钢渣粉掺入对高强尾矿混凝土性能的影响

崔孝炜 倪 文

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.商洛学院化学工程与现代材料学院，陕西 商洛 726000；3.陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西 商洛 726000)

钢渣粉掺入对高强尾矿混凝土性能的影响

崔孝炜1,2,3倪 文1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.商洛学院化学工程与现代材料学院，陕西 商洛 726000；3.陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西 商洛 726000)

为了研究钢渣粉掺入对高强尾矿混凝土性能的影响，以比表面积为5 950 cm2/g的钢渣粉等量替代比表面积为5 137 cm2/g的基础胶凝材料(铁尾矿、矿渣、水泥熟料、天然石膏的梯级磨矿产品，各对应成分的质量比为40∶26∶26∶8)进行了胶砂流动度试验，并以等质量的原始粒级铁尾矿为骨料，进行了混凝土试件强度试验。结果表明：钢渣粉的掺入在一定程度上提高了体系的流动度；钢渣粉的掺入对混凝土早期强度有明显的负面影响；钢渣粉水化作用的缓慢、持久释放，使掺钢渣粉的混凝土后期强度显著增长，但钢渣粉的掺量不宜超过20%。试验产品的SEM分析表明，无论是否掺加钢渣粉，尾矿混凝土水化产物均为钙矾石和C-S-H凝胶；在反应的中后期，体系中C-S-H 凝胶和钙矾石的协同生成能够促进体系强度的增长。

钢渣粉 胶凝材料 高强尾矿混凝土 流动度 抗压强度 抗折强度

钢渣是钢铁冶炼的废料，每生产1 t钢材约产生0.5 t钢渣。然而，长期以来，钢渣的利用率都较低[1-2]。微观分析表明，钢渣粉的矿物组成包括硅酸二钙、硅酸三钙、氧化镁、f-CaO产生的Ca(OH)2、RO相(MgO、FeO和MnO的固溶体)，以及少量的铁酸钙、铝酸钙等，与硅酸盐水泥的矿物组成比较接近，因此，钢渣应该是一种具有较好潜在水硬性的材料[3]。将其作为高强尾矿混凝土的掺合料，能够改善混凝土的性能，降低生产成本[4-5]。目前，尾矿资源综合利用的一个重要方向就是制备混凝土[6-7]。本试验通过向尾矿混凝土中掺加钢渣粉的方法，研究了钢渣粉的掺入对尾矿混凝土强度的影响。

1 试验原料与试验设备

1.1 试验原料

铁尾矿取自鞍钢齐大山铁矿，主要矿物为石英，赤铁矿少量，+0.63 mm粒级产率不足1%，-0.08 mm粒级产率为14.4%，属于高硅中细粒铁尾矿。

钢渣取自鞍钢集团公司，主要矿物组成是硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)，RO相(MgO、FeO和MnO的固溶体)及少量游离的氧化钙(f-CaO)、铁酸钙(C2F)、铝酸钙(C12A)。

水泥熟料为唐山市冀东水泥厂的普通硅酸盐水泥熟料。

石膏为北京房山区双山水泥厂的脱硫石膏。

矿渣为首钢公司的高炉水淬矿渣。

减水剂为北京慕湖外加剂公司生产的PC高效减水剂。

试验用水为自来水。

主要原料化学成分分析结果见表1。

表1 主要原料的化学成分分析结果

1.2 试验设备及仪器

试验所用主要设备有SMΦ500×500型球磨机，SJ-ISO型水泥净浆搅拌机，YDT90S-8/4型砂浆搅拌器，DBT-127型勃氏透气比表面积仪，YES-300型数显压力试验机，YH-40B型标准恒温恒湿养护箱，ZS-15型水泥胶砂振实台，Mastersizer 2000型激光粒度分析仪，Rigaku D/Max-RC型X射线衍射仪(XRD)，S250型扫描电镜和SUPRA 55型场发射扫描电镜等。

2 胶凝材料的制备和试验方案

2.1 胶凝材料的制备与粒度特征

2.1.1 胶凝材料的制备

试验用胶凝材料由基础胶凝材料和磨细的钢渣粉组成。

将铁尾矿、矿渣、水泥熟料、脱硫石膏按40∶26∶26∶8的比例进行梯级混磨。物料粉磨采用水泥试验室常用的SMφ500×500型球磨机，研磨介质为生产厂家标准配置，所有磨料过程都保持5 kg装料量。首先对齐大山铁尾矿粉磨20 min，然后按比例掺入首钢矿渣(5～0.1 mm)，混磨70 min，再在第一阶段混磨料中按比例掺入水泥熟料和石膏，最后混磨60 min得粉磨混合料，即基础胶凝材料。

将钢渣破碎至-4.75 mm，然后单独粉磨90 min即得钢渣粉。

2.1.2 胶凝材料的粒度特征

胶凝材料的细度见表2。

表2 胶凝材料的细度

从表2可以看出，基础胶凝材料和钢渣粉的粒度均较细，比表面积分别为5 137和5 950 cm2/g，d90分别为13.10和12.13 μm，钢渣粉的细度更高。

2.2 试验方案

用制备好的钢渣粉等量替代0%、5%、10%、15%、20%、25%的基础胶凝材料，制备试验用胶凝材料，试验配比见表3。

表3 试验原料配合比

按胶砂比1∶1将胶凝材料和骨料(原始粒级铁尾矿)混合，加入0.4%的PC高效减水剂，按水胶比0.24制备40 mm×40 mm×160 mm的胶砂试块。

试块标准养护1 d后拆模，在56 ℃条件下蒸养12 h后继续标准养护，测定不同规定龄期各试块的强度，按照《GB/T17671—1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试试块的强度。

3 试验结果与讨论

3.1 钢渣粉对水泥胶砂流动性的影响

按照《GB/T2419—2005 水泥胶砂流动度测定方法》测试掺入不同比例钢渣粉胶砂体系的流动度，结果见图1。

由图1可以看出，随着钢渣粉掺量的增大，胶砂体系的流动度先上升后下降，但均高于纯基础胶凝材料体系的流动度，这主要是由于掺入的钢渣粉比基础胶凝材料的粒度更细，其掺入可发生一定的微集料效应[8-9]。当钢渣粉掺量为15%时，其流动度最大。

图1 钢渣粉的掺量对混凝土流动度的影响

3.2 钢渣粉对混凝土试件强度的影响

按照《GB/T17671—1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试掺入不同比例钢渣粉尾矿混凝土试块不同龄期的抗折强度和抗压强度，结果见图2、图3。

图2 钢渣粉掺量对试件抗折强度的影响

图3 钢渣粉掺量对试件抗压强度的影响

从图2、图3可以看出，钢渣粉的掺入对尾矿混凝土试件早期强度的影响尤其显著，这主要是因为钢渣水化比较慢，反应初期大部分钢渣未参与反应，因而体系的早期强度明显低于未加钢渣粉的体系；随着钢渣粉掺量的增加，混合料中水泥熟料的掺量减少，生成的C-S-H凝胶的量减少，因而掺入钢渣粉的混凝土28 d的强度略低于相同龄期未掺钢渣粉的混凝土强度[10-11]；随着养护龄期的延长，钢渣粉颗粒逐渐参与水化反应，对试件强度的贡献逐渐体现，因而掺入钢渣粉后试件28 d的强度相对早期强度降幅较小。当钢渣粉的掺量超过20%以后，试件28 d的抗压强度和抗折强度均开始加速下降。因此，确定钢渣粉的掺量占胶凝材料质量分数的20%。

4 硬化浆体试块的微观形貌分析

分别用基础胶凝材料和用等量替代法掺入20%钢渣粉的胶凝材料制备试块，进行微观形貌分析。试块制作过程中PC高效减水剂掺量为0.4%，水胶比为0.24，采用水泥净浆搅拌机，按照《GB/T1346-2001 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中水泥净浆的拌制规定进行搅拌，搅拌后制备30 mm×30 mm×50 mm的试块，标准养护1 d后拆模，再采用56 ℃蒸汽养护12 h，然后继续进行标准养护，对28 d的试件分别进行SEM分析，结果见图4。

图4 水化28 d的硬化浆体试块的SEM照片

从图4并结合试件的XRD图谱可以看出，无论是否掺加钢渣粉，试件的水化产物均为钙矾石和C-S-H凝胶。随着水化过程的不断进行，凝胶相不断包裹铁尾矿颗粒及钙矾石晶体、并充填颗粒间的孔隙，使得空隙不断减少甚至消失，因而混凝土结构变得越来越致密。

钢渣粉在反应初期水化速度较慢，但在反应后期，钢渣中的f-CaO及RO相发生水化反应，其水化产物主要为C-S-H凝胶、Ca(OH)2以及少量的Fe6(OH)12(CO3)。在反应的中后期，体系中不断生成的C-S-H 凝胶与钙矾石发生协同反应，促进了体系强度的提高[10]。结晶度较高的针状钙矾石晶体相互搭接，C-S-H凝胶和未反应的铁尾矿微粒填充在其中，彼此交织在一起，使较疏松、脆弱的网络逐渐密实，因而对混凝土强度的提高有极大的促进作用。

5 结 论

(1)以比表面积为5 950 cm2/g的钢渣粉等量替代比表面积为5 137 cm2/g的基础胶凝材料，可提高高强尾矿混凝土的流动性，掺加整个胶凝材料质量分数15%的钢渣粉时，胶凝体系的流动度最大。

(2)钢渣粉的掺入对高强尾矿混凝土的力学性能有较大影响。随着钢渣粉掺量的增加，混凝土早期强度明显下降，但对后期强度影响较小，主要是由于钢渣粉水化反应速度较慢，随着水化时间的延长，钢渣粉水化效果逐步释放，混凝土后期强度提高显著，这表明钢渣粉的掺入有利于后期强度的增长。当钢渣粉掺量超过20%后，尾矿混凝土的强度开始加速下降，因此，钢渣粉的掺量以20%为宜。

(3)SEM和XRD分析表明，无论是否掺入钢渣粉，尾矿混凝土水化产物均是钙矾石和C-S-H凝胶。在反应的中后期，体系中C-S-H 凝胶和钙矾石的协同反应能够促进体系强度的增长。

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(责任编辑 罗主平)

Effect of Steel Slag Powder Addition on Properties of High Strength Tailings Concrete

Cui Xiaowei1,2,3Ni Wen1

(1.CollegeofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing，100083，China;2.CollegeofChemicalEngineeringandModernMaterials，ShangluoUniversity，Shangluo726000，China；3.ShaanxiKeyLaboratoryofComprehensiveUtilizationofTailingsResources，Shangluo726000，China)

In order to study the effect of dosage of steel slag powder on high strength tailings concrete，the fluidity of cementitious concrete strength is conducted using steel slag powder，with specific surface area of 5 950 cm2/g，to replace the same amount of basic cementitious material，with specific surface area of 5 137 cm2/g，which is prepared by cascade grinding products with iron tailings，slag，cement clinker and natural gypsum in proportion of 40∶26∶26∶8，and then the original iron tailings as aggregate with equal quality，the concrete strength are tested.The results show that，addition of steel slag powder improved the fluidity of the system to some extent，and had a negative effect on the strength of concrete at early stage.That hydration of steel slag power acts slowly and releases sustainably made the strength of concrete increased significantly later，while the dosage of steel slag powder should not exceed 20%.The SEM analysis on the products shows that，whether mixed with steel slag powder or not，the tailings concrete has hydration products of ettringite and C-S-H gel，during the middle and later stage of the hardening process，the coordinated growth of C-S-H gel and ettringite can increase the strength of the system.

Steel slag powder，Cementitious material，High strength tailings concrete，Fluidity，Compressive strength，Flexural strength

2014-06-04

商洛学院服务地方专项(编号：12SKY-FWDF008)，陕西省科技厅自然科学基金项目(编号：2014JM2055)，陕西省科技统筹创新工程项目(编号：2012KTDZ02-02-01)。

崔孝炜(1988—)，男，助教，博士研究生。

TD926.4

A

1001-1250(2014)-09-177-04