昆钢钢渣微粉在混凝土中的应用研究

韩长菊，张育才，黄岚，宋华，祁加彬

（1.昆明冶金高等专科学校建材学院，云南昆明650033 2.云南昆钢水泥建材集团技术中心，云南昆明650033）

0 前言

钢渣是炼钢时产生的一种工业副产品，属于过烧劣质熟料，具有较高的潜在活性，理论上在混凝土行业具有广泛的应用前景，但实际的应用情况却远不如粉煤灰和矿渣粉等工业废渣［1－4］。云南省缺乏优质矿渣粉，且活性较低，通过碱性激发，可以达到S75级［5］。将钢渣经过预处理磨细成粉，以优质钢渣微粉代替矿渣粉，开发新型钢渣矿粉掺合料，既可为钢铁企业的钢渣有效利用提供一条途径，又可以为混凝土行业提供新的活性矿物掺合料，以解决优质矿粉资源不足的问题。昆钢钢渣排放量大，通过热闷、磁选、粉磨处理，用作混凝土活性掺合料，是实现钢渣“零排放”资源化利用的有效途径［6］。

1 实验材料

实验采用的原材料主要有昆钢嘉华水泥有限公司生产的P.O 42.5水泥，云南昆钢工业废渣综合利用开发有限公司生产的钢渣粉和矿渣粉，和云南广泰混凝土有限公司生产的粉煤灰和砂石料。其中，钢渣粉、矿渣粉和粉煤灰为用于混凝土的活性掺合料，与水泥一起，在混凝土中主要起胶结作用，硬化后将砂、石料胶结成一个整体，属于无机类胶凝材料。

1.1 胶凝材料化学性能分析

1.1.1 胶凝材料化学成分分析

实验所用胶凝材料的化学成分见表1。钢渣粉的活性评价方法常用碱度系数法，碱度系数为M＝中等活性，属于硅酸二钙渣［7］。经对钢渣粉生产线5个月的跟踪分析，钢渣粉的 f－CaO含量波动范围为1.30% ～2.06%，安定性合格。

表1 胶凝材料化学成分／%

由化学成分计算矿渣粉相关品质系数为

碱性系数

质量系数

该矿渣碱性系数小于1，属酸性矿渣；根据GB／T 203—2008《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的规定，由质量系数判断，本样品属合格品，矿粉活性一般［8］。

1.1.2 胶凝材料矿物组成分析

实验所用胶凝材料的X射线衍射图如图1所示，分析显示，钢渣粉主要矿物组成为C2S、C3S、C2F和RO相（FeO、MgO）等。粉煤灰图谱显示其主要矿物为莫来石、石英等相。矿粉图谱无明显的晶相衍射峰，主要以玻璃体形式存在，有利于活性的发挥。

图1凝胶材料的XRD图谱图

1.2 胶凝材料的颗粒形貌

胶凝材料的SEM分析如图2所示。扫描电镜下可以看到，钢渣粉颗粒比矿粉形貌规整，颗粒边棱不明显，少见条状、片状颗粒，边角圆钝。矿渣粉颗粒形貌不规则，边棱较清晰，含一定条状、片状、针状颗粒。粉煤灰多为球形颗粒，表面光滑，球形颗粒尺寸约几μm至几十μm，10μm以下颗粒极少，小颗粒多相互聚集。

图2胶凝材料的SEM图

2 实验方法

根据JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》，参考昆明周边多个混凝土搅拌站配合比，设计出C15、C20、C30和C40四个强度等级的混凝土（见表3），在矿粉和粉煤灰复掺的基础上，用钢渣粉等量取代矿渣粉［9］。采用 GB／T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》检测试样工作性［10］，采用GB／T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》检测试样力学性能［11］。

表3 混凝土配合比设计

3 结果与分析

3.1 钢渣粉掺入对混凝土工作性能的影响

3.1.1 钢渣粉掺入对混凝土流动性的影响

通过检测不同配比混凝土的塌落度和扩展度，考察钢渣粉掺入对混凝土流动度的影响（见表4）。由表4中数据可以看出，钢渣粉的掺入有利于混凝土流动度的提高。因为钢渣粉可以改变胶凝材料水化基体的孔道大小与分布，对浆体的流动性能起到积极作用。另钢渣粉大部分呈大小不等、光滑的圆球状细颗粒，填充于水泥颗粒的空隙中，形成了更为合理的级配，钢渣粉细颗粒在新拌水泥浆中具有轴 承效果，可增大水泥浆的流动度［12］。

表4 混凝土性能检测

3.1.2 钢渣粉掺入对混凝土泌水性的影响

为检测钢渣粉掺入对混凝土泌水的影响，实验以C20混凝土为例，分别检测A2000（基准组）和A2050（50%钢渣取代组）的泌水量，实验结果见表5。

表5 泌水时间与累计泌水量

实验中，混凝土拌合装模初期无泌水，在装模后70 min左右开始出现泌水，50%钢渣取代组累计泌水率稍高于基准组，而110 min后，基准组的累计泌水率明显高于50%取代组，说明钢渣的掺入有利于降低混凝土的滞后泌水。这可能是由于钢渣粉较细，钢渣的掺入可以提高拌合物的比表面积，有利于提高混凝土的粘聚性。

3.1.3 钢渣粉掺入对混凝土塌落度损失的影响

为进一步检测钢渣粉的掺入对混凝土工作性的影响，以A3000和A3040混凝土为例，测量了混凝土的塌落度损失，结果见表6。从表6中数据可知，钢渣的掺入有利于减少混凝土的塌落度损失。这是因为与矿渣粉颗粒相比较，钢渣粉颗粒更加圆钝（如图3所示），有利于混凝土流动度发展，达到相同流动度所需的水量较少。钢渣的掺入有利于延缓塌落度损失，对于混凝土施工有利。

表6 混凝土塌落度损失

3.2 钢渣粉掺入对混凝土力学性能的影响

3.2.1 钢渣粉掺入对混凝土抗压强度的影响

从表4混凝土的抗压强度检测结果可知，随着钢渣粉取代矿渣粉的比例逐渐增加，混凝土各龄期抗压强度没有明显降低，部分还稍有增加，这主要与钢渣粉中微细颗粒含量较高有关，微细颗粒在材料堆积中主要起孔隙填充作用，提高混凝土的结构密实度［13－14］。钢渣粉、矿渣粉在水化过程中能够相互激发，钢渣粉、矿渣粉和粉煤灰的叠加效应，对于混凝土强度的发展有一定的积极作用。因而随着钢渣粉的掺入，混凝土的强度没有明显降低，且当钢渣粉取代矿渣粉50%时，各强度等级混凝土的抗压强度都比较高。

3.2.2 钢渣粉掺入对混凝土劈裂抗拉强度的影响

从表4钢渣粉掺入对混凝土劈裂抗拉强度的影响数据看，随着钢渣粉掺入比例的增加，各配比混凝土劈裂抗拉强度整体下降不多，钢渣粉取代矿渣粉50%时，各等级混凝土的劈裂抗拉强度都较高，C40混凝土28 d劈裂抗拉强度达到4.76 MPa，升高趋势尤为明显。

3.3 钢渣粉掺入对水化产物的影响

为进一步研究钢渣粉掺入对水化产物的影响，分别以水泥净浆、与混凝土配合比相同的水泥＋粉煤灰＋矿粉净浆（以下简称矿粉净浆）、水泥＋粉煤灰＋矿粉＋钢渣粉净浆（以下称钢渣净浆）成型，标准养护到3 d和28 d，用无水乙醇终止水化，进行SEM和XRD分析如图3、4所示。

由图3（a）可以看到水化3 d时水泥颗粒表面已有一层细小水化产物相互搭接形成空间网络结构，但结构尚不紧密。由图3（c）可以看出钢渣净浆水化3d时有极少量的针状水化产物，颗粒边界尚较清晰，完整的粉煤灰颗粒，不同颗粒之间还搭接较少。图3（b）为水泥净浆28 d时已经出现明显的水化硅酸钙产物，还有极少量的针状钙矾石存在。图3（d）表明钢渣净浆水化28 d时扫描电镜图片中可以看到大量的针状钙矾石存在，水化硅酸钙的比例相对较少，粉煤灰颗粒表面较完整。说明钢渣粉、矿渣粉的水化较慢，其中粉煤灰的水化最慢。

图3净浆微观形貌图

图4（a）为净浆水化3 d时的 XRD图。C3S、C2S的峰强度较高，同时水化产物中出现了衍射峰较强的 Ca（OH）2、钙矾石（Aft）和水化硅酸钙（C－S－H），说明此时已经发生了明显的水化，钢渣粉的掺入并没有改变水化产物的种类。2θ为32.1、32.6、34.3、38.7、41.2和 51.7°时分别表示 C3S和C2S的单峰或叠加峰，三条谱线的峰高明显不同，钢渣净浆的峰高明显低于矿粉净浆和水泥净浆，说明水化3 d后，钢渣净浆中还留下较多的C3S和C2S。这是因为，虽然钢渣中也含有与水泥熟料中成分一样的C3S和C2S，但因为经过了炼钢工程中的高温，这些C3S和C2S结构比较致密，水化速度较慢。

图4（b）为净浆水化28 d时的XRD图谱。图谱中 2θ为 32.1、32.6、34.3、38.7、41.2和 51.7°时的C3S、C2C的峰高明显降低，且钢渣净浆的峰高降低最为明显，三条谱线在以上几处的峰高已经基本接近。2θ＝34.3、38.7°时，C3S、C2C的峰已经基本看不见。说明钢渣粉的掺入，与矿粉等相互叠加，且早期水化产物Ca（OH）2有利于激发钢渣粉和矿粉的活性，后期水化程度逐渐提高。

图4 净浆水化28 d XRD图谱

4 结论

通过本研究可知：

（1）采用钢渣粉取代矿渣粉与粉煤灰复掺，制备了C15、C20、C30和C40四个等级的混凝土；

（2）钢渣粉作为活性掺合料部分取代矿渣粉，有利于提高混凝土的流动性，延缓塌落度损失，降低滞后泌水；随着钢渣粉取代矿渣粉的比例逐渐增加，混凝土各龄期抗压强度没有明显降低，部分还稍有增加，各配比混凝土劈裂抗拉强度整体下降不多；

（3）钢渣粉的掺入，没有改变水化产物种类，钢渣粉早期水化速度较慢，后期水化程度逐渐提高。因此，昆钢建材集团生产的钢渣粉，要用作混凝土掺合料，替代矿渣粉使用，具有中等以上的活性。

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［8］GB／T 203—2008，用于水泥中的粒化高炉矿渣［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［9］JGJ55—2000，普通混凝土配合比设计规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［10］GBT 50080—2002，普通混凝土拌合物性能试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［11］GBT 50081—2002，普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.北京：中国标准出版社，2003.

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