钢铁渣粉对水泥基材料性能影响的机理研究

翟红侠，侯克伟

（安徽建筑大学 材料与化学工程学院，安徽 合肥230601）

0 引 言

钢渣是炼钢过程中产生的工业废渣，分为转炉钢渣、平炉钢渣、电炉钢渣。目前我国排放的钢渣70%以上都是转炉钢渣，且钢渣的排放量约占钢产量的10%，但利用率却很低，目前已经应用到建材、水泥、道路工程、农业、冶金炉料等领域中，但是与美国、日本、欧洲等发达国家相比还有一定的差距［1－2］。钢渣作为水泥熟料替代物可以减少水泥的需求量，保护环境资源。将钢渣作为矿物掺合料应用于混凝土中不仅符合我国可持续发展战略，也符合现代混凝土技术的发展方向。目前限制钢渣作为矿物掺合料应用于水泥混凝土的原因主要有两个方面：一是其活性较低，二是其体积稳定性较差。

本文通过对钢渣粉矿物组成的分析，研究了不同掺量的钢渣粉对水泥石力学性能和体积稳定性的影响，并对结果进行分析。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：巢湖威力水泥厂生产的PO·42.5普通硅酸盐水泥。

标准砂：厦门艾思欧标准砂有限公司。

钢渣粉：马钢提供，密度为3.26g／cm3，比表面积519.7m2／kg。

矿渣粉：马钢提供，密度2.85g／cm3。比表面积484m2／kg。钢渣粉与矿渣粉的化学成分见下表1：

表1 原材料化学分析w%

根据唐明述研究结果［3］，在一定程度上钢渣的碱度越大，其水化活性越大，根据钢渣的碱度可将钢渣分为橄榄石渣（低水化活性，M＝0.9－1.4）、镁硅钙石渣（低水化活性，M＝1.4－1.6）、硅酸二钙渣（中水化活性，M＝1.6－2.4）、和硅酸三钙渣（高水化活性，M＞2.4）。马钢钢渣粉碱度M＝4.06，属于高碱度硅酸三钙渣，7d活性指数76.8%，28d活性指数81.1%，钢渣粉等级为一级。钢渣粉与矿渣粉XRD分析如下图1，图2：

由图1分析钢渣XRD图谱并结合钢渣化学组成及有关文献［4－7］可知：图谱中2，3为硅酸三钙特征峰（C3S），2，4，8为硅酸二钙特征峰（C2S），4，5，10为铁酸二钙特征峰（C2F），1，6，11为氢氧化钙特征峰，7，9为RO相特征峰。由图2可知矿渣玻璃体含量组成高于钢渣。而钢渣粉的矿物组成与硅酸盐水泥熟料矿物组成基本相近，因此深入研究钢渣粉内部活性及体积稳定性具有重要的意义。

1.2 试验方法

水泥强度测定按GB／T17671－2007水泥胶砂强度检验进行。体积稳定性测定按GB／T 29417－2012水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法进行。游离氧化钙的测定根据YB／T 4328－2012钢渣中游离氧化钙含量测定方法进行。钢渣与矿渣化学成分采用CIT－3000SMD型能量色散X荧光分析仪分析，矿物组成采用D8ADVANCE X射线衍射仪进行分析。水泥水化产物采用JSM－7500F型扫描电镜进行微观分析。

2 试验结果及分析

2.1 钢渣粉对水泥基材料力学性能影响

钢渣粉与矿渣粉对水泥胶砂力学性能的影响试验配比如下表2；结果如图3；

表2 钢渣／矿渣对力学性能影响试验配比表

由图3可知：随着钢渣粉与矿渣粉掺量的增加，水泥胶砂7d，28d抗压强度都逐渐降低；钢渣粉的掺量在10%时能满足42.5水泥胶砂强度要求，掺量继续增加，强度下降幅度较大。矿渣粉掺量为10%，胶砂28d抗压强度略高于空白样，掺量继续增加，胶砂抗压强度有所下降，但下降幅度较小，且掺量达到30%能满足42.5水泥胶砂强度要求。在相同的掺量情况下，矿粉对力学性能的影响优于钢渣粉。

2.2 钢渣粉对水泥石体积稳定性影响

不同掺量钢渣粉对水泥石体积稳定性的影响如下图3：

由图3可知：掺钢渣粉水泥基材料膨胀率较大，随着掺量的增加，对水泥石体积稳定性的影响越发明显，尤其在7d以后体积膨胀率增长较快，到14d以后基本保持平稳，空白样则随着龄期的增长，逐渐收缩。

3 机理分析

由图4、图5、图6可知：掺钢渣的水泥基材料水化28d后生成的CSH凝胶体较少，且有许多针棒状物质（AFt）和六方片状晶体Ca（OH）2生成，与CSH凝胶体交织在一起，使水泥石结构变得疏松，对水泥石强度有较大影响。掺矿渣的水泥基材料在水化28d后生成的CSH凝胶体较多，水泥石结构比较密实，因此其强度较高。钢渣的化学成分虽类似于硅酸盐水泥熟料，由于钢渣中含铁量较高，因此其胶凝性组分含量相对就少，且钢渣的形成温度约在1650℃，比水泥熟料的烧成温度要高，温度过高会使C3S，C2S等矿物内部变得致密，内比表面积较小，晶格发育完整，活性低，反应需要时间较长。冷却的过程中也会有β－C2S向γ－C2S转化，从而导致其活性较低。随着掺量的增加，早期活性的组分相对减少，使强度进一步降低。但后期随着龄期的发展，钢渣中具有胶凝性的组分开始慢慢水化，水泥石结构变得密实，促使强度有所增长。矿渣中玻璃体含量较多，随着掺量的增加，复合胶凝材料中早期活性较高的组分相对减少，导致早期强度随掺量增加而降低，但是随着水泥的水化，后期矿渣中玻璃体会受到水泥水化后碱性环境的激发，反应生成大量对强度有利的CSH凝胶。

由图6可知，水化产物CSH凝胶中交织了大量的针棒状物质（Aft），六方板状晶体嵌入在水泥石中，使水泥石结构松散，且部分区域出现微裂纹。从钢渣的化学成分可知其游离氧化钙的含量超标（不大于3%），在炼钢的过程中，为了造渣及调节碱度引入CaO，引入的CaO在反应的过程中，其中一部分被C2S等矿物包裹，不能参与到反应中，在经历1600℃的煅烧下，使其结构致密，内比表面积较小，晶格发育完整，因而其活性较低。部分杂质离子如Fe2＋，Al3＋固溶到CaO晶格内部，置换晶格中的Ca2＋，改变了其水化活性［8］。因此钢渣中游离氧化钙需要较长时间才能与水发生反应生成Ca（OH）2。游离氧化钙的延迟反应会使已经硬化的水泥石膨胀，出现微裂纹。

4 结论

（1）钢渣粉作为矿物掺合料对水泥基材料力学性能影响显著，随着掺量增大，强度逐渐降低，掺量从10%增大到20%，强度下降幅度较大，其最佳掺量应在10%左右。

（2）钢渣粉对水泥基材料的体积稳定性影响较大，随着掺量的增大，自由膨胀率增大，在7d至14d龄期内，自由膨胀率增长最快。

（3）若将钢渣作为矿物掺合料大规模的应用于水泥混凝土，其胶凝性及体积稳定性是亟待解决重要课题。

1 李景云.提高钢渣资源化利用的探讨［J］.冶金经济与管理，2013（3）：17－20.

2 刘瑛，方宏辉，卢丽君.钢渣处理与综合利用技术研究进展［J］.化学工程与装备，2014，（9）：190－192.

3 唐明述，袁美栖，韩苏芬，等.钢渣中 MgO、FeO、MnO的结晶状态与钢渣的体积安定性［J］.硅酸盐学报，1979，7（1）：35－46.

4 李玉祥，王振兴，冯敏，等.不同激发剂对钢渣活性影响的研究［J］.硅酸盐通报，2012，31（2）：280－284.

5 王玉吉，叶贡欣.氧气转炉钢渣主要矿物相及其胶凝性能的研究 ［J］.硅酸盐学报，1981，9（3）：302－308.

6 Essia Belhadj，Cécile DilibertoAndréLecomte.Characterization and activation of Basic Oxygen Furnace slag［J］.Cement and Concrete Composites，2012，34（1）：34－40.

7 刘迪，邓敏，林长农，等.钢渣微观结构及性能分析［J］.混凝土，2014，（12）：88－94.

8 施惠生.氧化钙的显微结构与水化活性［J］.硅酸盐学报，1994，22（2）：117－123.