游書升 楊林 李從號(hào)

鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣，其產(chǎn)生率為粗鋼產(chǎn)量的8%～15%，2020年，中鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)的會(huì)員生產(chǎn)企業(yè)鋼渣產(chǎn)生量約為8668.70萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)3.38%，我國(guó)每年產(chǎn)生近億噸鋼渣，但有效利用率不到30% 。國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的鋼渣不能及時(shí)處理，致使鋼渣的堆放占用大量土地，而且鋼渣中化學(xué)物質(zhì)的揮發(fā)和滲透會(huì)污染周邊的空氣和河流。合理利用鋼渣不僅能變廢為寶，同時(shí)可保護(hù)環(huán)境，因此鋼渣的資源化利用具有重大意義。

鋼渣與水泥熟料有類似的礦物組成和化學(xué)成分，鋼渣礦物組成以硅酸三鈣為主，其次是硅酸二鈣、RO相、鐵酸二鈣和游離氧化鈣，是一種具有潛在活性的膠凝材料。近些年有不少研究表明，鋼渣粉作為一種摻合料應(yīng)用于水泥制品中是可行的。傳統(tǒng)的干混砂漿使用的膠凝材料主要是水泥和煤灰，優(yōu)質(zhì)粉煤灰越來(lái)越少且價(jià)格昂貴，如果用鋼渣粉替代粉煤灰，對(duì)于降低成本和節(jié)能減排都有重要的意義。為此，進(jìn)行了磨細(xì)鋼渣粉應(yīng)用于干混砂漿的研究。

一、原材料與試驗(yàn)方法

1.原材料

水泥：大冶尖峰P·O42.5水泥，水泥相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；

表1 水泥相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo)

粉煤灰：武漢華電粉煤灰開(kāi)發(fā)公司，Ⅱ級(jí)粉煤灰，粉煤灰相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2；

表2 粉煤灰相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo)

鋼渣粉：鄂州融航新型建材有限公司生產(chǎn)的磨細(xì)熱悶鋼渣粉，化學(xué)成分見(jiàn)表3，鋼渣粉相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4；

表3 鋼渣粉化學(xué)分析（%）

表4 鋼渣粉相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo)

砂：中砂，細(xì)度模數(shù)2.5；

標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；

砂漿稠化劑：武漢奧特龍建筑材料有限公司生產(chǎn)的TL-4型砂漿外加劑，堆積密度468 kg/m3，固含量98%，細(xì)度（0.08mm篩通過(guò)率）為96%；

2.試驗(yàn)方法

鋼渣微粉活性檢測(cè)參照GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》進(jìn)行，砂漿的配合比按JGJ-2000《砌筑砂漿的配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)，膠砂試件的制備、養(yǎng)護(hù)、抗壓和抗折強(qiáng)度的測(cè)試參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行，砂漿拌和時(shí)的用水量按稠度進(jìn)行控制，砂漿力學(xué)及工作性能的測(cè)試參照 JGJ 70—90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

二、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

1.鋼渣粉和粉煤灰活性對(duì)比試驗(yàn)

習(xí)慣思維上一般認(rèn)為鋼渣與粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣相比，其礦物晶體生產(chǎn)發(fā)育較大，晶格穩(wěn)定，因此其活性相對(duì)較低。為此本文選用熱悶法工藝處理的鋼渣，該方法處理的鋼渣具有穩(wěn)定性好，活性高等特點(diǎn)，將鋼渣再經(jīng)過(guò)三級(jí)粉磨制成鋼渣微粉，提高鋼渣粉的比表面積和顆粒分布均勻性，進(jìn)一步激發(fā)其反應(yīng)活性。為了驗(yàn)證鋼渣粉取代粉煤灰的可行性，分別進(jìn)行鋼渣粉和粉煤灰的需水量試驗(yàn)和膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表5和表6所示：

表5 摻鋼渣粉和粉煤灰的膠砂流動(dòng)度

表6 摻鋼渣粉和粉煤灰的膠砂強(qiáng)度

從表5中可以看出，在膠砂達(dá)到同樣流動(dòng)度時(shí)，鋼渣粉需水量比小于粉煤灰的膠砂，說(shuō)明鋼渣粉能在一定程度上提高膠砂的流動(dòng)性。

從表6中數(shù)據(jù)可以看出，用鋼渣粉和粉煤灰分別取代30%的水泥，在7d齡期時(shí)，摻粉煤灰的膠砂強(qiáng)度略高于摻鋼渣粉的膠砂強(qiáng)度，28d齡期時(shí)，摻鋼渣粉的膠砂強(qiáng)度高于摻粉煤灰的膠砂強(qiáng)度，同時(shí)28d齡期時(shí)鋼渣粉的膠砂強(qiáng)度達(dá)到基準(zhǔn)的79.2%，說(shuō)明該鋼渣粉后期具有較高的水化反應(yīng)活性。

綜合表5和表6分析得出，鋼渣粉的需水量比小于粉煤灰，28d強(qiáng)度活性指數(shù)高于粉煤灰，可以用于取代粉煤灰。

2.摻鋼渣粉的砂漿試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中固定水膠比、膠砂比、膠凝材料用量及摻合料的用量，摻合料占膠凝材料用量的1/3，調(diào)整鋼渣粉在摻合料中的比例，分別為0%、25%、50%、75%、100%，以M5的砂漿為例，設(shè)計(jì)的配比如下表所示：

由表7可知，鋼渣粉的加入對(duì)于砂漿的出機(jī)初始稠度t0h影響不大，隨著鋼渣粉在摻合料中比例的增加，2h后稠度t2h逐漸變大，2h稠度損失率減小，說(shuō)明鋼渣粉的加入有利于減小砂漿的稠度損失，改善砂漿的工作性能。隨著鋼渣粉在摻合料中比例的增加，砂漿的保水率逐步提高，這主要與鋼渣粉的表面形態(tài)、顆粒分布及水化活性等有關(guān)，鋼渣微粉經(jīng)過(guò)多級(jí)粉磨后，比表面積增大，粉磨中的能量一部分轉(zhuǎn)化為新生顆粒的內(nèi)能和表面能，同時(shí)晶體的鍵能也發(fā)生變化，晶格能迅速減小，在晶格能損失的位置產(chǎn)生晶格錯(cuò)位、缺陷及重結(jié)晶等，在表面形成易溶于水的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，使鋼渣與水接觸面積增大，同時(shí)鋼渣粉中細(xì)小顆粒對(duì)中斷砂漿基體中泌水通道和提高砂漿粘聚性有一定的作用，從而在一定程度上提高了砂漿的保水性能。

表7 不同粉煤灰、鋼渣粉比例干混砂漿的配合比及性能

鋼渣粉在摻合料中的比例對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度影響見(jiàn)圖1，對(duì)砂漿水養(yǎng)自由膨脹率及干養(yǎng)自由收縮率見(jiàn)圖2。

圖1 鋼渣粉在摻合料中的比例對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

圖2 鋼渣粉對(duì)砂漿變形性能的影響

由圖1可知，隨鋼渣粉摻量的增加，7d齡期砂漿的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出逐步降低的趨勢(shì)，28d齡期砂漿抗壓強(qiáng)度先增大后降低，在摻量為摻合料總量75%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大，這是由于粉煤灰早期水化活性略高于鋼渣粉，所以早期隨著鋼渣粉摻量增加抗壓強(qiáng)度有下降趨勢(shì)，同時(shí)由于鋼渣粉的SiO2、Al2O3含量較低，而煤灰卻很高，兩者可以起到互補(bǔ)作用，同時(shí)鋼渣經(jīng)過(guò)悶渣和磨細(xì)活化處理后，鋼渣中f-CaO生成Ca(OH)2，鋼渣微粉與水發(fā)生溶解時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部Ca(OH)2釋放出大量OH-、Ca2+離子，PH值不斷升高，對(duì)粉煤灰進(jìn)行激發(fā)，粉煤灰中玻璃態(tài)硅氧結(jié)構(gòu)加快溶解，溶解的各形態(tài)的硅酸離子和鋁氧離子和鋼渣粉溶解的OH-、Ca2+生成CSH和CAH凝膠，填充網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，鋼渣粉和粉煤灰的水化反應(yīng)相互促進(jìn)使結(jié)構(gòu)致密產(chǎn)生強(qiáng)度,這種相互促進(jìn)作用在鋼渣粉摻量為摻合料總量75%時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)摻合料完全為鋼渣粉時(shí)，這種促進(jìn)水化的作用就會(huì)減慢，因此28d抗壓強(qiáng)度會(huì)比和煤灰混摻的要低，但仍高于全部摻煤灰的砂漿強(qiáng)度。

砂漿試塊成型后標(biāo)樣7d脫模，分別進(jìn)行水養(yǎng)和干養(yǎng)護(hù)，測(cè)試其自由長(zhǎng)度變化率。由圖2（a）中可知，隨著鋼渣粉在摻合料中比例增大，砂漿在水中自由膨脹率逐漸增大，這是由于鋼渣微粉中的f-CaO的在水中溶解生成Ca(OH)2，并在CaO表面堆積，同時(shí)Ca(OH)2形成結(jié)晶，固相體積增大，產(chǎn)生體積微膨脹。28d膨脹未對(duì)試塊造成破壞，試塊表面完好。由圖2（b）中可知，隨著鋼渣粉在摻合料中比例增大，砂漿的自由干縮逐漸減小，這是由于早期鋼渣粉產(chǎn)生的體積微膨脹會(huì)補(bǔ)償一部分收縮，隨著試塊內(nèi)部水化反應(yīng)進(jìn)行，水分被消耗的同時(shí)水分向表面遷移，干燥收縮進(jìn)一步增加，全部摻粉煤灰的砂漿試塊收縮進(jìn)一步加大，28d干縮率為8.57×10-4，而當(dāng)鋼渣粉在摻合料中比例≥50%時(shí)，在齡期為21d時(shí)體積基本穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，鋼渣粉的摻入有利于減小砂漿的干燥收縮。

3.總結(jié)分析

綜合以上分析可以看出，鋼渣粉可以取代粉煤灰。鋼渣粉早期水化活性略低于粉煤灰，28d強(qiáng)度活性指數(shù)高于粉煤灰。鋼渣粉的加入可以降低砂漿2h稠度損失，提高砂漿的保水率。在摻合料占膠凝材料比例為1/3時(shí)，隨鋼渣粉摻量增加，7d強(qiáng)度逐步下降，28d強(qiáng)度逐步增加，鋼渣粉后期水化活性高于粉煤灰，當(dāng)鋼渣粉摻量為摻合料的75%時(shí)，鋼渣粉和粉煤灰的水化反應(yīng)互相促進(jìn)效果最佳，砂漿強(qiáng)度最高。隨著鋼渣粉在摻合料中比例的增加，砂漿的干縮率逐漸降低，濕養(yǎng)護(hù)自由膨脹率增加，摻鋼渣粉在一定程度上可以降低砂漿的干燥收縮，同時(shí)早期養(yǎng)護(hù)對(duì)砂漿收縮有一定的改善，降低砂漿因干燥收縮而開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

三、結(jié)論

1.鋼渣粉7d強(qiáng)度活性指數(shù)略低于粉煤灰，28d活性高于粉煤灰，可以取代粉煤灰。

2.鋼渣粉作為摻合料應(yīng)用于干混砂漿中，可以改善砂漿2h稠度損失，提高砂漿的保水率。

3.在砂漿中摻合料總量為30%時(shí)，隨鋼渣粉在摻合料中比例的提高，砂漿7d強(qiáng)度逐步降低，28d強(qiáng)度逐步增加，鋼渣粉占摻合料的75%時(shí)，鋼渣粉與粉煤灰水化作用達(dá)到最佳，此時(shí)砂漿強(qiáng)度最高。

4.鋼渣粉應(yīng)用于干混砂漿中可以降低其干燥收縮，注重砂漿的養(yǎng)護(hù)可以降低收縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。