磨细钢渣微粉掺量对水泥砂浆力学性能的影响

黄俊田，伦云霞

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430023)

磨细钢渣微粉掺量对水泥砂浆力学性能的影响

黄俊田，伦云霞

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430023)

通过测试磨细武钢钢渣粉代替45 g、135 g、225 g水泥时水泥砂浆的抗压强度，研究了钢渣微粉的胶凝活性。实验结果表明，适量的磨细钢渣微粉代替水泥对砂浆的抗压强度影响不大，7 d龄期下，空白组抗压强度为21.72 MPa，掺加磨细钢渣粉的组按掺量强度分别为22.90 MPa、17.35 MPa、16.19 MPa。掺加适量(≤30%)磨细钢渣粉也可以增强微集料填充效应，提高抗压强度。

钢渣粉；强度；掺量；龄期

1 引言

1996 年中国粗钢生产产量居世界第一之后到2012年连续 17 年都居于世界第一。 2010年中国生产粗钢产量总计为 48.99 亿吨， 占世界粗钢产量总计的 21.14%[1]。在如此巨大的产量面前，不得不重视在钢铁生产的过程中产生的主要废弃物——钢渣，其排出量约为钢产量的15—20%[2]，即我国每年在生产钢材的过程中会产生一亿多吨的钢渣废料。由于钢渣成分比较复杂，性能不稳定，处理方法发展的也较为缓慢，我国钢渣的利用率仅为39.7%[3]，导致了我国钢渣的大量堆积，不仅造成资源浪费，也造成了大量土地占用和环境破坏。研究表明[4-5],钢渣的化学成分主要是CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、MgO、P2O5、MnO等，与硅酸盐水泥熟料化学成分接近[6]。钢渣矿物组成较为复杂且与碱度M(M=CaO/(SiO2+P2O5))有关。碱度较高的钢渣中的硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，使钢渣具有类似硅酸盐水泥熟料的水硬胶凝性。这为钢渣利用开辟了一条新路径。

笔者通过使用XRD、SEM分析、观察钢渣微粉的化分组成和形貌特征。通过不同掺量钢渣微粉的水泥砂浆抗压强度研究其胶凝性能。

2 实验原材料与方法

2.1 原材料

钢渣取自武钢转炉渣自然冷却堆场，在室外堆放一个月后通过球磨机粉磨2 h，并经过烘干后制成。取500 g过0.075 mm筛，筛余量为150 g。

水泥选自湖北鄂州华新水泥厂生产的普通硅酸盐水泥P.O 42.5。

拌合水选自武汉市东西湖区管网饮用自来水。

表1 砂筛分试验

筛孔尺寸/mm1052．51．250．630．3150．160．08筛底合计筛余质量/g101．33046．291．5228．678185．2498．820124．94792．2230．279．318．65．8499．0分计筛余量a/%100．266．009．2418．3045．7215．603．601．041．0200．204．989．4018．4446．0415．863．721．161．0累计筛余量A/%100．266．2615．5033．8079．5295．1298．7299．76200．204．9814．3832．8278．8694．7298．4499．60

2.2 方法

通过X射线衍射仪测定钢渣的矿物组成,用Hitachi(日本)S-3400N扫描电镜对钢渣进行形貌观察。参考水泥胶砂强度检验方法(ISO法) GB/T 17671—1999，水泥与砂的质量比为1∶3，水灰比为0.5。材料配比如表2所示。模具采用40×40×160 mm三联模具。每成型三条试件需称量水泥450±2 g，砂1350±5 g。拌合用水量为225±1 mL。

表2 材料配合比 /g

3 结果与分析

3.1 结果

实验结果见表3，空白组7d和28d的抗压强度分别是21.72 MPa、27.30 MPa。第二组的7 d和28 d的抗压强度分别是22.90 MPa、37.59 MPa。第三组的抗压强度分别是24.72 MPa、40.69 MPa。第四组的抗压强度分别是17.35 MPa、38.67 MPa。第五组的抗压强度分别是16.77 MPa、31.41 MPa。第六组的7 d和28 d抗压强度分别是16.19 MPa、26.19 MPa。如图1所示，随着龄期的增加，所有组试件的后期抗压强度都有所增加。但是，掺加钢渣粉的试件强度增长相比于空白组增长快。空白组的强度增长率为25.7%，其他组的强度增长率分别为64.1%、61.81%、122.9%、87.30%、61.9%。

表3 砂浆强度

龄期空白掺量10%20%30%40%50%7d21．7222．924．7217．3516．7716．1928d27．337．5940．6938．6731．4126．19

图1 砂浆强度

同龄期下，掺加不同掺量钢渣粉的试件的早期抗压强度随着掺量增加递减。但是当掺量超过30%的时候，试件的后期强度增长率开始降低。

3.2 分析

3.2.1 活性分析

XRD检测结果如图2所示，参照武汉工业大学出版的无机非金属材料图谱手册，可见钢渣的主要组成矿物是硅酸三钙(C3S)，硅酸二钙(C2S)，铁酸二钙(C2F)，铁铝酸四钙(C4AF)，二铝酸一钙(CA2)和组成未知的含铁固溶体，(RO)相，这和硅酸盐水泥熟料的矿物组成成分大致相同，使钢渣具有类似硅酸盐水泥熟料的水硬胶凝性，所以可以将钢渣粉代替水泥作为胶凝材料。但由于钢渣形成温度较高(1 600—1 700 ℃)，使钢渣具有过烧硅酸盐水泥熟料的特点，水硬性发展缓慢[7]。这可能是掺加了钢渣粉的试件后期强度以及强度增长率比空白组的大的原因。

图2 转炉渣XRD检测结果

3.2.2 微集料填充效应

矿物掺合料对混凝土工作性的影响因素主要是矿物本身的组成结构，粒子尺寸大小及分布，粒子形状等[8],一般认为粒子尺寸分布范围较广的矿物掺合料有益于改善混凝土的工作性及强度。这是因为它能很好地发挥小颗粒填充在大颗粒之间空隙的填充作用，使结构变得致密，强度提高。通常水泥的平均颗粒粒径为10 —20 μm，小于10 μm的粒子不足[9]。因此，水泥粒子之间的填充性不好。通过扫描电镜观察到钢渣粉的粒径小于10μm的颗粒含量比水泥高，扫描电镜结果如图3、图4所示。添加钢渣粉后可一定程度上改善水泥颗粒之间的填充性，从提高水泥粒子之间的填充性上提高水泥制品的强度。在扫描电镜结果中可以看出钢渣粉颗粒形状不规则，表面粗糙，这与水泥样检测结果类似，均含有霜粒状的钙硅相，无定形的铁镁相以及钙铁相[10-11]。所以随着钢渣掺量的增加，水泥颗粒之间的空隙不断被填充，水泥砂浆的强度也就不断增加。当掺量超过填充需要时，较多的钢渣微粉聚集在一起，由于钢渣微粉的水化活性没有水泥好，故水泥砂浆的强度也就有所下降。

图3 水泥试样检测结果

图4 武钢钢渣粉检测结果测结果

4 结论

通过XRD、SEM以及水泥胶砂强度试验得出(1)钢渣粉的矿物组成与硅酸盐水泥相似，钢渣粉中含有的硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)使钢渣具有类似硅酸盐水泥熟料的水硬胶凝性。钢渣粉的形貌特征和水泥熟料类似，且在一定程度上改善水泥的颗粒级配。(2)早期抗压强度随着钢渣粉掺量的增加而减少，不同掺量的试件28 d的强度相对于早期(7 d)强度均有所增长，且强度增长率均是大于空白组强度增长率。低掺量情况下，试件的强度随着掺量增加而增长。当掺量超过30%后，强度开始降低，所以钢渣粉掺量不宜超过30%。

[1] 钟小根.中国粗钢产量历史发展及市场预测研究[J].市场周刊2013,07 :32-33.

[2] 杨华明，张广业.钢渣资源化的现状与前景[J].矿产综合利用，1999(3)：35-37.

[3] 徐蕾.固体废弃物污染控制[M].武汉：武汉工业大学出版社，2002.

[4] 杨锦玲，郝以党，卢忠飞，等.钢铁渣粉作混凝土掺合料研究.冶金环境保护，2012(2)：22-27.

[5] 周少奇.固体废物污染控制原理与技术[M].北京：清华大学出版社，2009.

[6] 伦云霞，刘绍舜，刘肖凡.钢渣集料路用现状及前景分析[J].武汉轻工大学学报，2012(2)：72-76.

[7] 岳清瑞，张殿印，王纯等.钢铁工业“三废”综合利用技术[M].北京：化学工业出版社，2015.

[8] 毋雪梅.粉粒状建筑垃圾在水泥混凝土中的应用研究[D].郑州：郑州大学，2004.

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[11] 侯贵华，李伟，郭伟,等.转炉钢渣的显微形貌及矿物相[J].硅酸盐学报，2008，36(4):436-443.

Effect of levigated steel slag powder content on mechanical properties of cement mortar

HUANGJun-tian,LUNYun-xia

(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polylechnic University,Wuhan 430023,China)

The compressive strength of cement mortar was tested with steel slag instead of 10%, 30% and 50% of the cement.The experimental results show that when the steel slag powder replaces 10% and 30% cement, the compressive strength of mortar is basically not affected,and when replacing the 50% cement, the strength is decreased.

steel slag powder；strength,content；curing age

2017-01-09.

黄俊田(1992-)，男，硕士研究生，E-mail:984783933@qq.com.

2095-7386(2017)01-0067-04

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.01.014

TU 502.6

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