磨細(xì)鋼渣微粉摻量對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響

黃俊田，倫云霞

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 湖北 武漢 430023)

磨細(xì)鋼渣微粉摻量對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響

黃俊田，倫云霞

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 湖北 武漢 430023)

通過測(cè)試磨細(xì)武鋼鋼渣粉代替45 g、135 g、225 g水泥時(shí)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，研究了鋼渣微粉的膠凝活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適量的磨細(xì)鋼渣微粉代替水泥對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度影響不大，7 d齡期下，空白組抗壓強(qiáng)度為21.72 MPa，摻加磨細(xì)鋼渣粉的組按摻量強(qiáng)度分別為22.90 MPa、17.35 MPa、16.19 MPa。摻加適量(≤30%)磨細(xì)鋼渣粉也可以增強(qiáng)微集料填充效應(yīng)，提高抗壓強(qiáng)度。

鋼渣粉；強(qiáng)度；摻量；齡期

1 引言

1996 年中國(guó)粗鋼生產(chǎn)產(chǎn)量居世界第一之后到2012年連續(xù) 17 年都居于世界第一。 2010年中國(guó)生產(chǎn)粗鋼產(chǎn)量總計(jì)為 48.99 億噸， 占世界粗鋼產(chǎn)量總計(jì)的 21.14%[1]。在如此巨大的產(chǎn)量面前，不得不重視在鋼鐵生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生的主要廢棄物——鋼渣，其排出量約為鋼產(chǎn)量的15—20%[2]，即我國(guó)每年在生產(chǎn)鋼材的過程中會(huì)產(chǎn)生一億多噸的鋼渣廢料。由于鋼渣成分比較復(fù)雜，性能不穩(wěn)定，處理方法發(fā)展的也較為緩慢，我國(guó)鋼渣的利用率僅為39.7%[3]，導(dǎo)致了我國(guó)鋼渣的大量堆積，不僅造成資源浪費(fèi)，也造成了大量土地占用和環(huán)境破壞。研究表明[4-5],鋼渣的化學(xué)成分主要是CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、MgO、P2O5、MnO等，與硅酸鹽水泥熟料化學(xué)成分接近[6]。鋼渣礦物組成較為復(fù)雜且與堿度M(M=CaO/(SiO2+P2O5))有關(guān)。堿度較高的鋼渣中的硅酸三鈣和硅酸二鈣含量較多，使鋼渣具有類似硅酸鹽水泥熟料的水硬膠凝性。這為鋼渣利用開辟了一條新路徑。

筆者通過使用XRD、SEM分析、觀察鋼渣微粉的化分組成和形貌特征。通過不同摻量鋼渣微粉的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度研究其膠凝性能。

2 實(shí)驗(yàn)原材料與方法

2.1 原材料

鋼渣取自武鋼轉(zhuǎn)爐渣自然冷卻堆場(chǎng)，在室外堆放一個(gè)月后通過球磨機(jī)粉磨2 h，并經(jīng)過烘干后制成。取500 g過0.075 mm篩，篩余量為150 g。

水泥選自湖北鄂州華新水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。

拌合水選自武漢市東西湖區(qū)管網(wǎng)飲用自來水。

表1 砂篩分試驗(yàn)

篩孔尺寸/mm1052．51．250．630．3150．160．08篩底合計(jì)篩余質(zhì)量/g101．33046．291．5228．678185．2498．820124．94792．2230．279．318．65．8499．0分計(jì)篩余量a/%100．266．009．2418．3045．7215．603．601．041．0200．204．989．4018．4446．0415．863．721．161．0累計(jì)篩余量A/%100．266．2615．5033．8079．5295．1298．7299．76200．204．9814．3832．8278．8694．7298．4499．60

2.2 方法

通過X射線衍射儀測(cè)定鋼渣的礦物組成,用Hitachi(日本)S-3400N掃描電鏡對(duì)鋼渣進(jìn)行形貌觀察。參考水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法) GB/T 17671—1999，水泥與砂的質(zhì)量比為1∶3，水灰比為0.5。材料配比如表2所示。模具采用40×40×160 mm三聯(lián)模具。每成型三條試件需稱量水泥450±2 g，砂1350±5 g。拌合用水量為225±1 mL。

表2 材料配合比 /g

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，空白組7d和28d的抗壓強(qiáng)度分別是21.72 MPa、27.30 MPa。第二組的7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別是22.90 MPa、37.59 MPa。第三組的抗壓強(qiáng)度分別是24.72 MPa、40.69 MPa。第四組的抗壓強(qiáng)度分別是17.35 MPa、38.67 MPa。第五組的抗壓強(qiáng)度分別是16.77 MPa、31.41 MPa。第六組的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別是16.19 MPa、26.19 MPa。如圖1所示，隨著齡期的增加，所有組試件的后期抗壓強(qiáng)度都有所增加。但是，摻加鋼渣粉的試件強(qiáng)度增長(zhǎng)相比于空白組增長(zhǎng)快?？瞻捉M的強(qiáng)度增長(zhǎng)率為25.7%，其他組的強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為64.1%、61.81%、122.9%、87.30%、61.9%。

表3 砂漿強(qiáng)度

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

圖1 砂漿強(qiáng)度

同齡期下，摻加不同摻量鋼渣粉的試件的早期抗壓強(qiáng)度隨著摻量增加遞減。但是當(dāng)摻量超過30%的時(shí)候，試件的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率開始降低。

3.2 分析

3.2.1 活性分析

XRD檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，參照武漢工業(yè)大學(xué)出版的無機(jī)非金屬材料圖譜手冊(cè)，可見鋼渣的主要組成礦物是硅酸三鈣(C3S)，硅酸二鈣(C2S)，鐵酸二鈣(C2F)，鐵鋁酸四鈣(C4AF)，二鋁酸一鈣(CA2)和組成未知的含鐵固溶體，(RO)相，這和硅酸鹽水泥熟料的礦物組成成分大致相同，使鋼渣具有類似硅酸鹽水泥熟料的水硬膠凝性，所以可以將鋼渣粉代替水泥作為膠凝材料。但由于鋼渣形成溫度較高(1 600—1 700 ℃)，使鋼渣具有過燒硅酸鹽水泥熟料的特點(diǎn)，水硬性發(fā)展緩慢[7]。這可能是摻加了鋼渣粉的試件后期強(qiáng)度以及強(qiáng)度增長(zhǎng)率比空白組的大的原因。

圖2 轉(zhuǎn)爐渣XRD檢測(cè)結(jié)果

3.2.2 微集料填充效應(yīng)

礦物摻合料對(duì)混凝土工作性的影響因素主要是礦物本身的組成結(jié)構(gòu)，粒子尺寸大小及分布，粒子形狀等[8],一般認(rèn)為粒子尺寸分布范圍較廣的礦物摻合料有益于改善混凝土的工作性及強(qiáng)度。這是因?yàn)樗芎芎玫匕l(fā)揮小顆粒填充在大顆粒之間空隙的填充作用，使結(jié)構(gòu)變得致密，強(qiáng)度提高。通常水泥的平均顆粒粒徑為10 —20 μm，小于10 μm的粒子不足[9]。因此，水泥粒子之間的填充性不好。通過掃描電鏡觀察到鋼渣粉的粒徑小于10μm的顆粒含量比水泥高，掃描電鏡結(jié)果如圖3、圖4所示。添加鋼渣粉后可一定程度上改善水泥顆粒之間的填充性，從提高水泥粒子之間的填充性上提高水泥制品的強(qiáng)度。在掃描電鏡結(jié)果中可以看出鋼渣粉顆粒形狀不規(guī)則，表面粗糙，這與水泥樣檢測(cè)結(jié)果類似，均含有霜粒狀的鈣硅相，無定形的鐵鎂相以及鈣鐵相[10-11]。所以隨著鋼渣摻量的增加，水泥顆粒之間的空隙不斷被填充，水泥砂漿的強(qiáng)度也就不斷增加。當(dāng)摻量超過填充需要時(shí)，較多的鋼渣微粉聚集在一起，由于鋼渣微粉的水化活性沒有水泥好，故水泥砂漿的強(qiáng)度也就有所下降。

圖3 水泥試樣檢測(cè)結(jié)果

圖4 武鋼鋼渣粉檢測(cè)結(jié)果測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

通過XRD、SEM以及水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)得出(1)鋼渣粉的礦物組成與硅酸鹽水泥相似，鋼渣粉中含有的硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)使鋼渣具有類似硅酸鹽水泥熟料的水硬膠凝性。鋼渣粉的形貌特征和水泥熟料類似，且在一定程度上改善水泥的顆粒級(jí)配。(2)早期抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣粉摻量的增加而減少，不同摻量的試件28 d的強(qiáng)度相對(duì)于早期(7 d)強(qiáng)度均有所增長(zhǎng)，且強(qiáng)度增長(zhǎng)率均是大于空白組強(qiáng)度增長(zhǎng)率。低摻量情況下，試件的強(qiáng)度隨著摻量增加而增長(zhǎng)。當(dāng)摻量超過30%后，強(qiáng)度開始降低，所以鋼渣粉摻量不宜超過30%。

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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.

黃俊田(1992-)，男，碩士研究生，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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