钢渣、尾矿为原料的绿色混凝土力学性能研究

刘佩安 刘守诚 何兆芳 范晓鸣 樊传刚

【摘要】采用粗、细铁尾矿作为集料，采用42.5普硅水泥和钢渣微粉作为复合胶凝材料，和采用柠檬酸渣作为激发剂，制备出了系列钢渣尾矿混凝土试样，并对其性能进行了系统表征。当采用占复合胶凝材料10%的柠檬酸渣作为激发剂时，虽然钢渣含量在40%至70%内，胶砂试样的7 d 抗压强度随着钢渣含量增加而减小，但其28 d 抗压强度的变化幅度较小。采用复合胶凝材料和尾矿制备的混凝土试样，在钢渣用量占6.5%、尾矿用量占87%时，所制得的混凝土28d抗压强度可以达到21.5MPa，理论上可以制得孔隙率为43%，强度等级为MU10的混凝土空心砌块，且可以消耗大量的钢渣、铁矿尾矿等工业废弃物。

【关键词】钢渣；尾矿混凝土；柠檬酸渣；力学性能

一、前言

钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其产量约为钢产量的15～20%，大量钢渣的存放不仅占用土地，还会污染周围的环境。我国的钢渣中，70%是化学组成及矿物组成与硅酸盐水泥熟料相似的转炉钢渣，具有一定的潜在胶凝性能[1]，在适当条件下可以发挥出水化活性，在建材中可以单独或是与水淬高炉炉渣组合，起到替代一部分水泥的作用[2]。铁矿尾矿是铁矿石经加工、磁选后排放的矿物废料，主要成分为石英以及方解石、白云石等矿物，采用无尾矿库开采工艺后，大量尾矿的处理和处置问题尤为突出。研究表明[3]，水泥在水化过程中与石英颗粒能较紧密地结合，其结合能力仅次于石灰石和白云石。因此，若能无害地将铁矿尾矿作为骨料用于混凝土砌块的生产，不仅可以减低砌块生产成本，还可以有效地消化尾矿，减轻其对环境的污染。基于此，本文通过对所制备混凝土立方体试样的抗压强度进行测试的方式，研究了以钢渣、尾矿为主要原料的绿色混凝土试样的力学性能，希望通过采用尾矿作为集料，用钢渣替代部分水泥后获得能用于自保温墙体的高利废砌块材料。

二、实验部分

（一）实验原料

（1）水泥。采用马鞍山海螺水泥厂生产的海螺牌PO32.5复合硅酸盐水泥，比表面积350 m2/kg。

（2）钢渣。来自马鞍山钢铁集团第三炼钢厂所排出的钢渣，并在渣场堆存了一年。

（3）柠檬酸渣。马鞍山丰原制药有限公司生产柠檬酸工艺中所排放出的废渣，以CaSO4·2H2O为主。

（4）铁矿尾矿。马鞍山钢铁集团南山矿所排放的铁矿尾矿。

（5）水泥胶砂用标准砂。采用中国ISO标准砂（GB/T17671-1999），厦门艾思欧标准砂有限公司生产。

（二）试样配合比与性能表征

1.尾矿粒度分布的筛余分析。将样品置于105℃±5℃的烘箱内烘干至恒重，冷却至室温后，称取500g试样，置于按筛孔大小顺序排列的套筛（孔径分别为10.00mm、5.00mm、2.50mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm）的最后一只筛子上。将套筛装入摇筛机内，摇筛10min左右，然后取出套筛，称取各层筛筛余试样的质量。计算各层筛的筛余百分率以及累计筛余百分率，并按照下式计算细集料的细度模数：

式中：Mx——细度模数；

A1、…、A6——5.0mm、…、0.16mm各筛上的累计筛余百分率。

2.钢渣—水泥复合胶凝材料

在使用10%柠檬酸渣作为激发剂的条件下，分别使用不同掺量的钢渣等量取代水泥，以研究钢渣掺量对钢渣—水泥胶凝体系的影响。胶凝体系的标准稠度需水量按照GB/T 1346-2001方法进行，样品的安定性检测按照GB/T 1346-200方法进行，胶砂强度按照GB/T 17671-1999方法进行，具体配比见表1。

表2 所示为钢渣—水泥胶凝材料胶砂实验的样品配比。按照表中列出的配合比进行胶砂实验，然后测定其7天和28天的抗压强度和抗折强度，以研究钢渣掺量对钢渣—水泥胶凝体系强度的影响以及柠檬酸渣对钢渣的激发效果。实验过程中，胶砂比取1：3，水灰比取0.5，其中，编号为J-A0～J-A10的样品，钢渣中含10%的柠檬酸渣作为激发剂，编号为J-B4～J-B6的样品，钢渣中含5%的柠檬酸渣作为激发剂。

3.钢渣—水泥—尾矿混凝土

在使用10%柠檬酸渣作为激发剂的条件下，分别使用不同掺量的钢渣等量取代水泥后研究钢渣掺量对混凝土性能的影响。具体配比见表3，混凝土试块尺寸为100mm×100mm×100mm，使用GBJ80-85坍落筒法测试新拌混凝土的工作性能，使用GBJ81-85测试混凝土的抗压强度。

三、实验结果与讨论

（一）原材料性能

1.细尾矿

细尾矿含泥量为6.3%，模度系数为3.57，处于常规混凝土砂石级配的Ⅰ区[4]，筛余分析如表4所示。

2.粗尾矿

粗尾矿含泥量为3.1%，筛余分析如表5所示。

（二）胶凝材料性能

1.安定性

由于钢渣中f-CaO含量较高，掺入水泥成为复合胶凝体系后，有可能导致体系安定性不合格，笔者采用试饼法测定了表4.1中所示各配比的胶凝体系净浆样品的的安定性情况，试验结果表明，除A10（全钢渣）样品外，其余试样的安定性均合格。因此，在水泥中掺入不高于70%的钢渣是安全的。此外，陈平[5]、袁玲[6]等人研究发现，钢渣中由于f-CaO引起的微膨胀特性，可以补偿硅酸盐水泥的早期收缩，从而减少水泥体系的早期开裂问题，这对提高混凝土墙材的质量是有益的。

2.胶砂强度

表2中编号为J-A0～J-A10胶砂样品的抗折和抗压强度分别如图1和图2所示。从图中可以看出，随着钢渣掺量的增加，各龄期的抗折强度和抗压强度均呈下降趋势，这种趋势在早期更加明显，这与钢渣粉的矿物组成密切相关。与水泥相比，钢渣中主要有早期水化较慢的C2S矿物，而早期水化较快的C3A、C3S矿物量较少，因此，随着钢渣粉的掺入，胶凝体系早期水化速度减缓，掺入比例越大，水化速度越慢，早期强度越低[7]。此外，大掺量钢渣对水泥的取代会使液相中Ca2+浓度降低，导致液相中Ca2+浓度达到临界值的时间推迟，使胶凝材料的水化诱导期延长[8]，也会对早期强度造成不利影响。随着水化过程的继续进行，钢渣粉在水化产物Ca（OH）2的激发下开始水化，对胶凝体系的强度发展有利，但如果掺量较大，水泥量会相应减少，造成C-S-H凝胶量相应减少[9]，从而使得以钢渣为主的钢渣-水泥胶凝体系的强度要低于纯水泥。

（三）钢渣掺量对混凝土强度的影响

使用表3中各配合比所配制的混凝土样品的抗压强度如图3所示。图中，1#线表示H-A0～H-A6的抗压强度随钢渣掺量的变化关系，2#线表示H-B0～H-B6的抗压强度随钢渣掺量的变化关系。从图中可以看出，随着钢渣掺量的增加，混凝土样品的强度呈下降趋势。掺钢渣的混凝土前期强度较低，后期强度有较大的增长，其中，编号为H-B4的试样的90天抗压强度接近全水泥的H-B0试样的抗压强度。

四、结论

（1）使用钢渣（10%柠檬酸渣作为激发剂）和42.5普通硅酸盐水泥组成的胶凝材料，当钢渣含量在40%至70%过程变化时，虽然7 d 抗压强度随着钢渣含量增加而减小，但是28 d 抗压强度随着增加而降低。

（2）使用上述配合比配制的胶凝材料，在钢渣用量占6.5%，尾矿用量占87%，所制得的混凝土28d抗压强度可以达到21.5MPa，理论上可以制得孔隙率为43%，强度等级为MU10的混凝土空心砌块，且可以消耗大量的钢渣、铁矿尾矿等工业废弃物。

参考文献

[1] Jun S C， Shi Q J. High performance cementing materialsfrom industrial slags[J]. Resources Conservation and Recycling. 2000（29）： 195～207.

[2] 许远辉，陆文雄，王秀娟，等.钢渣活性激发的研究现状与发展[J].上海大学学报（自然科学版）.2004，10（01）：91～94.

[3] 肖林.建筑材料水泥土[M].北京：水利电力出版社，1987.

[4] 孟志良，李宏斌.建筑材料[M].北京：科学出版社，2001.

[5] 陈平，凃洪波，王红喜.利用钢渣矿粉制备中低强度等级大体积砼的试验研究[J].武汉理工大学学报.2006，28（5）：37～39.

[6] 袁玲，汪正兰.钢渣矿渣复合掺合料对水泥浆体性能的影响[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版）.2004，12（3）：43～46.

[7] 仲晓林，宫武伦，梁富智.磨细钢渣作泵送混凝土掺合料的性能和研究[J].工业建筑.1993（07）：44～53.

[8] 王强，阎培渝.大掺量钢渣复合胶凝材料早期水化性能和浆体结构[J].硅酸盐学报.2008，36（10）：1406～1401.

[9] 陈益民，张洪滔.磨细钢渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J].水泥.2001（05）：1～4.