重要。在钢渣水泥中改善f-CaO带来的体积安定性不良问题主要是采用掺加矿渣来实现的。

　　本实验采用GB／T1346-200l《水泥标准稠度用水量，凝结时间，安定性检验方法》用雷氏夹膨胀仪测定钢渣水泥的安定性。其方法是将已经制好的标准稠度静浆装进准备好的雷氏夹中移至湿气养护箱内养护24h±2h，然后煮沸3h±5min后测试煮沸前后雷氏夹指针的差值，当差值不大于5mm时，即为该水泥安定性合格。

　　其试验结果完全满足标准规定中的要求（如下表），其煮沸前后膨胀值小于5mm，完全符合国家标准，因此小掺量的钢渣水泥不会存在安定性的问题^[3]。磨细钢渣粉在水泥砂浆或混凝土中使用无安定性问题。这可能是由于钢渣经粉磨达到一定细度后，游离的CaO和MgO被活化，在水泥水化时就参与反应，生成Ca(0H)₂和Mg(OH)₂，虽然反应产物体积大于反应物，但此时混凝土还处于塑性状态中，因此不会造成混凝土结构破坏。

3．2钢渣矿渣微粉与减水剂的相容性

　　当今混凝土市场上主要存在着聚羧酸系减水剂和萘系减水剂，因此本试验用D350-15和D450－15两种钢渣水泥分别与FDN和聚羧酸系减水剂进行实验，探讨此类钢渣矿渣水泥与外加剂的适应性。所采用的实验方法为Marsh筒法。

　　高效减水剂广泛用来改善混凝土的性能 拌制大流动性混凝土和高强度混凝土。随着各种高效减水剂在不同胶凝材料和各种混凝土中的使用，在很多场合下发生了高效减水剂与水泥不相适应, 主要表现在减水效果低下或增加流动性的效果不佳，凝结速度太快，缓凝、 坍落度损失快，甚至降低混凝土强度和耐久性。这种不适应的问题都涉及到高效减水剂与水泥的相容性。

　　所谓钢渣与水泥及外加剂之间的相容与不相容,可以这样认为：配制混凝土(砂浆)时，按照混凝土和水泥的应用技术规范，将经检验符合有关标准的钢渣微粉掺加到水泥砂浆或混凝土中，若能产生应有的效果，则该水泥与钢渣微粉是相容的。相反，若不能产生应有的效果，则该水泥与钢渣微粉是不相容的。

　　Marsh筒法最早由加拿大Sherbrook大学Aïtcin PC.教授提出 ^[4]，是一种测定水泥与混凝土外加剂混合物的流变特性的方法。经科研人员大量试验证明，Marsh筒法的试验结果与浆体实际粘度变化的相符性较好，用此方法检测新拌水泥浆的流变性能既简便又快速，可定量判别不同外加剂作用效果的差距。该方法的灵敏度、可重复性、易操作性、经济性等都比净浆流动度法好。测定时，将适量（依浆体密度而定，普通水泥净浆用量宜选用500g左右）用净浆搅拌机搅拌均匀的浆体倒入Marsh筒内，测定浆体从下部料嘴流出200ml所用的时间，记为Marsh时间，以此来表征其流动性能。Marsh时间越短，浆体的流动性能就越好。

　　根据Aïtcin PC.教授的研究^[5]，认为存在四种相容性：第一种，外加剂掺量不大就达到饱和，饱和点明显，1小时的损失小，意味着水泥－减水剂的相容性好。第二种，对应饱和点外加剂掺量较大，相应静浆的粘度较高，且随时间迅速增长。另外两种介乎于这两种之间，第三种是初始相容性较好，但一小时后流动度损失明显，第四种是开始相容性不好，但不随时间变化。上图是分别把钢渣粉磨到350 m²/Kg和450 m²/Kg两个比表面积，与矿渣共同取代水泥50％时与外加剂的相容性Marsh筒实验，其中，钢渣的替代量为15％。由图1可以看出，该水泥与FDN的饱和点大约为1％左右，D350-15与聚羧酸的饱和点大约为0.3％，D450-15与聚羧酸的饱和点大约为0.5％。掺有钢渣后水泥与外加剂的相容性变差，而且1小时的经时损失都相对较大。图a的开始相容性不是很好，但是1小时后的损失是最小的。图b的就是四个中相容性最差的，不但开始相容性差，而且1小时的损失很大。图c、图d都是1小时的流动度损失有点大，并且这两个的饱和点还有一定的差别，可能的原因是由于钢渣的比表面积增大，可以更多的吸附外加剂分子，而使实际起减水作用的减水剂分子减少，因此要达到相同的流动度，就必须要有较多的外加剂。

　　总体看来，掺有钢渣的水泥与聚羧酸系减水剂的相容性明显好于与萘系减水剂的相容性。这可能与外加剂的减水原理有一定的关系，萘系的减水原理主要是静电斥力，聚羧酸系主要是静电斥力和空间位阻的作用^[6]。另外随着钢渣比表面积的增大，其与外加剂的相容性是变差的，主要是由于比表面积增大会吸附更多的外加剂分子。

3．3强度

3．3．1胶砂强度

　　胶砂强度实验按照GB/T 17671-1999进行，将事先搅拌好的砂浆放入4×4×16cm的试模中，然后放入养护样中湿养24h，然后放入养护室中进行水养，直到规定龄期后拿出进行抗折，抗压强度实验。其结果如表3：

　　上表给出了，不同比表面积的，不同钢渣掺量的水泥砂浆强度的测定结果，由表3可以得出一下结论，1）含钢渣矿渣掺和料的水泥胶砂无论前期3d，中期7d还是后期28d抗折强度和抗压强度均随钢渣掺量的增加而下降，前期3d和中期7d抗折抗压强度下降幅度比后期28d大（图3）。如在比表面积为350m²/Kg时，其钢渣掺量从15%提高到45％时，其三天的抗压强度从18.1MP降低到13.7MP，28天强度从56.8MP降低到51.6MP。当表面积为450m²/Kg，550m²/Kg时同样有这样的趋势。究其原因可能有以下几个方面：虽然钢渣含有与水泥相似的水硬性矿物，可以作为混合材代替部分水泥使用，但它当中的C3S含量较水泥中少，且矿物发育较大，较完整，活性较低，钢渣浸水后，部分活性在浸水过程中丧失，因此当代替水泥后，其对水泥胶砂的贡献就相对较少。2）钢渣掺加后，早期强度与硅酸盐水泥相比强度较低（图2），尤其是3d的强度，只有硅酸盐水泥的一半左右，但是后期强度增长很快，到28d时已经达到或者已经超过了硅酸盐水泥的强度。但是，其强度的增长没有只掺加50％矿渣的强度提高的快。因此，钢渣的加入对于水泥的早期强度影响比较大，而后期的强度增长较快。出现这样的原因是因为钢渣的水硬性较水泥来说较差，且代替了部分胶凝材料使早期的水化缓慢，但到了后期碱激发后大量生成了凝胶物质后强度又有很快提高。钢渣的活性物质没有矿渣的好，因此其后期强度增长没有只掺加矿渣的高。3）随着钢渣的比表面积的提高，其强度会有一定的提高，但提高钢渣的比表面积对含钢渣水泥胶砂的各个龄期的强度提升并不明显，如比表面积增大从350m²/Kg到450m²/Kg，其强度的增长并不明显，而比表面积从450m²/Kg提高到550m²/Kg后抗压强度有所降低。因此以提高钢渣的比表面积来提高水泥的强度很有限,且过长粉磨时的电耗很大，不经济，因此此实验可以为以后钢渣粉磨提供依据,最佳的粉磨细度为450 m²/Kg左右为宜。

3．3．2混凝土强度

　　在研究了钢渣水泥与外加剂的相容性以及胶砂强度后，我们接着进行了混凝土强度实验。所设计的混凝土标号等级为C30。水胶比为0.52，砂率为0.46，外加剂掺量为1％。

　　试验方法：用三种比表面积的钢渣与矿渣组成复合微粉，同时取一组硅酸盐水泥作为基准样。按不同比列取代水泥并与石子，砂，水泥共同混合搅拌均匀，再加水和外加剂搅拌3min后立即进行坍落度测定。同时将拌合物置于10×10×10cm的试模内振动成型，成型后的试体先在20°C±1°C养护箱内养护24h，然后置于20°C±3°C水中养护至3d、28d龄期后进行强度测定。其坍落度按照GBJ80-85进行，力学强度测定按照GBJ81－85进行。

　　实验结果表明单掺矿渣时随着掺量的增加早期3d的强度呈现下降趋势，而后期28d的强度却是呈现上升趋势。当矿渣掺量从20％增加到50％时其3d强度从22.8MP降低到21.1MP，而28d强度从38.2MP提高到45.3MP。结果与理论相复合，因为随着矿渣的增多，胶凝材料减少，其早期的水化产物减少，固早期强度降低，当到了后期，矿渣经碱激发后会生成大量的胶凝物质，使强度又得到了提高。其坍落度随着矿渣的变化不是很明显，但都比硅酸盐水泥混凝土的坍落度大。

　　当钢渣和矿渣复合掺加的混凝土，坍落度较基准混凝土有所增加，但因其掺量较小，其坍落度变化不是很明显。掺有钢渣和矿渣的混凝土的坍落度低于只有掺加矿渣的混凝土的坍落度，其原因应该是钢渣的表面并不是很平整，而是有一些孔洞，这些孔洞吸收一部分水，使坍落度降低。掺钢矿渣的混凝土早期强度明显小于同龄期基准样的早期强度，后期强度增长较快，28d强度已经明显超过了基准样的强度。当钢渣比表面积增大时其强度并没有随着比表面积的增大而明显增大。当钢渣和矿渣的掺加量增大时，其早期强度随掺量的增大所降低，但后期强度增长较快，比掺量低的有更高的强度。

4．结论：

　　通过以上实验我们得到以下的结论：

　　（1）当钢渣的掺量适度，钢渣矿渣复合水泥用雷氏夹法测定的膨胀值小于5mm，即水泥体积安定性是合格的。

　　（2）掺有钢渣和矿渣后与外加剂的相容性降低，且随钢渣比表面积的增大相容性变差。水泥与聚羧酸系外加剂的相容性好于与萘系减水剂的相容性。

　　（3）含钢渣矿渣掺和料的水泥胶砂无论前期3d，中期7d还是后期28d抗折强度和抗压强度均随掺量的增加而下降，钢渣掺加后，早期强度与硅酸盐水泥相比强度较低，尤其是3d的强度，只有硅酸盐水泥的一半左右，但是后期强度增长明显，到28天时已经达到或者已经超过了硅酸盐水泥的强度，其强度的增长低于只掺加矿渣的混凝土强度的增长。提高钢渣的比表面积对含钢渣水泥胶砂的各个龄期的强度提升并不明显。

　　（4）掺入钢渣以后，混凝土的早期强度会有所降低，但后期强度会增长明显，且会使混凝土的和易性变好。

5．参考文献

　　[1] 朱航，王林，刘彦君，等.钢渣矿粉混凝土的物理力学性能研究[J].武汉理工大学学报，2005，（1）

　　[2] 唐明述等.钢渣中MgO、FeO、MnO的结晶状态与钢渣的体积安定性.硅酸盐学报，1997，7（1）：35－45

　　[3] 赵三银，赵旭光，李宁.高钢渣掺量钢矿水泥体积安定性的研究.水泥工程.2002（2）：7－9

　　[4] Aïtcin PC. High performance concrete science and technology [M]. Published by E and FN Spon. 1997

　　[5] 谢楚龙.浅谈减水剂与水泥的相容性.广东建材，2004,(5）:12-13

　　[6] 张秀芝 , 杨永清 , 裴梅山.高效减水剂的应用与发展.济南大学学报，2004，6（2）：140－143