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钢渣-矿粉复合掺和料制备及其对混凝土的性能影响

摘要：混凝土的制备及性能研究已经成为当前行业的热门。本文的研究将重点掌握钢渣-矿粉以及其他工业化固体废弃物在复合掺和状态下所产生的性能影响，包括工作性能、力学性能、耐久性能等。研究认为钢渣矿粉掺和量达到53%-65%后再与其他工业化固体废弃物复合掺和，在有效代替水泥后可制备得到C30混凝土材料，工作、力学性能均有更好表现，耐久性能得到提升，经济成本更为合理。
关键词：钢渣-矿粉；复合掺和料；混凝土
随着工业化建设的持续发展，越来越多的领域对混凝土的使用需求与消耗量在不断提升，同时也对混凝土的综合性能提出了更多的要求。为了实现理想的混凝土性能，人们常会在传统的搅拌料中掺和不同的物质，这些物质的存在对整个混凝土的性能将产生很大影响。很多人在混凝土的外部物质复合掺和方面达成共识，支持在混凝土制备过程中，加入更多的工业化固体废弃物。事实上，随着经济的快速发展，我国的工业化固体废弃物的产量也在突飞猛进，2005年工业固废总量约为13.4亿吨，2014年此值已经接近33亿吨，2018年以来的工业固废物质总量较之2005年已是翻了数番。通常，人们所说的工业化固体废弃物主要包括在粗放型生产中出现的道路填筑材料、房屋构筑材料、农田肥料、钢铁厂再造渣材料、水泥厂生产原料等。现阶段，选择以钢渣-矿粉作为主材料，并积极掺和脱硫石膏、尾矿、粉煤灰等物质，复合配比组成新的混凝土，能够提升混凝土的综合性能，同时还能够更高效地利用工业化固体废弃物，抬升固体废弃物的综合附加值。
1钢渣与矿渣简介
高炉矿渣是是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，是一种易熔混合物，可采用多种工艺加工成具有多种用途的宝贵材料。高炉矿渣可采用多种工艺加工成具有多种用途的宝贵材料。加工成矿渣碎石可代替天然砂石，作为混凝土、钢筋混凝土以及500号以下预应力钢筋混凝土骨料，工作温度700℃以下的耐热混凝土骨料，要求耐磨、防滑的高速公路、赛车场、飞机跑道等的辅助材料，铁路道渣、填坑道地和地基垫层填料，污水处理介质等。高炉熔渣用大量水淬冷后，可制成含玻璃体为主的细粒水渣，有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂作用下，显示出水硬胶凝性能，是优质水泥原料。钢渣：一种工业固体废物。炼钢排出的渣，依炉型分为转炉渣、平炉渣、电炉渣。采用荷兰菲利浦PW1400X-荧光光谱分析测定试验用钢渣的化学成分，可知在转炉渣和电炉渣中均还有大量的矿物质。排出量约为粗钢产量的15～20%。主要由Ga、Fe、Si、Mg、Al、Mn、P等的氧化物，如SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、MnO、TiO2、P2O5、K2O、NaO2组成。主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等。有的地区因矿石含钛和钒，钢渣中也稍含有这些成分。钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种以及每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异。钢渣的矿物组成与其碱度Ca0/(Si02+P205)有关。转炉钢渣碱度B=CaO/(SiO2+P205)=3.81，属高碱度钢渣。电炉钢渣的B=CaO/(SiO2+P205)=2.07，属中碱度钢渣。在冶炼过程中，碱度逐渐提高，则依次发生下列取代反应：
CaO+RO+SiO2→CaO.R0.SiO22(CaO.R0.SiO2)→3CaO.R0.2SiO2+R03CaO.R0.2SiO2+CaO→2CaO.Si02+RO2CaO.Si02+CaO→3CaO.Si02
式中RO代表二价金属(一般为Mg+2、Fe+2、Mn+2)氧化物的连续固熔体。
钢渣中含有硅酸盐水泥熟料相似的硅酸二钙(C2S)和硅酸三钙(C3S)，高碱度转炉钢渣中其两者含量在50%以上，中、低碱度的钢渣中主要为C2S，电炉钢渣中硅酸盐矿物含量略低。钢渣的生成温度为1560℃以上，而硅酸盐水泥熟料的烧成温度在1400℃左右。钢渣中的生成温度高，其结晶致密，晶粒较大，水化速度缓慢。因此将钢渣又称为过烧硅酸盐水泥熟料。钢渣作为炼钢的过程产物，产量约占粗钢的五分之一，但并未实现更好的重复利用率，在资源浪费的同时也增加了环境污染。
2试验材料
水泥由某水泥厂提供，P•O42.5；粗集料中，石灰石自产，连续级配5-25mm，表象密度2.65×103kg/m3，堆积密度1.47×103kg/m3；机制砂中，石粉量低于10%，细度模数处于2.6±0.2的波动范围，表象密度2.71×103kg/m3，堆积密度1.55×103kg/m3；减水剂，主用聚羧酸减水剂。钢渣-矿粉原材料的相关信息如下表1所示：
表1钢渣-矿粉材料性能参数及化学成分
其他的工业固废材料分别包括：（1）自磨细粉煤灰，由某电厂提供，烧失量3%，细度1.0%。（2）脱硫石膏，由某电厂提供，小磨粉磨比表面积450m2/kg，三氧化硅含量41.38%。（3）铁尾矿矿粉，由某铁矿提供，小磨粉磨比表面积450m2/kg。
3试验方法
在本文中所开展的试验主要是将钢渣、矿粉、粉煤灰、脱硫石膏、铁尾矿矿粉等经过不同比例的复合掺和配制，从而测定并掌握在不同物料配比下的掺和水平，以便灵活掌握不同比例的复合掺和物质配制下的混凝土性能。钢渣-矿粉复合掺和料制备C30混凝土后，相应的混凝土综合性能试验应遵循技术规范即GB/T50080-2016《混凝土拌合物性能试验法》、GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法》、GB/T50082-2016《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》。
4试验结果
钢渣-矿粉同其他工业化固体废弃物可以按照一定的配合比复合配制为矿物掺和料，以便在掺和到混凝土中对性能进行影响，如表2所示。钢渣掺和量在不断增加的过程中，会导致复合掺和料的活性大幅提升。分析原因，与钢渣中的微量物质的化学反应有关。钢渣中存在的硅酸钙物质经过水化作用后将释放出氢氧化物，这样便于增强矿粉的水化反应，而氢氧离子的存在也会调整水化环境中的碱度系数。随着矿渣粉水化反应的不断演进，矿渣粉将持续吸收来自与钢渣粉中的游离态物质，包括氧化镁与氧化钙等，便于提高混凝土在抵抗不均匀膨胀开裂风险方面的能力，从而真正达到钢渣矿粉优势互补的目的。
表2不同比例的钢渣矿粉复合掺和料复合配比比例及活性
钢渣-矿粉复合掺和料计入到混凝土后，混凝土的工作性能与力学性能经过试验取得结果如表3所示。使用钢渣-矿粉复合掺和料，确实可以制备具有典型性能的C30混凝土其28天抗压强度保持在大于38MPa的水平，同时初始坍落度保持在大于200mm的水平。新研发的C30混凝土与基准混凝土进行对照比较后，可知前者要比后者在初始坍落度方面高出15mm-5mm的水平值。
表3钢渣-矿粉复合掺和料所配制C30混凝土的工作性能与力学性能试验结果
本研究中，基准试件是仅仅在混凝土中加入矿粉的样本。从上表的数据统计分析结果看，C30混凝土在掺和更多的复合掺和料后，坍落度较之基准均有更高水平的表现，4类复合掺和料都保持在210mm以上的数值。对于1小时坍损以而言，不同复合掺和料都与基准之间较为接近，显然在和易性方面表现良好。当然从初凝与终凝之间的差值能够看出，加入负荷掺和料后的混凝土在凝结时间上稍有所长。从工作性能上看，与基准件之间表现基本持平。从掺和复合料的主要构成材料看，基本为火山灰活性材料以及水硬性凝胶材料，矿物含量有所降低，且在水化作用方面表现较为迟缓，也容易导致缓凝效果的出现，这样可降低坍损。与仅掺和单一矿粉相比，加入钢渣-矿粉复合掺和料的同时也加入了少量的粉煤灰，这样能够增加滚珠效果。掺入钢渣-矿粉复合掺和料后，无论是从7天抗压强度还是28天抗压强度都与基准混凝土之间未出现明确的差距，保持较低水化速度，这样由于水泥与钢渣发生水化反应后会生成不少含量的氢氧化钙，在激活后将成为水化矿物。同时，钢渣中的硅酸钙矿物仅仅拥有较少的含量，这样降低了早强矿物的含量，也就使得混凝土在凝结时间方面要较之基准混凝土要更慢。
取4号混凝土样本与基准样本为例，当钢渣-矿粉复合掺和料掺入到混凝土后，混凝土的耐久性能经过试验取得结果如表4所示。
表4钢渣-矿粉复合掺和料混凝土收缩率试验结果
从统计数据可分析得知，混凝土在掺入钢渣-矿粉复合掺和料后，在早期的收缩表现上不及基准混凝土，分析原因可知，混凝土中加入不同材料的复合掺合料后，钢渣粉内的游离状氧化钙与氧化镁具有较高的含量，它们能与矿粉进行反应从而使得混凝土的微膨胀自收缩性能降低，也意味着混凝土早期的稳定性较高，与基准混凝土相比，前者的开裂风险大大降低。
对4号混凝土样本与基准样本进行200次循环抗冻实验，能够从表5所示的统计结果中看出，钢渣-矿粉复合掺和料掺入后的新混凝土与基准混凝土相比，抗冻性能均可达到国家标准，因此均具有较为理想的表现。实验中的具体对比可发现，钢渣-矿粉复合掺和料掺入后的新混凝土在质量与强度损失上会低于基准混凝土，也就是说明前者的抗冻性能要优于基准混凝土，从原因上看，主要是因为掺入钢渣-矿粉复合掺和料的混凝土其内部结构更具有密实感。
表5钢渣-矿粉复合掺和料混凝土抗冻性能试验结果
在试验中，可同时测试掺和复合料的混凝土的抗氯离子渗透性能。经过试验可知基准混凝土中仅加入了一定量矿粉，若提高矿粉的掺和量，或是提高钢渣-矿粉复合掺和料后出现的新混凝土，往往表现出较低的抗氯离子扩散系数，该系数低于基准混凝土件。试验数据显示，钢渣-矿粉复合掺和料后出现的新混凝土抗氯离子扩散系统约为0.69×10-12m2/s。分析原因，可能与混凝土中的钢渣中存在超细微粉等颗粒有关。
通过以上试验与分析，可知钢渣中含有硅酸二钙，水硬活性明显，钢渣比表面积高于452m2/kg时可依据GB/T18064法测定，从而实现S75等级技术指标。钢渣粉与矿粉还有其他工业化固体废弃物进行复合掺和可作混凝土掺合料使用。胶材总量为400kg/m3,钢渣粉等量取代10%水泥与不掺渣粉相同，也可配制C60的混凝土。取代量为20%~40%,混凝土强度下降。钢渣粉对混凝土的坍落度影响不大。钢渣粉与矿渣粉按质量比3:7制成双掺渣粉，比表面积为465m2/kg，从而实现S95等级技术指标。胶材总量为400kg/m3，双掺渣粉等量取代水泥10%和20%,混凝土28天强度提高。取代量为30%,28天强度略降低。取代水泥量10%~20%，与不掺渣粉相同，也可配制C60的混凝土。双掺渣粉可增大混凝土的坍落度。钢渣粉与矿渣粉复合制成双掺粉，等量取代水泥，可提高混凝土28天强度，改善流动度，是钢铁渣高价值利用的重要途径。
参考文献
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[3]林茂松,王琼,於林锋.钢渣矿粉复合掺合料对砂浆性能的影响研究[J].山西建筑,2014(28):117-119.

-全文完-