鋼渣復(fù)摻膠凝體系力學(xué)性能研究

張忠哲, 何金春, 白建飛, 張 建, 晉 強(qiáng), 劉 慧

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052; 2.烏魯木齊市建筑建材科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000； 3.烏魯木齊市高鐵樞紐綜合開發(fā)建設(shè)投資有限公司， 新疆 烏魯木齊 830015)

1 研究背景

鋼渣作為大宗固體廢棄物其資源化利用一直備受關(guān)注。一方面鋼渣產(chǎn)量高、利用率低，綜合利用前景看好，2013年和2014年我國鋼渣產(chǎn)生量分別為1.01×108t和1.15×108t[1]，但鋼渣的綜合利用率僅為22%，距“十二五”規(guī)劃要求大宗固體廢物綜合利用率要達(dá)到75%的目標(biāo)[2]還相差甚遠(yuǎn)；另一方面對鋼渣與其他礦物摻合料混合摻入的混凝土作為膠凝材料的研究也不斷深入。

鋼渣與水泥熟料的礦物組成相近，因此可作水泥原料和摻合料[3]，利用鋼渣微粉與高爐礦粉相互間的激發(fā)性，加以適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)劑可配制出高性能的混凝土膠凝材料[4]。

目前，國內(nèi)專家學(xué)者對鋼渣粉和礦物摻合料作為混凝土復(fù)合膠凝材料已做了大量研究，并取得一定成果：鋼渣粉和礦渣粉的搭配使得混凝土具有良好的復(fù)合強(qiáng)化效應(yīng)，可以明顯改善鋼渣混凝土的緊密堆積效應(yīng)并對其力學(xué)性能和耐久性有顯著改善[5-7]；采用鋼渣粉與粉煤灰、礦粉復(fù)合取代水泥配制的混凝土能夠提高后期強(qiáng)度遞增率[8]；復(fù)摻鋼渣-石粉取代部分水泥，各齡期膠砂強(qiáng)度隨復(fù)摻鋼渣和石粉的摻量增加而降低[9]；粉煤灰和礦渣粉分別摻入鋼渣混凝土中，其復(fù)合膠凝材料水化產(chǎn)物的種類與水泥水化產(chǎn)物的種類基本相同[10]；鋼渣和礦渣復(fù)摻可改善摻合料與萘系和聚羧酸系高效減水劑的相容性[11]；鋼渣的機(jī)械細(xì)化有利于提高鋼渣粉的膠凝性且膠砂強(qiáng)度均隨微粉粒徑的減小而增大[12]；鋼渣粉與粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻對混凝土的強(qiáng)度、工作性和耐久性等方面有很大提高[13-15]；當(dāng)鋼渣、粉煤灰和礦渣復(fù)摻時(shí)，在礦渣摻量一定的情況下，粉煤灰的細(xì)度是影響強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，其次為鋼渣粉煤灰的復(fù)配比例，而鋼渣的細(xì)度及石膏的種類對其性能影響較小[16]。

在借鑒前期各學(xué)者對鋼渣粉復(fù)摻的大量研究基礎(chǔ)上，通過力學(xué)性能表征選出適宜的鋼渣研磨時(shí)間和鋼渣粉復(fù)摻膠凝體系的搭配比例，并將復(fù)摻膠凝體系強(qiáng)度表征優(yōu)選組與水泥顆粒粒度分布進(jìn)行對比，從而確定鋼渣復(fù)摻膠凝體系礦物摻合料的比例，對未來鋼渣在建筑材料領(lǐng)域的推廣有著積極作用，同時(shí)對鋼渣的資源化利用奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)原材料

2.1 水泥

新疆某公司出品42.5R 級(jí)普通硅酸鹽水泥，采用《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346-2011)中標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間測試方法進(jìn)行測定并根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)對水泥膠砂強(qiáng)度進(jìn)行測試，將其物理性能指標(biāo)列于表1；采用《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T 176-2008)所述對水泥進(jìn)行化學(xué)成分檢測，將化學(xué)性能指標(biāo)列于表2。

2.2 礦物摻合料

(1) 各摻合料的化學(xué)成分，采用《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T 176-2008)進(jìn)行測試，具體指標(biāo)見表3。

表1 試驗(yàn)用水泥的物理性能指標(biāo)

表2 試驗(yàn)用水泥的化學(xué)成分 %

表3 試驗(yàn)摻合料的化學(xué)成分 %

(2) 鋼渣粉:本試驗(yàn)采用經(jīng)熱悶、陳化處理鋼渣粉，其安定性滿足要求。

鋼渣粉的密度為3.38 g/cm3；粉煤灰:密度為2.40 g/cm3，Ⅰ級(jí)，比表面積為446 m2/kg，燒失量為2%；礦渣粉:密度為2.93 g/cm3，S95級(jí)，比表面積為480 m2/kg。

2.3 骨料

(1)細(xì)骨料：本試驗(yàn)將天然砂和鋼渣砂作為細(xì)骨料。 其中，天然砂采用粒徑為0.16～5 mm、 細(xì)度模數(shù)為 2.9的連續(xù)級(jí)配中砂；而鋼渣砂經(jīng)熱悶、陳化處理后使其安定性滿足要求且為粒徑與細(xì)度模數(shù)與天然砂保持一致的砂狀鋼渣 。

(2) 粗骨料：本試驗(yàn)選用5～20 mm 連續(xù)級(jí)配的卵石作為粗骨料，粗骨料的物理性能指標(biāo)采用《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52-2006)中所述進(jìn)行測試，具體見表4。

表4 試驗(yàn)用粗骨料的物理性能

2.4 減水劑

本試驗(yàn)采用的減水劑為聚羧酸減水劑。

2.5 水

pH值為 7 左右的普通自來水，滿足《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63-2006)的規(guī)定。

3 試驗(yàn)方法及步驟

(1)根據(jù)鄒浩娜等[17]的研究，將粒徑為0.16～5 mm砂狀鋼渣放入蒸餾水中陳化處理12 d(見圖1)。使砂狀鋼渣所含f-CaO和f-MgO得以降低，避免混凝土安定性不良。

(2)將上述處理過后的砂狀鋼渣放入球磨機(jī)(見圖2)中粉磨破碎，通過調(diào)節(jié)不同研磨時(shí)間(30，60，90 min)來對鋼渣粉進(jìn)行選擇。為了滿足安定性且最大限度添加鋼渣粉，依據(jù)《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 51003-2014)中要求“普通硅酸鹽水泥鋼粉摻量≤20%”。選定鋼渣粉摻量為20%。參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性試驗(yàn)方法》(GB/T 1346-2011)中的雷氏夾法和試餅法對所選用的鋼渣粉進(jìn)行安定性測試(見圖3、4)。

(3)根據(jù)《水泥比表面積測定-勃氏法》(GB/T 8074-2008)，采用全自動(dòng)比表面積測試儀(見圖5)對鋼渣粉比表面積進(jìn)行測定，采用SYMPATEC氣流干法激光粒度儀(見圖6)進(jìn)行粒度分布的測定。

圖1鋼渣的浸水陳化處理圖2球磨機(jī)圖3試餅法膨脹測試

圖4雷氏夾法膨脹測試圖5全自動(dòng)比表面積測試儀圖6氣流干法激光粒度儀

(4)參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671-1999)，將不同研磨時(shí)間的鋼渣粉配置水泥膠砂試件，從中選取適宜研磨時(shí)間的鋼渣粉，采用微控電子壓力機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度對比試驗(yàn)，并將選用的鋼渣粉按照表5所示比例進(jìn)行復(fù)摻，按本節(jié)(2)中所述安定性試驗(yàn)方法和膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行鋼渣復(fù)摻比例的選擇，并根據(jù)本節(jié)(3)中所述對優(yōu)選出的復(fù)摻比例進(jìn)行粒度分析。

表5 鋼渣粉與礦粉、粉煤灰復(fù)摻比例

注：GF-表示鋼渣、粉煤灰復(fù)摻;GK-表示鋼渣、礦粉復(fù)摻;GFK-表示鋼渣、粉煤灰、礦粉復(fù)摻;數(shù)字表示不同比例分組。

4 結(jié)果與討論

4.1 單摻鋼渣粉膠凝材料的性能研究

為選取適宜研磨時(shí)間的鋼渣粉作為復(fù)摻膠凝體系的摻合料，通過對不同研磨時(shí)間鋼渣粉的體積安定性、比表面積及粒度分布、水泥膠砂強(qiáng)度與荷載-位移變化的測試，從而確定鋼渣粉的研磨時(shí)間。

4.1.1 不同研磨時(shí)間鋼渣粉體積安定性 礦物摻合料作為膠凝材料摻入混凝土的前提條件是滿足體積安定性的要求，而鋼渣中含有的f-CaO和f-MgO在水化后易造成混凝土的體積膨脹[18]，所以對鋼渣的安定性檢驗(yàn)尤為重要，從表6中的鋼渣安定性測試結(jié)果可以看出：

(1)隨著粉磨時(shí)間的增加，雷氏夾的膨脹值均未出現(xiàn)變化，經(jīng)雷氏夾法測定的體積安定性指標(biāo)均滿足要求；通過試餅法測試的安定性結(jié)果也同樣符合標(biāo)準(zhǔn)?？梢姄郊?0%的鋼渣粉不會(huì)對水泥安定性造成不良反應(yīng)。

(2)鋼渣經(jīng)過研磨除細(xì)度增加外，還使得其內(nèi)部晶格的畸變程度、缺陷濃度增加，晶粒尺寸減小[19]，使得鋼渣中f-CaO和f-MgO細(xì)化破碎并在物理調(diào)節(jié)中膨脹性得以部分釋放，令摻入的鋼渣粉安定性滿足要求。

表6 不同研磨時(shí)間鋼渣體積安定性測試結(jié)果

4.1.2 不同研磨時(shí)間鋼渣粉比表面積及粒度分析 通過對鋼渣粉整體性能各項(xiàng)指標(biāo)的測試結(jié)果(表7)分析得出：不同研磨時(shí)間鋼渣粉的密度與篩余指標(biāo)相差無幾；隨著鋼渣粉磨時(shí)間的增加，其比表面積也逐漸增大，但增長幅度沒有明顯提高，由于鋼渣的含鐵量較高，且有鐵酸鈣、RO相等物相[20]，使得其粉磨效果不佳，不易破碎，但本次使用的鋼渣經(jīng)粉磨后，滿足最佳礦物摻合料比表面積應(yīng)在450～750 m2/kg的范圍[21-22]。

表7 鋼渣不同粉磨時(shí)間下的基本參數(shù)

采用激光粒度分析儀對不同研磨時(shí)間鋼渣粉粒徑測試數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)篩余的分析(表8)：伴隨粉磨時(shí)間的增加，磨后粉的中位徑x50隨之減小，平均粒徑相應(yīng)的也在變?。徽伎傮w積粒徑分布10%的粒徑x10同樣減小，表明微細(xì)顆粒越多；占總體積粒徑分布90%的粒徑x90相應(yīng)減小，反映出大顆粒在變小。與表6相結(jié)合可以看出：研磨時(shí)間的增加，改善了鋼渣粉的整體粒徑分布和細(xì)度劃分且隨著比表面積的增加，其粒度分布也更加趨于緊密化。

表8 鋼渣不同研磨時(shí)間粒度分析數(shù)據(jù) μm

4.1.3 不同研磨時(shí)間鋼渣粉水泥膠砂抗折和抗壓強(qiáng)度結(jié)果 將不同研磨時(shí)間的鋼渣粉制備成40 mm×40 mm×160 mm水泥膠砂試件(見圖7)，將試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，首先采用電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度的測定，試件經(jīng)抗折試驗(yàn)后(見圖8、9)，然后使用微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)(見圖10)對抗折后的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測定，抗折及抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果見表9和圖11、12。。

圖7膠砂試件的制作圖8電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)圖9抗折后試件圖10電子壓力試驗(yàn)機(jī)

由表9可以看出，加入替換20%水泥的鋼渣粉的水泥膠砂強(qiáng)度因鋼渣粉比表面積和粒度分布的提高，在3 d和28 d的抗折強(qiáng)度也隨之增長，但是增長的幅度不是很大；而在抗壓強(qiáng)度方面，不同研磨時(shí)間鋼渣粉的摻入沒有使其大幅增長且極為接近?？梢姡^分提高其比表面積可能會(huì)導(dǎo)致活性損失較快[23]，適宜的比表面積對于強(qiáng)度的提高尤為重要。

表9 不同研磨時(shí)間鋼渣的水泥膠砂的抗折和抗壓強(qiáng)度

從圖11和12可以看出，鋼渣粉單摻對混凝土強(qiáng)度的綜合性提高不大。雖然水泥水化營造的堿性環(huán)境激發(fā)了鋼渣的活性使之產(chǎn)生更多的二次水化產(chǎn)物，其自身的微集料效應(yīng)也對水泥的孔隙進(jìn)行填補(bǔ)[24]，但是由于鋼渣自身的水硬膠凝性不強(qiáng)，C3S結(jié)構(gòu)過于緊密，影響水化速度，C2S晶型發(fā)生改變，由介穩(wěn)態(tài)的β晶型轉(zhuǎn)變?yōu)棣镁?，也降低了活性[25]，導(dǎo)致了其抗壓強(qiáng)度沒有純水泥膠砂高。

4.1.4 不同研磨時(shí)間鋼渣粉水泥膠砂試件荷載-位移曲線 分析試件從開始受力至破壞前的荷載-位移曲線(圖13)。

由圖13可以看出不同研磨時(shí)間的鋼渣粉其開始受力至破壞前的荷載位移曲線走勢大致相同，只是位移偏差不一樣；由于鋼渣粉的摻入使得試件整體的荷載承受能力下降，但其變化規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)膠砂保持一致，可見鋼渣粉的替代對混凝土的荷載承受能力有一定作用。

圖11單摻鋼渣粉及純水泥膠砂抗折強(qiáng)度圖12單摻鋼渣粉及純水泥膠砂抗壓強(qiáng)度圖13荷載-位移曲線

4.2 鋼渣粉與礦物摻合料復(fù)摻膠凝體系性能研究

通過4.1節(jié)所得到的結(jié)果，選取研磨30 min的鋼渣粉作為復(fù)摻體系的摻合料。為選出鋼渣復(fù)摻膠凝體系適宜的比例搭配，對復(fù)摻體系分別進(jìn)行體積安定性和力學(xué)性能檢測并分析了強(qiáng)度優(yōu)選組的粒度分布。

4.2.1 鋼渣粉與礦物摻合料復(fù)摻的體積安定性 從表10的測試結(jié)果可以看出，礦物摻合料的加入對鋼渣的安定性起積極作用，加入硅質(zhì)材料能夠抑制鋼渣膨脹[26]，主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：

(1)對比GF和GK組合可知，隨著粉煤灰或礦渣粉的逐次遞增，雷氏夾法的膨脹值均未出現(xiàn)變化，安定性均滿足要求；而GFK組合以一定比例將三者混入，雖然出現(xiàn)了膨脹值但未超過規(guī)定值。

(2)隨著礦物摻合料與鋼渣替換量增加，雷氏夾膨脹值均未超出規(guī)范要求，即20%的鋼渣粉摻入量與摻粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻，所組成的膠凝體系安定性合格，經(jīng)試餅法也得出相同的結(jié)論?？梢姡瑢撛叟c粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻可以抵消鋼渣安定性不良的影響。

4.2.2 鋼渣粉與礦物摻合料復(fù)摻的膠砂強(qiáng)度 通過對鋼渣粉與礦物摻合料復(fù)摻體系強(qiáng)度進(jìn)行測試，從表11和圖14、15所示的試驗(yàn)結(jié)果可以反映出：

表10 鋼渣復(fù)摻體積安定性結(jié)果

(1)從整體上看，礦物摻合料復(fù)摻強(qiáng)度整體較純水泥膠砂的強(qiáng)度略低。

在GK分組中，隨著礦粉所占比例的提高，其強(qiáng)度隨之降低；在GF分組中，隨著粉煤灰比例的提高，其強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；在GFK分組中，隨著粉煤灰和礦粉比例的提高，其強(qiáng)度也隨之降低。

表11 鋼渣粉與礦物摻合料復(fù)摻膠砂強(qiáng)度

圖14復(fù)摻鋼渣粉及純水泥膠砂抗折強(qiáng)度圖15復(fù)摻鋼渣粉及純水泥膠砂抗壓強(qiáng)度

(2)GF組、GK組、GFK組的強(qiáng)度各有不同，GFK組﹥GK組﹥GF組，符合復(fù)合材料的“超疊效應(yīng)”，即將不同種類細(xì)摻料以合適的復(fù)合比例和總摻量摻入混凝土，可以提高混凝土的強(qiáng)度[27]，另外從材料物理性能看，主要是由于鋼渣粉與礦渣粉的棱角交錯(cuò)不一，能夠很好地互相咬合，在水化進(jìn)行前就已形成良好的物理搭接，而粉煤灰顆粒的球體特征則與鋼渣粉顆粒不能很好地交叉互補(bǔ)形成骨架效應(yīng)，造成GF組較GK組的強(qiáng)度略低。GFK組中的鋼渣粉顆粒與礦渣粉顆粒在架構(gòu)好的骨架中將球狀的粉煤灰顆粒填充使得礦物摻合料之間物理架構(gòu)更加穩(wěn)固。

4.2.3 鋼渣粉與礦物摻合料復(fù)摻的膠砂強(qiáng)度表征粒徑分布特征 通過對鋼渣復(fù)摻膠凝體系強(qiáng)度測試結(jié)果的對比，選出最優(yōu)組為：GF-1，GF-2，GFK-1，將最優(yōu)組與水泥進(jìn)行粒度分布的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表12和圖16。對其試驗(yàn)結(jié)果的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析如下：

(1)復(fù)摻膠凝體系的中位徑x50和占總體積粒徑分布10%的粒徑x10均與水泥的粒徑相接近；占總體積粒徑分布90%的粒徑x90與水泥相差較大；3～30 μm粒徑較水泥在此區(qū)間含量更多；16～24 μm范圍內(nèi)的含量與水泥相接近；大于45 μm的顆粒比水泥含量低?？傊浇咏嗔椒植记掖诸w粒較水泥分布越少，組成的凝膠體強(qiáng)度越高，而3～30 μm和控制在65%以上的16～24 μm的顆粒分布[28-30]則是各優(yōu)選組強(qiáng)度較高的主要原因。

(2)最佳堆積密度的理想篩析曲線即Fuller曲線[31]是歐美一些學(xué)者對最佳堆積密度顆粒分布問題所主張使用的，該曲線作為連續(xù)粒度體系的最密堆積經(jīng)驗(yàn)曲線[28,32-33]，對膠凝材料堆積密度的最佳化有著指導(dǎo)意義。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：U(x)為篩析通過量，%；x為篩孔尺寸，mm；D為混合集料中最大的顆粒直徑，mm。

經(jīng)過對膠凝體系中各粒徑的整理并參考0～63 μm的Fuller曲線[34]，將各優(yōu)選組與Fuller曲線(如圖16)進(jìn)行對比：所選用水泥的粒徑分布較Fuller曲線距離較遠(yuǎn)，而經(jīng)過礦物摻合料復(fù)摻之后調(diào)配的水泥與Fuller曲線更加接近，其中GK-2更為貼合?？梢姡脒_(dá)到理想篩析曲線，需要選用填充材料加以調(diào)整[22]。適宜的膠凝材料搭配比例對水泥粒度分布有很大改觀，使得膠凝體系在未水化前就已經(jīng)達(dá)到緊密堆積狀態(tài)。

表12 各分組優(yōu)選強(qiáng)度表征粒徑分布值

圖16 各分組粒徑(4～63μm)Fuller曲線累積分布

摻入礦渣或粉煤灰推遲了水泥的水化[35]，鋼渣的水化誘導(dǎo)期同樣也比水泥的長[36]，這就使得復(fù)合膠凝材料早期強(qiáng)度低。礦物摻合料替換水泥雖導(dǎo)致膠凝體早期強(qiáng)度略低，但良好的顆粒級(jí)配使得膠凝材料的物理架構(gòu)較純水泥體系更加穩(wěn)定，并且伴隨著礦物摻合料二次水化反應(yīng)的進(jìn)行，其水化產(chǎn)物不斷地填充到孔隙當(dāng)中，將結(jié)構(gòu)體系更加完善，強(qiáng)度也不斷提升。

5 結(jié) 論

(1)鋼渣粉的比表面積隨著研磨時(shí)間的增加而增大，粒度分布范圍則隨之變窄。通過物理填充效應(yīng)可以很好地?fù)饺胨喈?dāng)中充當(dāng)?shù)V物摻合料并與水泥構(gòu)建良好的級(jí)配關(guān)系。

(2)在本試驗(yàn)中，鋼渣粉隨粉磨時(shí)間的增加，其抗折、抗壓強(qiáng)度沒有明顯增加，可見增加研磨時(shí)間對鋼渣粉物理效應(yīng)方面有所提高但對其化學(xué)效應(yīng)影響不大且各研磨時(shí)間鋼渣粉荷載-位移曲線走向均保持一致，因此鋼渣粉磨時(shí)間選為30 min為宜。

(3)鋼渣粉與礦物摻合料組成的膠凝體系不僅能對其安定性有所幫助，并且可以提高礦物摻合料的添加量。當(dāng)鋼渣粉和礦渣粉復(fù)摻比例為1∶1且占膠凝材料40%時(shí)、鋼渣粉和粉煤灰的復(fù)摻比例為2∶1且占膠凝材料30%時(shí)、鋼渣粉、粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例為2∶1∶1時(shí)占膠凝材料40%時(shí)，以上3種復(fù)摻膠凝體系的力學(xué)性能和粒度分布均表現(xiàn)優(yōu)異。

(4)鋼渣粉復(fù)摻礦物摻合料在適宜比例下對水泥的粒徑分布有所提高，更加貼合Fuller理想篩析曲線，使得膠凝體系在未水化前就構(gòu)成緊密堆積狀態(tài)，對改善強(qiáng)度、提高密實(shí)度方面有益。

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