韓長菊，張育才，黃嵐，宋華，祁加彬

（1.昆明冶金高等?？茖W校建材學院，云南昆明650033 2.云南昆鋼水泥建材集團技術(shù)中心，云南昆明650033）

0 前言

鋼渣是煉鋼時產(chǎn)生的一種工業(yè)副產(chǎn)品，屬于過燒劣質(zhì)熟料，具有較高的潛在活性，理論上在混凝土行業(yè)具有廣泛的應用前景，但實際的應用情況卻遠不如粉煤灰和礦渣粉等工業(yè)廢渣［1－4］。云南省缺乏優(yōu)質(zhì)礦渣粉，且活性較低，通過堿性激發(fā)，可以達到S75級［5］。將鋼渣經(jīng)過預處理磨細成粉，以優(yōu)質(zhì)鋼渣微粉代替礦渣粉，開發(fā)新型鋼渣礦粉摻合料，既可為鋼鐵企業(yè)的鋼渣有效利用提供一條途徑，又可以為混凝土行業(yè)提供新的活性礦物摻合料，以解決優(yōu)質(zhì)礦粉資源不足的問題。昆鋼鋼渣排放量大，通過熱悶、磁選、粉磨處理，用作混凝土活性摻合料，是實現(xiàn)鋼渣“零排放”資源化利用的有效途徑［6］。

1 實驗材料

實驗采用的原材料主要有昆鋼嘉華水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，云南昆鋼工業(yè)廢渣綜合利用開發(fā)有限公司生產(chǎn)的鋼渣粉和礦渣粉，和云南廣泰混凝土有限公司生產(chǎn)的粉煤灰和砂石料。其中，鋼渣粉、礦渣粉和粉煤灰為用于混凝土的活性摻合料，與水泥一起，在混凝土中主要起膠結(jié)作用，硬化后將砂、石料膠結(jié)成一個整體，屬于無機類膠凝材料。

1.1 膠凝材料化學性能分析

1.1.1 膠凝材料化學成分分析

實驗所用膠凝材料的化學成分見表1。鋼渣粉的活性評價方法常用堿度系數(shù)法，堿度系數(shù)為M＝中等活性，屬于硅酸二鈣渣［7］。經(jīng)對鋼渣粉生產(chǎn)線5個月的跟蹤分析，鋼渣粉的 f－CaO含量波動范圍為1.30% ～2.06%，安定性合格。

表1 膠凝材料化學成分／%

由化學成分計算礦渣粉相關(guān)品質(zhì)系數(shù)為

堿性系數(shù)

質(zhì)量系數(shù)

該礦渣堿性系數(shù)小于1，屬酸性礦渣；根據(jù)GB／T 203—2008《用于水泥中的粒化高爐礦渣》的規(guī)定，由質(zhì)量系數(shù)判斷，本樣品屬合格品，礦粉活性一般［8］。

1.1.2 膠凝材料礦物組成分析

實驗所用膠凝材料的X射線衍射圖如圖1所示，分析顯示，鋼渣粉主要礦物組成為C2S、C3S、C2F和RO相（FeO、MgO）等。粉煤灰圖譜顯示其主要礦物為莫來石、石英等相。礦粉圖譜無明顯的晶相衍射峰，主要以玻璃體形式存在，有利于活性的發(fā)揮。

圖1凝膠材料的XRD圖譜圖

1.2 膠凝材料的顆粒形貌

膠凝材料的SEM分析如圖2所示。掃描電鏡下可以看到，鋼渣粉顆粒比礦粉形貌規(guī)整，顆粒邊棱不明顯，少見條狀、片狀顆粒，邊角圓鈍。礦渣粉顆粒形貌不規(guī)則，邊棱較清晰，含一定條狀、片狀、針狀顆粒。粉煤灰多為球形顆粒，表面光滑，球形顆粒尺寸約幾μm至幾十μm，10μm以下顆粒極少，小顆粒多相互聚集。

圖2膠凝材料的SEM圖

2 實驗方法

根據(jù)JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設計規(guī)程》，參考昆明周邊多個混凝土攪拌站配合比，設計出C15、C20、C30和C40四個強度等級的混凝土（見表3），在礦粉和粉煤灰復摻的基礎上，用鋼渣粉等量取代礦渣粉［9］。采用 GB／T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》檢測試樣工作性［10］，采用GB／T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》檢測試樣力學性能［11］。

表3 混凝土配合比設計

3 結(jié)果與分析

3.1 鋼渣粉摻入對混凝土工作性能的影響

3.1.1 鋼渣粉摻入對混凝土流動性的影響

通過檢測不同配比混凝土的塌落度和擴展度，考察鋼渣粉摻入對混凝土流動度的影響（見表4）。由表4中數(shù)據(jù)可以看出，鋼渣粉的摻入有利于混凝土流動度的提高。因為鋼渣粉可以改變膠凝材料水化基體的孔道大小與分布，對漿體的流動性能起到積極作用。另鋼渣粉大部分呈大小不等、光滑的圓球狀細顆粒，填充于水泥顆粒的空隙中，形成了更為合理的級配，鋼渣粉細顆粒在新拌水泥漿中具有軸 承效果，可增大水泥漿的流動度［12］。

表4 混凝土性能檢測

3.1.2 鋼渣粉摻入對混凝土泌水性的影響

為檢測鋼渣粉摻入對混凝土泌水的影響，實驗以C20混凝土為例，分別檢測A2000（基準組）和A2050（50%鋼渣取代組）的泌水量，實驗結(jié)果見表5。

表5 泌水時間與累計泌水量

實驗中，混凝土拌合裝模初期無泌水，在裝模后70 min左右開始出現(xiàn)泌水，50%鋼渣取代組累計泌水率稍高于基準組，而110 min后，基準組的累計泌水率明顯高于50%取代組，說明鋼渣的摻入有利于降低混凝土的滯后泌水。這可能是由于鋼渣粉較細，鋼渣的摻入可以提高拌合物的比表面積，有利于提高混凝土的粘聚性。

3.1.3 鋼渣粉摻入對混凝土塌落度損失的影響

為進一步檢測鋼渣粉的摻入對混凝土工作性的影響，以A3000和A3040混凝土為例，測量了混凝土的塌落度損失，結(jié)果見表6。從表6中數(shù)據(jù)可知，鋼渣的摻入有利于減少混凝土的塌落度損失。這是因為與礦渣粉顆粒相比較，鋼渣粉顆粒更加圓鈍（如圖3所示），有利于混凝土流動度發(fā)展，達到相同流動度所需的水量較少。鋼渣的摻入有利于延緩塌落度損失，對于混凝土施工有利。

表6 混凝土塌落度損失

3.2 鋼渣粉摻入對混凝土力學性能的影響

3.2.1 鋼渣粉摻入對混凝土抗壓強度的影響

從表4混凝土的抗壓強度檢測結(jié)果可知，隨著鋼渣粉取代礦渣粉的比例逐漸增加，混凝土各齡期抗壓強度沒有明顯降低，部分還稍有增加，這主要與鋼渣粉中微細顆粒含量較高有關(guān)，微細顆粒在材料堆積中主要起孔隙填充作用，提高混凝土的結(jié)構(gòu)密實度［13－14］。鋼渣粉、礦渣粉在水化過程中能夠相互激發(fā)，鋼渣粉、礦渣粉和粉煤灰的疊加效應，對于混凝土強度的發(fā)展有一定的積極作用。因而隨著鋼渣粉的摻入，混凝土的強度沒有明顯降低，且當鋼渣粉取代礦渣粉50%時，各強度等級混凝土的抗壓強度都比較高。

3.2.2 鋼渣粉摻入對混凝土劈裂抗拉強度的影響

從表4鋼渣粉摻入對混凝土劈裂抗拉強度的影響數(shù)據(jù)看，隨著鋼渣粉摻入比例的增加，各配比混凝土劈裂抗拉強度整體下降不多，鋼渣粉取代礦渣粉50%時，各等級混凝土的劈裂抗拉強度都較高，C40混凝土28 d劈裂抗拉強度達到4.76 MPa，升高趨勢尤為明顯。

3.3 鋼渣粉摻入對水化產(chǎn)物的影響

為進一步研究鋼渣粉摻入對水化產(chǎn)物的影響，分別以水泥凈漿、與混凝土配合比相同的水泥＋粉煤灰＋礦粉凈漿（以下簡稱礦粉凈漿）、水泥＋粉煤灰＋礦粉＋鋼渣粉凈漿（以下稱鋼渣凈漿）成型，標準養(yǎng)護到3 d和28 d，用無水乙醇終止水化，進行SEM和XRD分析如圖3、4所示。

由圖3（a）可以看到水化3 d時水泥顆粒表面已有一層細小水化產(chǎn)物相互搭接形成空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)尚不緊密。由圖3（c）可以看出鋼渣凈漿水化3d時有極少量的針狀水化產(chǎn)物，顆粒邊界尚較清晰，完整的粉煤灰顆粒，不同顆粒之間還搭接較少。圖3（b）為水泥凈漿28 d時已經(jīng)出現(xiàn)明顯的水化硅酸鈣產(chǎn)物，還有極少量的針狀鈣礬石存在。圖3（d）表明鋼渣凈漿水化28 d時掃描電鏡圖片中可以看到大量的針狀鈣礬石存在，水化硅酸鈣的比例相對較少，粉煤灰顆粒表面較完整。說明鋼渣粉、礦渣粉的水化較慢，其中粉煤灰的水化最慢。

圖3凈漿微觀形貌圖

圖4（a）為凈漿水化3 d時的 XRD圖。C3S、C2S的峰強度較高，同時水化產(chǎn)物中出現(xiàn)了衍射峰較強的 Ca（OH）2、鈣礬石（Aft）和水化硅酸鈣（C－S－H），說明此時已經(jīng)發(fā)生了明顯的水化，鋼渣粉的摻入并沒有改變水化產(chǎn)物的種類。2θ為32.1、32.6、34.3、38.7、41.2和 51.7°時分別表示 C3S和C2S的單峰或疊加峰，三條譜線的峰高明顯不同，鋼渣凈漿的峰高明顯低于礦粉凈漿和水泥凈漿，說明水化3 d后，鋼渣凈漿中還留下較多的C3S和C2S。這是因為，雖然鋼渣中也含有與水泥熟料中成分一樣的C3S和C2S，但因為經(jīng)過了煉鋼工程中的高溫，這些C3S和C2S結(jié)構(gòu)比較致密，水化速度較慢。

圖4（b）為凈漿水化28 d時的XRD圖譜。圖譜中 2θ為 32.1、32.6、34.3、38.7、41.2和 51.7°時的C3S、C2C的峰高明顯降低，且鋼渣凈漿的峰高降低最為明顯，三條譜線在以上幾處的峰高已經(jīng)基本接近。2θ＝34.3、38.7°時，C3S、C2C的峰已經(jīng)基本看不見。說明鋼渣粉的摻入，與礦粉等相互疊加，且早期水化產(chǎn)物Ca（OH）2有利于激發(fā)鋼渣粉和礦粉的活性，后期水化程度逐漸提高。

圖4 凈漿水化28 d XRD圖譜

4 結(jié)論

通過本研究可知：

（1）采用鋼渣粉取代礦渣粉與粉煤灰復摻，制備了C15、C20、C30和C40四個等級的混凝土；

（2）鋼渣粉作為活性摻合料部分取代礦渣粉，有利于提高混凝土的流動性，延緩塌落度損失，降低滯后泌水；隨著鋼渣粉取代礦渣粉的比例逐漸增加，混凝土各齡期抗壓強度沒有明顯降低，部分還稍有增加，各配比混凝土劈裂抗拉強度整體下降不多；

（3）鋼渣粉的摻入，沒有改變水化產(chǎn)物種類，鋼渣粉早期水化速度較慢，后期水化程度逐漸提高。因此，昆鋼建材集團生產(chǎn)的鋼渣粉，要用作混凝土摻合料，替代礦渣粉使用，具有中等以上的活性。

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