鋼鐵渣粉對水泥基材料性能影響的機理研究

翟紅俠，侯克偉

（安徽建筑大學 材料與化學工程學院，安徽 合肥230601）

0 引 言

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，分為轉爐鋼渣、平爐鋼渣、電爐鋼渣。目前我國排放的鋼渣70%以上都是轉爐鋼渣，且鋼渣的排放量約占鋼產(chǎn)量的10%，但利用率卻很低，目前已經(jīng)應用到建材、水泥、道路工程、農(nóng)業(yè)、冶金爐料等領域中，但是與美國、日本、歐洲等發(fā)達國家相比還有一定的差距［1－2］。鋼渣作為水泥熟料替代物可以減少水泥的需求量，保護環(huán)境資源。將鋼渣作為礦物摻合料應用于混凝土中不僅符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也符合現(xiàn)代混凝土技術的發(fā)展方向。目前限制鋼渣作為礦物摻合料應用于水泥混凝土的原因主要有兩個方面：一是其活性較低，二是其體積穩(wěn)定性較差。

本文通過對鋼渣粉礦物組成的分析，研究了不同摻量的鋼渣粉對水泥石力學性能和體積穩(wěn)定性的影響，并對結果進行分析。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：巢湖威力水泥廠生產(chǎn)的PO·42.5普通硅酸鹽水泥。

標準砂：廈門艾思歐標準砂有限公司。

鋼渣粉：馬鋼提供，密度為3.26g／cm3，比表面積519.7m2／kg。

礦渣粉：馬鋼提供，密度2.85g／cm3。比表面積484m2／kg。鋼渣粉與礦渣粉的化學成分見下表1：

表1 原材料化學分析w%

根據(jù)唐明述研究結果［3］，在一定程度上鋼渣的堿度越大，其水化活性越大，根據(jù)鋼渣的堿度可將鋼渣分為橄欖石渣（低水化活性，M＝0.9－1.4）、鎂硅鈣石渣（低水化活性，M＝1.4－1.6）、硅酸二鈣渣（中水化活性，M＝1.6－2.4）、和硅酸三鈣渣（高水化活性，M＞2.4）。馬鋼鋼渣粉堿度M＝4.06，屬于高堿度硅酸三鈣渣，7d活性指數(shù)76.8%，28d活性指數(shù)81.1%，鋼渣粉等級為一級。鋼渣粉與礦渣粉XRD分析如下圖1，圖2：

由圖1分析鋼渣XRD圖譜并結合鋼渣化學組成及有關文獻［4－7］可知：圖譜中2，3為硅酸三鈣特征峰（C3S），2，4，8為硅酸二鈣特征峰（C2S），4，5，10為鐵酸二鈣特征峰（C2F），1，6，11為氫氧化鈣特征峰，7，9為RO相特征峰。由圖2可知礦渣玻璃體含量組成高于鋼渣。而鋼渣粉的礦物組成與硅酸鹽水泥熟料礦物組成基本相近，因此深入研究鋼渣粉內部活性及體積穩(wěn)定性具有重要的意義。

1.2 試驗方法

水泥強度測定按GB／T17671－2007水泥膠砂強度檢驗進行。體積穩(wěn)定性測定按GB／T 29417－2012水泥砂漿和混凝土干燥收縮開裂性能試驗方法進行。游離氧化鈣的測定根據(jù)YB／T 4328－2012鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法進行。鋼渣與礦渣化學成分采用CIT－3000SMD型能量色散X熒光分析儀分析，礦物組成采用D8ADVANCE X射線衍射儀進行分析。水泥水化產(chǎn)物采用JSM－7500F型掃描電鏡進行微觀分析。

2 試驗結果及分析

2.1 鋼渣粉對水泥基材料力學性能影響

鋼渣粉與礦渣粉對水泥膠砂力學性能的影響試驗配比如下表2；結果如圖3；

表2 鋼渣／礦渣對力學性能影響試驗配比表

由圖3可知：隨著鋼渣粉與礦渣粉摻量的增加，水泥膠砂7d，28d抗壓強度都逐漸降低；鋼渣粉的摻量在10%時能滿足42.5水泥膠砂強度要求，摻量繼續(xù)增加，強度下降幅度較大。礦渣粉摻量為10%，膠砂28d抗壓強度略高于空白樣，摻量繼續(xù)增加，膠砂抗壓強度有所下降，但下降幅度較小，且摻量達到30%能滿足42.5水泥膠砂強度要求。在相同的摻量情況下，礦粉對力學性能的影響優(yōu)于鋼渣粉。

2.2 鋼渣粉對水泥石體積穩(wěn)定性影響

不同摻量鋼渣粉對水泥石體積穩(wěn)定性的影響如下圖3：

由圖3可知：摻鋼渣粉水泥基材料膨脹率較大，隨著摻量的增加，對水泥石體積穩(wěn)定性的影響越發(fā)明顯，尤其在7d以后體積膨脹率增長較快，到14d以后基本保持平穩(wěn)，空白樣則隨著齡期的增長，逐漸收縮。

3 機理分析

由圖4、圖5、圖6可知：摻鋼渣的水泥基材料水化28d后生成的CSH凝膠體較少，且有許多針棒狀物質（AFt）和六方片狀晶體Ca（OH）2生成，與CSH凝膠體交織在一起，使水泥石結構變得疏松，對水泥石強度有較大影響。摻礦渣的水泥基材料在水化28d后生成的CSH凝膠體較多，水泥石結構比較密實，因此其強度較高。鋼渣的化學成分雖類似于硅酸鹽水泥熟料，由于鋼渣中含鐵量較高，因此其膠凝性組分含量相對就少，且鋼渣的形成溫度約在1650℃，比水泥熟料的燒成溫度要高，溫度過高會使C3S，C2S等礦物內部變得致密，內比表面積較小，晶格發(fā)育完整，活性低，反應需要時間較長。冷卻的過程中也會有β－C2S向γ－C2S轉化，從而導致其活性較低。隨著摻量的增加，早期活性的組分相對減少，使強度進一步降低。但后期隨著齡期的發(fā)展，鋼渣中具有膠凝性的組分開始慢慢水化，水泥石結構變得密實，促使強度有所增長。礦渣中玻璃體含量較多，隨著摻量的增加，復合膠凝材料中早期活性較高的組分相對減少，導致早期強度隨摻量增加而降低，但是隨著水泥的水化，后期礦渣中玻璃體會受到水泥水化后堿性環(huán)境的激發(fā)，反應生成大量對強度有利的CSH凝膠。

由圖6可知，水化產(chǎn)物CSH凝膠中交織了大量的針棒狀物質（Aft），六方板狀晶體嵌入在水泥石中，使水泥石結構松散，且部分區(qū)域出現(xiàn)微裂紋。從鋼渣的化學成分可知其游離氧化鈣的含量超標（不大于3%），在煉鋼的過程中，為了造渣及調節(jié)堿度引入CaO，引入的CaO在反應的過程中，其中一部分被C2S等礦物包裹，不能參與到反應中，在經(jīng)歷1600℃的煅燒下，使其結構致密，內比表面積較小，晶格發(fā)育完整，因而其活性較低。部分雜質離子如Fe2＋，Al3＋固溶到CaO晶格內部，置換晶格中的Ca2＋，改變了其水化活性［8］。因此鋼渣中游離氧化鈣需要較長時間才能與水發(fā)生反應生成Ca（OH）2。游離氧化鈣的延遲反應會使已經(jīng)硬化的水泥石膨脹，出現(xiàn)微裂紋。

4 結論

（1）鋼渣粉作為礦物摻合料對水泥基材料力學性能影響顯著，隨著摻量增大，強度逐漸降低，摻量從10%增大到20%，強度下降幅度較大，其最佳摻量應在10%左右。

（2）鋼渣粉對水泥基材料的體積穩(wěn)定性影響較大，隨著摻量的增大，自由膨脹率增大，在7d至14d齡期內，自由膨脹率增長最快。

（3）若將鋼渣作為礦物摻合料大規(guī)模的應用于水泥混凝土，其膠凝性及體積穩(wěn)定性是亟待解決重要課題。

1 李景云.提高鋼渣資源化利用的探討［J］.冶金經(jīng)濟與管理，2013（3）：17－20.

2 劉瑛，方宏輝，盧麗君.鋼渣處理與綜合利用技術研究進展［J］.化學工程與裝備，2014，（9）：190－192.

3 唐明述，袁美棲，韓蘇芬，等.鋼渣中 MgO、FeO、MnO的結晶狀態(tài)與鋼渣的體積安定性［J］.硅酸鹽學報，1979，7（1）：35－46.

4 李玉祥，王振興，馮敏，等.不同激發(fā)劑對鋼渣活性影響的研究［J］.硅酸鹽通報，2012，31（2）：280－284.

5 王玉吉，葉貢欣.氧氣轉爐鋼渣主要礦物相及其膠凝性能的研究 ［J］.硅酸鹽學報，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 劉迪，鄧敏，林長農(nóng)，等.鋼渣微觀結構及性能分析［J］.混凝土，2014，（12）：88－94.

8 施惠生.氧化鈣的顯微結構與水化活性［J］.硅酸鹽學報，1994，22（2）：117－123.