鋼渣、尾礦為原料的綠色混凝土力學(xué)性能研究

劉佩安 劉守誠(chéng) 何兆芳 范曉鳴 樊傳剛

【摘要】采用粗、細(xì)鐵尾礦作為集料，采用42.5普硅水泥和鋼渣微粉作為復(fù)合膠凝材料，和采用檸檬酸渣作為激發(fā)劑，制備出了系列鋼渣尾礦混凝土試樣，并對(duì)其性能進(jìn)行了系統(tǒng)表征。當(dāng)采用占復(fù)合膠凝材料10%的檸檬酸渣作為激發(fā)劑時(shí)，雖然鋼渣含量在40%至70%內(nèi)，膠砂試樣的7 d 抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣含量增加而減小，但其28 d 抗壓強(qiáng)度的變化幅度較小。采用復(fù)合膠凝材料和尾礦制備的混凝土試樣，在鋼渣用量占6.5%、尾礦用量占87%時(shí)，所制得的混凝土28d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到21.5MPa，理論上可以制得孔隙率為43%，強(qiáng)度等級(jí)為MU10的混凝土空心砌塊，且可以消耗大量的鋼渣、鐵礦尾礦等工業(yè)廢棄物。

【關(guān)鍵詞】鋼渣；尾礦混凝土；檸檬酸渣；力學(xué)性能

一、前言

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣，其產(chǎn)量約為鋼產(chǎn)量的15～20%，大量鋼渣的存放不僅占用土地，還會(huì)污染周?chē)沫h(huán)境。我國(guó)的鋼渣中，70%是化學(xué)組成及礦物組成與硅酸鹽水泥熟料相似的轉(zhuǎn)爐鋼渣，具有一定的潛在膠凝性能[1]，在適當(dāng)條件下可以發(fā)揮出水化活性，在建材中可以單獨(dú)或是與水淬高爐爐渣組合，起到替代一部分水泥的作用[2]。鐵礦尾礦是鐵礦石經(jīng)加工、磁選后排放的礦物廢料，主要成分為石英以及方解石、白云石等礦物，采用無(wú)尾礦庫(kù)開(kāi)采工藝后，大量尾礦的處理和處置問(wèn)題尤為突出。研究表明[3]，水泥在水化過(guò)程中與石英顆粒能較緊密地結(jié)合，其結(jié)合能力僅次于石灰石和白云石。因此，若能無(wú)害地將鐵礦尾礦作為骨料用于混凝土砌塊的生產(chǎn)，不僅可以減低砌塊生產(chǎn)成本，還可以有效地消化尾礦，減輕其對(duì)環(huán)境的污染?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)所制備混凝土立方體試樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試的方式，研究了以鋼渣、尾礦為主要原料的綠色混凝土試樣的力學(xué)性能，希望通過(guò)采用尾礦作為集料，用鋼渣替代部分水泥后獲得能用于自保溫墻體的高利廢砌塊材料。

二、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)原料

（1）水泥。采用馬鞍山海螺水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的海螺牌PO32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，比表面積350 m2/kg。

（2）鋼渣。來(lái)自馬鞍山鋼鐵集團(tuán)第三煉鋼廠(chǎng)所排出的鋼渣，并在渣場(chǎng)堆存了一年。

（3）檸檬酸渣。馬鞍山豐原制藥有限公司生產(chǎn)檸檬酸工藝中所排放出的廢渣，以CaSO4·2H2O為主。

（4）鐵礦尾礦。馬鞍山鋼鐵集團(tuán)南山礦所排放的鐵礦尾礦。

（5）水泥膠砂用標(biāo)準(zhǔn)砂。采用中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（GB/T17671-1999），廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)。

（二）試樣配合比與性能表征

1.尾礦粒度分布的篩余分析。將樣品置于105℃±5℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重，冷卻至室溫后，稱(chēng)取500g試樣，置于按篩孔大小順序排列的套篩（孔徑分別為10.00mm、5.00mm、2.50mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm）的最后一只篩子上。將套篩裝入搖篩機(jī)內(nèi)，搖篩10min左右，然后取出套篩，稱(chēng)取各層篩篩余試樣的質(zhì)量。計(jì)算各層篩的篩余百分率以及累計(jì)篩余百分率，并按照下式計(jì)算細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)：

式中：Mx——細(xì)度模數(shù)；

A1、…、A6——5.0mm、…、0.16mm各篩上的累計(jì)篩余百分率。

2.鋼渣—水泥復(fù)合膠凝材料

在使用10%檸檬酸渣作為激發(fā)劑的條件下，分別使用不同摻量的鋼渣等量取代水泥，以研究鋼渣摻量對(duì)鋼渣—水泥膠凝體系的影響。膠凝體系的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量按照GB/T 1346-2001方法進(jìn)行，樣品的安定性檢測(cè)按照GB/T 1346-200方法進(jìn)行，膠砂強(qiáng)度按照GB/T 17671-1999方法進(jìn)行，具體配比見(jiàn)表1。

表2 所示為鋼渣—水泥膠凝材料膠砂實(shí)驗(yàn)的樣品配比。按照表中列出的配合比進(jìn)行膠砂實(shí)驗(yàn)，然后測(cè)定其7天和28天的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，以研究鋼渣摻量對(duì)鋼渣—水泥膠凝體系強(qiáng)度的影響以及檸檬酸渣對(duì)鋼渣的激發(fā)效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，膠砂比取1：3，水灰比取0.5，其中，編號(hào)為J-A0～J-A10的樣品，鋼渣中含10%的檸檬酸渣作為激發(fā)劑，編號(hào)為J-B4～J-B6的樣品，鋼渣中含5%的檸檬酸渣作為激發(fā)劑。

3.鋼渣—水泥—尾礦混凝土

在使用10%檸檬酸渣作為激發(fā)劑的條件下，分別使用不同摻量的鋼渣等量取代水泥后研究鋼渣摻量對(duì)混凝土性能的影響。具體配比見(jiàn)表3，混凝土試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，使用GBJ80-85坍落筒法測(cè)試新拌混凝土的工作性能，使用GBJ81-85測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（一）原材料性能

1.細(xì)尾礦

細(xì)尾礦含泥量為6.3%，模度系數(shù)為3.57，處于常規(guī)混凝土砂石級(jí)配的Ⅰ區(qū)[4]，篩余分析如表4所示。

2.粗尾礦

粗尾礦含泥量為3.1%，篩余分析如表5所示。

（二）膠凝材料性能

1.安定性

由于鋼渣中f-CaO含量較高，摻入水泥成為復(fù)合膠凝體系后，有可能導(dǎo)致體系安定性不合格，筆者采用試餅法測(cè)定了表4.1中所示各配比的膠凝體系凈漿樣品的的安定性情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，除A10（全鋼渣）樣品外，其余試樣的安定性均合格。因此，在水泥中摻入不高于70%的鋼渣是安全的。此外，陳平[5]、袁玲[6]等人研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣中由于f-CaO引起的微膨脹特性，可以補(bǔ)償硅酸鹽水泥的早期收縮，從而減少水泥體系的早期開(kāi)裂問(wèn)題，這對(duì)提高混凝土墻材的質(zhì)量是有益的。

2.膠砂強(qiáng)度

表2中編號(hào)為J-A0～J-A10膠砂樣品的抗折和抗壓強(qiáng)度分別如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，各齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在早期更加明顯，這與鋼渣粉的礦物組成密切相關(guān)。與水泥相比，鋼渣中主要有早期水化較慢的C2S礦物，而早期水化較快的C3A、C3S礦物量較少，因此，隨著鋼渣粉的摻入，膠凝體系早期水化速度減緩，摻入比例越大，水化速度越慢，早期強(qiáng)度越低[7]。此外，大摻量鋼渣對(duì)水泥的取代會(huì)使液相中Ca2+濃度降低，導(dǎo)致液相中Ca2+濃度達(dá)到臨界值的時(shí)間推遲，使膠凝材料的水化誘導(dǎo)期延長(zhǎng)[8]，也會(huì)對(duì)早期強(qiáng)度造成不利影響。隨著水化過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，鋼渣粉在水化產(chǎn)物Ca（OH）2的激發(fā)下開(kāi)始水化，對(duì)膠凝體系的強(qiáng)度發(fā)展有利，但如果摻量較大，水泥量會(huì)相應(yīng)減少，造成C-S-H凝膠量相應(yīng)減少[9]，從而使得以鋼渣為主的鋼渣-水泥膠凝體系的強(qiáng)度要低于純水泥。

（三）鋼渣摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

使用表3中各配合比所配制的混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。圖中，1#線(xiàn)表示H-A0～H-A6的抗壓強(qiáng)度隨鋼渣摻量的變化關(guān)系，2#線(xiàn)表示H-B0～H-B6的抗壓強(qiáng)度隨鋼渣摻量的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，混凝土樣品的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。摻鋼渣的混凝土前期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度有較大的增長(zhǎng)，其中，編號(hào)為H-B4的試樣的90天抗壓強(qiáng)度接近全水泥的H-B0試樣的抗壓強(qiáng)度。

四、結(jié)論

（1）使用鋼渣（10%檸檬酸渣作為激發(fā)劑）和42.5普通硅酸鹽水泥組成的膠凝材料，當(dāng)鋼渣含量在40%至70%過(guò)程變化時(shí)，雖然7 d 抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣含量增加而減小，但是28 d 抗壓強(qiáng)度隨著增加而降低。

（2）使用上述配合比配制的膠凝材料，在鋼渣用量占6.5%，尾礦用量占87%，所制得的混凝土28d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到21.5MPa，理論上可以制得孔隙率為43%，強(qiáng)度等級(jí)為MU10的混凝土空心砌塊，且可以消耗大量的鋼渣、鐵礦尾礦等工業(yè)廢棄物。

參考文獻(xiàn)

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[6] 袁玲，汪正蘭.鋼渣礦渣復(fù)合摻合料對(duì)水泥漿體性能的影響[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2004，12（3）：43～46.

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[9] 陳益民，張洪滔.磨細(xì)鋼渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J].水泥.2001（05）：1～4.