鋼渣粉在水泥基材料中應用研究綜述

 

目前，鋼渣廢棄物堆存造成了嚴重的環(huán)境污染和資源浪費，鋼渣資源化利用迫在眉睫。將鋼渣粉應用于水泥基材料中，不僅可以提高固廢資源利用率，還可以減少天然資源的消耗，替代水泥降低 二氧化碳的排放。本文介紹了鋼渣的物理化學特性、膠凝性能和活性激發(fā)方式，綜述了鋼渣粉在混凝土復合膠凝材料、全固廢膠凝材料、充填膠結(jié)材料、干混砂漿四個領(lǐng)域的資源化利用現(xiàn)狀。從凝結(jié)時間、和易性、力學性能、耐久性和體積穩(wěn)定性等方面分析了鋼渣粉對水泥基材料性能的影響。摻入適量的鋼渣粉，可有效改善水泥基材料的性能，特別是在調(diào)控拌合物和易性與提升耐久性方面有顯著優(yōu)勢。最后，提出了將鋼渣粉應用在水泥基材料中存在的問題和未來的研究發(fā)展方向。

 

鋼渣是鋼鐵冶煉過程中的一種工業(yè)廢渣，其排放量約占粗鋼產(chǎn)量的 15%。目前，我國的鋼產(chǎn)量多年穩(wěn)居世界第一，粗鋼產(chǎn)量達到全球產(chǎn)量的 1 /2。但是 70％ 左右的鋼渣未得到有效利用，其廢棄堆存量逐年增加，占用大量寶貴的土地資源，嚴重破壞周邊生態(tài)環(huán)境。鋼渣資源除了通過企業(yè)內(nèi)循環(huán)自消納外，還被應用于建筑材料、道路工程、阻燃工程、農(nóng)業(yè)肥料、制備微晶玻璃、海洋工程中。鋼渣在建筑材料中的應用通常有鋼渣骨料和鋼渣粉兩種方式，由于鋼渣骨料安定性的離散程度大，少量安定性不良的骨料就可能使硬化混凝土發(fā)生表面損傷或結(jié)構(gòu)性破壞，近年來將鋼渣骨料作為混凝土骨料導致的工程質(zhì)量問題頻發(fā)。相比于鋼渣骨料，鋼渣粉在建筑材料方面的綜合利用更為廣泛。在國家發(fā)展改革委、科技部等十部門最新發(fā)布的《關(guān)于“十四五”大宗固體廢物綜合利用的指導意見》中，也明確指出“擴大鋼渣微粉作混凝土摻合料在建設(shè)工程等領(lǐng)域的利用”。但由于鋼渣自身特殊的物理化學性質(zhì)，處理工藝、冶煉工藝不同帶來的差異，鋼渣粉仍存在早期水化活性低、凝結(jié)時間長等亟待有效解決的問題。本研究綜述了鋼渣粉及其在水泥基材料中資源化利用的研究成果，分析指出了目前存在的問題，提出了發(fā)展趨勢，為今后鋼渣粉在水泥基材料中的進一步研究和應用提供技術(shù)指導和參考。

 

1、基本特性

 

鋼渣冶煉工藝和處理工藝的復雜多樣化，導致了鋼渣種類多、渣況差異大的現(xiàn)象。根據(jù)冶煉工藝可將鋼渣分為轉(zhuǎn)爐鋼渣、電爐鋼渣和平爐鋼渣，根據(jù)處理工藝可將鋼渣分為熱燜渣、熱潑渣、滾筒渣等。

 

1.1　物理化學特性

 

國內(nèi)外研究結(jié)果表明，各種鋼渣成分含量波動較大，但化學組成基本相同。鋼渣的化學組成主要包括 cao、sio₂、al₂o₃、fe₂o₃、mgo，在組成上與水泥熟料相似，但 cao 和 sio₂的含量低于硅酸鹽水泥，這意味著鋼渣中硅酸鈣的含量較低。鋼渣的礦物組成主要包括硅酸二鈣、硅酸三鈣、少量游離的氧化鈣、鐵鋁酸四鈣以及 mgo、cao、teo 和 mno 等（統(tǒng)稱為 ro相）金屬氧化物。鋼渣中的主要礦物相會隨鋼渣堿度的變化而變化。徐光亮等認為低堿度轉(zhuǎn)爐鋼渣的主要礦物相為橄欖石、鎂薔薇石、ro 相和 c₂s。侯貴華等認為高堿度鋼渣主要礦物相為 c₂s、鐵鋁鈣和鎂鐵相固溶體，此外還含有少量的 c₃s、ｆ?cａo和mｇo。饒磊研究發(fā)現(xiàn)：鋼渣堿度從 4.0 開始降低的過程中，礦物相中的 c₃s、鐵酸二鈣（c₂f）、方鎂石含量逐漸減少，c₂s 含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢；當堿度降至 2.5時，方鎂石消失，薔薇輝石開始析出；ro 相含量隨堿度降低逐漸上升。

 

１.２　水化特性

 

鋼渣中的 c₂s 和 c₃s 具有一定活性，可水化生成水化硅酸鈣（c?s?h）凝膠和氫氧化鈣（ch）晶體，該過程與硅酸鹽水泥水化過程相似。但鋼渣中活性相對較高的硅酸鹽礦物及鐵鋁酸鹽礦物僅占 40％~70％ ，并且在鋼渣生成過程中，高溫融熔導致 c3s 結(jié)構(gòu)更加致密，鋼渣的膠凝性能遠低于硅酸鹽水泥熟料。王強借助等溫差分量熱儀對比了鋼渣粉和純硅酸鹽水泥的水化放熱速率，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉水化第二放熱峰比純硅酸鹽水泥晚 12ｈ 左右出現(xiàn)，且峰值僅為水泥的 1/12，說明鋼渣粉中的活性成分含量遠低于純硅酸鹽水泥。齊立倩也進行了相似的比對，發(fā)現(xiàn)隨著鋼渣粉摻量的增加，鋼渣水泥體系的放熱速率下降，累積放熱量逐漸減小。這是因為鋼渣中 c3s 含量較少，體系中 ca^{2 +}達到飽和并且飽和后與 oh^-結(jié)合形成 ch 晶體析出的時間變長。因此，鋼渣早期反應速率較慢，初凝時間較長。但鋼渣水泥的后期水化速率要大于純硅酸鹽水泥。這是因為隨著水化反應的進行，c?s?h 凝膠會吸附在水泥顆粒表面，阻礙了未水化的水泥顆粒與水接觸，這層表面屏障層的厚度決定了水泥水化進一步反應的難易程度。與純硅酸鹽水泥相比，鋼渣的水化活性低，生成的 c?s?h凝膠含量少，后期屏障層更薄，水分更容易進入被包裹的水泥顆粒的表面，因此后期水化速率大于純硅酸鹽水泥。

 

１.３活性激發(fā)

 

為了克服鋼渣活性低、早期抗壓強度不足的劣勢，可通過適當?shù)幕罨幚矸绞絹砑ぐl(fā)鋼渣的潛在活性。常用的活化技術(shù)包括物理激發(fā)、化學激發(fā)和復合激發(fā)。物理激發(fā)也稱機械激發(fā)，主要方式是機械研磨。段思宇等研究發(fā)現(xiàn)，細顆粒的鋼渣中富集更多的 ca、si 元素。鋼渣的膠凝特性正是來源于ch、c2s、c3s等礦物，用超音速蒸汽粉碎機粉磨鋼渣，可優(yōu)化鋼渣顆粒的化學組成，得到活性更高的細顆粒鋼渣。zhang 等發(fā)現(xiàn)：鋼渣微粉的膠凝活性隨著粒徑的減小，呈現(xiàn)先增后減的趨勢；使用行星式球磨機研磨 80min 時的鋼渣活性最佳，當研磨時間超過 80min時，鋼渣微粉易發(fā)生團聚，對膠凝活性激發(fā)有負面影響。王強等用61 μmｍ孔徑的篩子篩出轉(zhuǎn)爐鋼渣粉中的粗顆粒，將這部分粗顆粒磨細后，發(fā)現(xiàn)其早期和后期活性均有一定程度的提高，但與鋼渣原樣相比仍有很大差距。因此，機械激發(fā)對提高鋼渣粉中粗顆粒活性的效果并不明顯。liu 等提出在鋼渣取代量大、細度高的情況下，提高鋼渣細度能有效增強鋼渣水泥的后期膠凝性能，但對早期膠凝性能并無改善。綜合而言，機械研磨可通過提高鋼渣中活性礦物的比例來達到激發(fā)潛在膠凝活性的效果。但在研磨過程中要注意研磨方式和研磨時間的選取，控制不當時容易造成負面影響，并且研磨后的鋼渣顆粒活性提升空間不大，對早期活性低的缺陷并無改善。

 

化學激發(fā)是通過酸、堿、鹽和礦物摻合料等物質(zhì)來破壞礦物晶體，釋放出 ca²⁺和硅氧四面體［sio4］，促使形成更多的 c?s?h 凝膠和鈣礬石（aft）晶體，不斷填充硬化體中的孔隙，從而達到提高強度的目的。張浩等研究表明，硫酸和醋酸都對鋼渣活性有較好的激發(fā)作用，28d 的活性指數(shù)分別可達 91.2％~97.3％和 89.4％~ 93.2％ 。酸對體系中部分堿性物質(zhì)的中和作用，促進了未水化的鋼渣進一步溶解并進行水化反應。適量的磷酸溶液通過去除鋼渣微粉中的 f?cao，對鋼渣微粉的孔結(jié)構(gòu)起到顯著的改善作用。但過多的酸性激發(fā)劑會破壞體系中的堿性環(huán)境，從而產(chǎn)生消極作用，因此堿激發(fā)的研究和實際運用都更為廣泛。崔賀龍通過試驗得出四種堿性激發(fā)劑的激發(fā)效果排序為水玻璃（na₂sio₃）＞na₂co_3、naoh＞ na₂so₄。鋼渣單獨做膠凝材料時，即使采用水玻璃激發(fā)，早期抗壓強度仍然不高。張浩等研究發(fā)現(xiàn)，na₂sio₃和naoh 對鋼渣膠凝材料的早期抗壓強度影響較大，ch 對 28 d抗壓強度影響更顯著。王強通過微觀分析發(fā)現(xiàn)，naoh溶液（ph =13.0）能促進鋼渣的水化，但其中的 ro 相、fe₃o₄和 c₂f 仍保持惰性，并且這種促進作用在 28 d 后減弱，對提高鋼渣長期水化活性的作用有限。雖然化學激發(fā)能適當提高鋼渣的活性，但遠未達到可在水泥基材料中大量使用的程度。此外，化學激發(fā)劑高昂的成本也是制約化學激發(fā)技術(shù)推廣運用的一大阻礙。

 

單一的激發(fā)技術(shù)難以達到最佳激發(fā)效果，因此不少學者提出復合激發(fā)技術(shù)。王毓將堿激發(fā)和礦物激發(fā)復合，發(fā)現(xiàn)復摻的效果整體上明顯好于單摻。當硅灰和 na₂sio₃復摻且摻量都為 1%（質(zhì)量分數(shù)）時，水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)更加密實且完整，與未激發(fā)的鋼渣相比，3d強度提高了 128% ，7d強度提高了 92% ，28 d 強度提高了46% 。宋學鋒等將堿激發(fā)與蒸汽養(yǎng)護結(jié)合，在蒸汽養(yǎng)護下鋼渣堿激發(fā)反應進程加速，試塊的早期強度提高較快，但后期強度略低于標準養(yǎng)護下的試塊。不同的活化處理方式，對于鋼渣粉和含鋼渣粉的復合膠凝材料的水化過程、水化產(chǎn)物以及硬化體早期和后期抗壓強度有不同程度的影響。因此，應綜合早后期性能，選用適當?shù)幕罨绞健５壳凹ぐl(fā)技術(shù)還存在著機械激發(fā)能耗大，化學激發(fā)劑資源有限、價格昂貴、種類和摻量無標準規(guī)定，復合激發(fā)技術(shù)難易程度不同等問題，未能在建筑工程中得到大量的推廣。因此尋求激發(fā)效果更加顯著、操作更加簡單、價格更加低廉的活性激發(fā)技術(shù)，是今后的重點研究方向之一。

 

2、鋼渣粉制備水泥基材料

 

2.1　 鋼渣粉制備混凝土復合膠凝材料

 

我國從 20 世紀 70年代開始了關(guān)于鋼渣粉在水泥與混凝土中應用的研究，但當時混凝土礦物摻合料與外加劑技術(shù)還未成熟，鋼渣粉作為一種低活性的礦物摻合料難以進入四組分混凝土中。因此當時的研究重點是將鋼渣作為水泥混合材使用，并相繼頒布實施了一系列國家標準《鋼渣礦渣水泥》（gb13590-1992）和行業(yè)標準《低熱鋼渣礦渣水泥》 （yb/t057-1994）、《鋼渣道路水泥》 （yb 4098-1996）、《鋼渣砌筑水泥》（yb 4099-1996）等，其中最具代表性的是《鋼渣礦渣水泥》（gb 13590-1992），現(xiàn)已改稱為《鋼渣硅酸鹽水泥》（gb 13590—2006）。不同標準對于鋼渣摻量的要求見表1。鋼渣硅酸鹽水泥是以鋼渣、粒化高爐礦渣、硅酸鹽水泥熟料按照一定比例混合，配以石膏等激發(fā)劑混合粉磨而成的。由于當時的活化技術(shù)和粉磨技術(shù)還不成熟，三者易磨性的差異導致了粉磨后各物料粗細程度不均，較粗的鋼渣、礦渣顆粒難以發(fā)揮膠凝性能。在依賴水泥等級來控制混凝土強度的年代，此類水泥難以達到建筑行業(yè)對高強度等級水泥的要求，因此并未得到廣泛應用。但近年來，隨著鋼渣處理技術(shù)的不斷提升，鋼渣粉的性能得到大幅改善。王倬對比了用于水泥和混凝土中的鋼渣粉與礦粉的技術(shù)指標，發(fā)現(xiàn)一級鋼渣粉在參數(shù)上均可滿足s75 級礦粉的要求，已經(jīng)達到作為活性混合材的要求。

 

 

近年來，礦物摻合料已經(jīng)成為配制高強、高耐久性混凝土必不可少的組成部分。鋼渣的化學組成與水泥熟料相似，磨細后的鋼渣粉具有膠凝性能，因此可作為礦物摻合料應用到混凝土生產(chǎn)中。相比于作為混合材制備特種水泥，鋼渣粉作為混凝土摻合料得到了更廣泛的應用。王倬在鋼渣?水泥復合微粉的膠砂試驗中得出：鋼渣單摻量應該不高于 15% （質(zhì)量分數(shù)）；鋼渣和礦渣復摻時，總摻比應控制在 50％ （質(zhì)量分數(shù)）內(nèi)，且鋼渣占比應小于 25％ （質(zhì)量分數(shù)）。董濤將水泥熟料和石膏粉磨至比表面積為360m²/ kg 后，與鋼渣粉均勻混合，也得出了相似的結(jié)論，當鋼渣摻入量超過30％ （質(zhì)量分數(shù)）時，試件早期強度明顯降低，初凝和終凝時間顯著增長。武偉娟通過制備水膠比為 0.4的凈漿，發(fā)現(xiàn)水化12h 后，漿體結(jié)構(gòu)密實度隨鋼渣摻量增加而降低，當鋼渣摻量達到40%時，漿體無法硬化成型。近年來大量的試驗結(jié)果都表明，過高的鋼渣粉摻量會對漿體的成型和強度發(fā)展產(chǎn)生負面作用。

 

目前，對于含鋼渣粉的多元復合膠凝材料的水化、硬化過程，結(jié)構(gòu)和性能都有較為充分的研究。《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》（gb/ t 20491—2017）、《鋼渣粉混凝土應用技術(shù)規(guī)程》（dg/t j08—2013—2007）、《鋼渣粉混凝土》（t/zaca 025—2020）等標準的發(fā)布，進一步完善了標準體系架構(gòu)。在產(chǎn)業(yè)方面，年產(chǎn) 30萬t、60 萬t等不同規(guī)模的鋼渣微粉生產(chǎn)線相繼投入市場。我國在鋼渣粉作為混凝土摻合料領(lǐng)域，已有理論、技術(shù)、標準體系等多方面的支持。利用鋼渣粉制備混凝土復合膠凝材料對于鋼渣資源化利用、代替水泥降低 co₂的排放和減少混凝土成本方面都具有重要意義，可大力推廣。隨著研究的深入進行，這項技術(shù)將逐漸成熟，鋼渣將會如同礦渣一樣被人們普遍接受與使用。

 

2.2鋼渣粉制備全固廢膠凝材料

 

為了進一步降低水泥熟料的用量，促進工業(yè)固廢資源化利用，實現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能、降低成本的目的，我國從20世紀 80 年代逐漸開始了低熟料以及無熟料鋼渣水泥的研究。時至今日，對于鋼渣基全固廢膠凝材料的水化機理研究已有顯著成果。倪文等選取了一種鈣鋁含量高、鐵含量低、堿度高的電爐還原渣，與礦渣和石膏磨細混合，配制出了可用于高性能混凝土的全固廢復合膠凝材料，其 28d 膠砂抗壓強度達到 39 mpa。通過多種微觀測試技術(shù)綜合分析得出：這種復合膠凝材料之間的協(xié)同作用一部分源于復鹽效應生成的 aft類復鹽，這種納米級的針棒狀晶體對硬化體有顯著的增韌效果；另一部分則歸功于電爐還原渣和石膏復合對礦渣活性的激發(fā)，使得礦渣可持續(xù)水化，最終形成了密實的層狀復合結(jié)構(gòu)。其中 c-s-h 凝膠緊密包裹著針棒狀的 aft 晶體，這正是抗壓強度的主要來源。杜惠惠等對水淬高鈦高爐渣?鋼渣?石膏基膠凝材料進行了研究，認為脫硫石膏中的 so₄ ^2-可作為激發(fā)劑，促進水淬高鈦高爐渣與鋼渣協(xié)同水化，產(chǎn)生了大量針棒狀 aft 晶體和非晶態(tài)的 c-s-h 凝膠，網(wǎng)狀凝膠緊密包裹著晶體，進一步提高了復合體系的穩(wěn)定性。馬旭明等也進行了相似的研究，認為在鋼渣?礦渣?脫硫石膏組成的無熟料膠凝體系中，鋼渣水化為體系提供了有利的堿性環(huán)境，脫硫石膏作為一種硫酸鹽激發(fā)劑促進了礦渣水化，而礦渣與 oh^-、so₄^2-反應又對鋼渣的持續(xù)水化和脫硫石膏的溶解有促進作用。徐東等發(fā)現(xiàn)，在鋼渣?礦渣?脫硫石膏的三元復合膠凝材料體系中加入堿渣，可以進一步促進各組分發(fā)揮最大優(yōu)勢。其中礦渣可以提供持續(xù)生成 c-s-h 凝膠所需的活性硅氧四面體［sio₄］，和生成aft 及 friedel 鹽（fs） 所需的鋁氧四面體［alo_４］；鋼渣除了發(fā)揮自身膠凝活性外，還帶有少量的鋁酸鹽，與脫硫石膏和堿渣中的氯鹽反應生成 aft 和 fs；在最終的水化產(chǎn)物中，針棒狀 aft和六方板狀的 fs 密實填充在 c?s?h凝膠孔隙之中，對強度發(fā)展起到重要貢獻。段思宇用 20％ 的粉煤灰超微粉、70％ 的鋼渣超微粉和 10％ 脫硫石膏微粉，按照水膠比 0.18 制備出的凈漿試塊，其 28d 抗壓強度可達39.6 mpa。三者之間的協(xié)同效應來源于粉煤灰促進了鋼渣的二次水化，脫硫石膏中的 so₄^２－可對粉煤灰起到活化作用。

 

近年來，在大宗工業(yè)固廢綜合利用的領(lǐng)域中，展開了較多針對單一種類固廢的探索，但缺乏對多固廢協(xié)同作用的研究。鋼渣基全固廢膠凝材料制備技術(shù)正是建立在多固廢協(xié)同作用的研究上，以鋼渣?礦渣?石膏體系為主，通過鋼渣粉和石膏不斷激發(fā)礦粉的潛在活性來實現(xiàn)膠凝性能。隨著大宗固廢資源化需求愈發(fā)迫切，多種冶煉渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏的綜合利用能力都急需提升。以這些鹽類和堿類固廢為原料，依據(jù)鋼渣基全固廢膠凝材料的制備技術(shù)，進行多種全固廢膠凝材料的研發(fā)是今后的研究發(fā)展方向之一。

 

２.３鋼渣粉制備充填膠結(jié)材料

 

鋼渣基膠凝材料早期強度不足和安定性不良的問題阻礙了其在結(jié)構(gòu)混凝土中的廣泛應用，但礦井填充對強度要求不高，并且鋼渣的低膨脹性能夠抵消充填體的微收縮，提升后期強度。與硅酸鹽水泥這種傳統(tǒng)的充填膠結(jié)劑相比，充填成本大幅度降低，因此鋼渣基膠結(jié)材料在礦山充填領(lǐng)域占有更大的市場。耿毅創(chuàng)新性地將鋼渣、礦渣作為主要原材料，研發(fā)出了用于礦山采空區(qū)的新型充填膠凝材料，并用于建成年產(chǎn)60 萬 t 的礦渣?鋼渣新型礦山充填膠凝材料生產(chǎn)線。劉滿超經(jīng)過正交試驗，得出了鋼渣粉、礦渣粉各 35.5% 、硅酸鹽水泥 10% 、礦物調(diào)控劑 19% 的最佳鋼渣?礦渣基充填膠凝材料配比，在膠砂比為 1:4 ~ 1 :8、充填料漿質(zhì)量濃度為 67% ~73% 時，充填體 28 d 強度可達 1.60 ~5.24 mpa，滿足礦山采空區(qū)充填要求。與硅酸鹽水泥充填體相比，可以降低 43.95％ 的成本，并且在力學強度和流動性方面都有更好的表現(xiàn)。董培鑫等選取全尾砂為骨料，12％ 水泥熟料作為堿激發(fā)劑、2％ 脫硫石膏作為酸激發(fā)劑和 1％ 工業(yè)芒硝作為鹽類激發(fā)劑復合激發(fā)，20％ 鋼渣微粉和65％ 礦渣微粉作為活性材制備充填體。當膠砂比為 1:6時，70％ 質(zhì)量濃度的全尾砂充填體 28d 強度可達 2.78 mpa，實現(xiàn)了鋼渣廢棄物的資源化利用。董越等提出：在復合充填膠凝材料中，鋼渣粉的取代量在 10%~20% 時，有利于充填體強度的持續(xù)增長；當取代量持續(xù)增長時，充填體的吸水量將會升高，收縮率逐漸減小。王雪等研究了鋼渣粉與鉀鹽礦尾液的固化機理，認為鋼渣可以作為鉀鹽礦充填料的膠結(jié)劑。正是鋼渣粉反應緩慢、持久的特點，使得制備出的充填料前期 8h 內(nèi)流動度可達200 ｍｍ 以上，后期 28d 抗壓強度可達到 1 mpa 以上。

 

目前，利用鋼渣粉、礦渣粉等具有膠凝活性的工業(yè)固廢取代傳統(tǒng)硅酸鹽類膠結(jié)材料，已經(jīng)成為制備新型礦山充填膠結(jié)劑的發(fā)展趨勢，并且在性能和成本上有更優(yōu)的表現(xiàn)。接下來，急需利用這種新型的充填膠結(jié)材料來創(chuàng)建示范工程，這樣不僅可以在實際工程中檢驗這種新型充填膠結(jié)材料的可行性、可靠性和長期性能，還可以為推廣該應用提供典范案例。

 

２.４鋼渣粉制備干混砂漿

 

鋼渣粉的潛在膠凝活性在適當激發(fā)下可以替代部分水泥，因此鋼渣粉在干混砂漿中的應用研究也引起了人們的普遍關(guān)注。馮春花等用鋼渣粉和鋼渣砂制備干混砂漿，硬化后的砂漿強度等級可滿足 m5、m7.5及 m10 以上要求。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)：鋼渣粉取代量小于 40%時，對砂漿安定性和強度無不良影響，鋼渣粉水化過程的微膨脹還可以明顯減小干混砂漿的干燥收縮；鋼渣砂取代量在40% ~ 60％ 時最佳，隨著取代量的進一步增加，砂漿強度呈增長趨勢，但同時砂漿需水量增大，和易性變差。這是由于鋼渣砂表面部分水化形成水化硫鋁酸鈣（c-a-s-h）凝膠和 ch，鋼渣砂與膠凝材料漿體的界面比河砂更致密。劉秀梅結(jié)合纖維素醚、減水劑成功制備出性能優(yōu)良并具有顯著經(jīng)濟性的 m5 ～ m20 系列強度等級的摻鋼渣干混砂漿。在研究中發(fā)現(xiàn)，用化學外加劑水玻璃、na₂so₄、na₂co₃激發(fā)鋼渣水化活性時，砂漿表面存在泛霜現(xiàn)象，采用礦渣激發(fā)時則不存在此現(xiàn)象且激發(fā)效果更佳。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，鋼渣?礦渣砂漿比水泥砂漿、鋼渣砂漿具有更好的耐久性能。謝遷從宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)方面對比了粉煤灰、鋼渣、礦渣、煤渣、偏高嶺土在干混砂漿中的適用性，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和煤渣的早、后期水化活性均不足，偏高嶺土具有加速凝結(jié)的作用。綜合比較而言，鋼渣與礦渣粉更適合作為砂漿礦物摻合料。

 

目前研究中，大多只對比了鋼渣粉與其他礦物摻合料對干混砂漿性能的影響，得出了鋼渣粉適用于干混砂漿中的結(jié)論。但缺乏對鋼渣粉摻量和水化微觀過程的研究，砂漿表面泛霜現(xiàn)象也未能得到很好的解釋，鋼渣砂和鋼渣粉之間是否存在相互作用也值得進一步探討。

 

３、鋼渣粉對水泥基材料性能的影響

 

目前，鋼渣粉未能像粉煤灰、礦粉等礦物摻合料一樣廣泛地應用于混凝土生產(chǎn)制備中，原因之一就在于鋼渣粉對水泥基性能的影響還不明確，不同研究結(jié)果存在分歧。

 

３.１鋼渣粉對凝結(jié)時間與和易性的影響

 

凝結(jié)時間與和易性都是評價拌合物性能的重要指標。李永鑫研究了不同水膠比下鋼渣粉單摻、鋼渣粉與礦渣粉復摻、鋼渣粉與粉煤灰復摻混凝土的凝結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)：當鋼渣粉單摻量達到 20% 時，混凝土凝結(jié)時間延長 1h 以內(nèi)；當鋼渣粉單摻量達到 40% （質(zhì)量分數(shù)） 時，凝結(jié)時間延長 1~4 h；鋼渣粉與礦渣粉復摻時，凝結(jié)時間略有延長；而鋼渣粉與粉煤灰復摻時凝結(jié)時間則大幅度延長。當水膠比在 0.37 ~ 0.50時，凝結(jié)時間隨水膠比的增大而增大。zhuang等研究了鋼渣對水泥漿體初凝的延緩機理，發(fā)現(xiàn)凝結(jié)時間延長是由以下兩種現(xiàn)象導致的：

 

（１）鋼渣減緩了石膏的消耗，減少了 aft 的形成；

 

（２）鋼渣的摻入增加了 ca²⁺的濃度，降低了溶液中 ch 的過飽和度，抑制了 c?s?h 的成核和生長，可以顯著減緩 ch和 c?s?h 的沉淀。

 

大量試驗都表明鋼渣粉對于拌合物凝結(jié)有延緩效果，但關(guān)于拌合物和易性的研究卻有不同的觀點碰撞。部分學者的研究表明鋼渣粉的摻入可改善水泥基材料的和易性。孫家瑛用 0％~60％ 的鋼渣微粉替代硅酸鹽水泥，制備出的新拌混凝土均具有良好的保水性和黏聚性，并且可以通過調(diào)整減水劑用量將拌合物坍落度控制在（200 ± 20） ｍｍ。李云峰等發(fā)現(xiàn)摻入鋼渣粉后新拌混凝土的黏聚性和保水性得到改善，同時摻入鋼渣粉和礦渣粉時，鋼渣粉比例越高，拌合物流動性越好。wang 等用不銹鋼還原渣（ssrs）和粒化高爐礦渣（ggbfs）替代水泥制備砂漿，發(fā)現(xiàn)隨著 ssrs 和 ggbfs 摻量的增加，砂漿的流動度和坍落度顯著增加。從理論上分析，低活性的鋼渣粉水化達到可塑性所需的用水量更少，因此在拌合物整體用水量不變的情況下，摻入鋼渣確實可以提高拌合物的流動性。

 

相反，也有不少學者在試驗中得出了鋼渣粉對拌合物的和易性無明顯影響，甚至有負面作用的結(jié)論。房奎圳等認為磨細的鋼渣粉顆粒表面更加粗糙，在早期起物理填充作用時會吸附更多的水分，因此拌合物流動度增加并不明顯。崔孝煒通過試驗得出，混凝土拌合物坍落度隨著鋼渣取代量的增加而逐漸下降，且當鋼渣取代量超過 40％ 時，鋼渣對高性能混凝土坍落度的不良影響顯著加劇。guo 等測得單摻ggbfs 與復摻 ggbfs?鋼渣粉的混凝土坍落度均在 185~ 190 ｍｍ，在相同水膠比下，復摻 ggbfs?鋼渣粉混凝土的坍落度低于單摻 ggbfs 的混凝土，且兩者的坍落度都隨時間延長呈現(xiàn)出降低趨勢。汪坤等測試了摻有鋼渣粉的 c40 混凝土，結(jié)果表明混凝土含氣量都較低。摻量在 10％ ~15％ 時混凝土具有良好的和易性；摻量繼續(xù)增大后，初始和 1h 的坍落度、擴展度逐漸減小，1 h 的坍落度、擴展度經(jīng)時損失顯著增大。yang等認為鋼渣對水泥與高效減水劑體系相容性有不良影響，不利于改善拌合物的流動性，但當減水劑摻量接近飽和用量時，這種負面影響可忽略不計。鄭永超等用鋼渣替代粉煤灰?礦粉?水泥復合膠凝體系中的礦粉，發(fā)現(xiàn)外加劑的飽和摻量隨著鋼渣替代量的增加而增加，對經(jīng)時損失影響增大。鋼渣資源化利用的迫切需求，新處理技術(shù)、新工藝的應用使得鋼渣粉自身的理化性質(zhì)在不斷發(fā)生變化，這可能是鋼渣粉對水泥基材料和易性的影響出現(xiàn)較大差異的來源。

 

３.２鋼渣粉對力學性能的影響

 

對鋼渣粉的水化特性分析可知，鋼渣粉的膠凝性能遠低于硅酸鹽水泥熟料，摻入鋼渣粉的混凝土早期強度要低于純硅酸鹽水泥混凝土。但隨著水化齡期的增長，鋼渣粉的低活性被體系中的堿性環(huán)境激發(fā)，使得摻入鋼渣粉的混凝土后期強度達到甚至超過純水泥混凝土。只有在鋼渣粉摻量適當?shù)那闆r下，鋼渣粉對后期強度的貢獻作用才能顯現(xiàn)。當鋼渣粉摻量超過一個臨界值時，混凝土的強度會顯著降低。但由于近年來鋼渣處理基礎(chǔ)和激發(fā)技術(shù)的不斷提升，鋼渣的物化性質(zhì)也在不斷改變，因此從大量的實驗結(jié)果中也難以得出一個普遍適用的臨界值。

 

此外還有不少學者研究了摻入鋼渣粉后，水膠比等參數(shù)對強度的影響。韓均選用了 0.50和 0.35兩個水膠比制備的混凝土，認為低水膠比下，鋼渣粉對混凝土抗壓強度影響更小的原因在于鋼渣反應所需的用水量較少，相當于間接提高了實際水膠比，從而加速水泥的后期水化。武偉娟借助灰色關(guān)聯(lián)度分析，認為影響鋼渣水泥膠砂強度大小的因素依次為養(yǎng)護齡期 ＞ 水膠比 ＞ 振實時間，當振實時間達到 160s 時，鋼渣粉摻量 30% 的砂漿的抗壓與抗折強度達到最高。孫建偉選用水玻璃溶液作為激發(fā)劑，復摻礦粉、鋼渣粉，以水膠比0.5 制備堿激發(fā)鋼渣混凝土，其抗壓強度處于 20~45 mpa，整體而言要低于 c40 普通硅酸鹽混凝土；靜彈性模量處于 20~ 30gpa，略高于 c40普通硅酸鹽混凝土，并且水玻璃模數(shù)的提高和礦渣粉摻量的增加，有利于提高靜彈性模量。

 

３.３鋼渣粉對耐久性的影響

 

相比于凝結(jié)時間、和易性和力學性能，鋼渣粉對水泥基材料耐久性的影響更值得關(guān)注。適量的鋼渣粉可以改善混凝土的抗?jié)B透能力。孫家瑛進行了抗氯離子滲透性能和抗氣體滲透性能的研究，結(jié)果表明：鋼渣粉摻量為 10% 時，混凝土的抗?jié)B透能力最佳；摻量小于20% 時對混凝土抗?jié)B透性能無不良影響。汪坤等也得出了相似的結(jié)論，在 c40低熟料混凝土中，鋼渣摻量為 10％ 時抗氯離子滲透性能達到最佳，隨著摻量繼續(xù)增加，抗氯離子滲透性能呈現(xiàn)降低趨勢。李永鑫對比了鋼渣粉、礦渣粉、粉煤灰及它們之間的二元、三元復合膠凝材料對混凝土長期抗氯離子滲透能力的影響，可以得出，在 90d 齡期時，相較于粉煤灰與礦渣粉，摻入鋼渣粉對抗?jié)B透性能的提高作用有限，但鋼渣粉與礦渣粉或粉煤灰復合后也可達到礦渣粉或粉煤灰的效果。胡瑾等通過研究發(fā)現(xiàn)，摻入鋼渣?硅灰的復合礦物摻合料可使混凝土獲得理想的抗?jié)B透性能。

 

李保亮等通過試驗表明，摻入20% 鋼渣粉，對膠砂的抗硫酸鹽侵蝕性能有不良影響。通過對鋼渣組分的分析和 sem觀察，發(fā)現(xiàn)在干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕所提供的高溫高濕環(huán)境下，鋼渣中的活性 al2o3、ch 更容易與硫酸鹽發(fā)生反應生成 aft，造成體積膨脹，砂漿開裂；但經(jīng)過早期蒸汽養(yǎng)護，al2o3進入 c?s?h 中形成了c?a?s?h，阻礙了 aft 的形成；在半浸泡硫酸鹽侵蝕條件下放置 2 年，蒸汽養(yǎng)護的膠砂試件中出現(xiàn)大量的石膏，石膏膨脹破壞加劇了裂隙的產(chǎn)生。而孫建偉制備的堿激發(fā)鋼渣混凝土，其抗硫酸鹽侵蝕性優(yōu)于同水膠比的水泥混凝土，通過sem 和 edx 分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過半浸泡侵蝕的堿激發(fā)鋼渣體系中，鋁酸鈣的含量比水泥中少得多，幾乎沒有aft 生成，對體積穩(wěn)定性影響小。

 

從理論上分析，鋼渣粉對混凝土抗碳化性能的影響存在正反兩方面：更低的水泥用量生成的水化產(chǎn)物ch 減少，導致體系的堿度降低，抵抗 co₂的能力下降；但水化后期鋼渣粉的膠凝活性和填充作用逐漸顯現(xiàn)，漿體孔結(jié)構(gòu)和密實度進一步提升，混凝土抗碳化性能因此得到提高。韓均認為在固定水膠比下，混凝土抗碳化的能力隨鋼渣粉摻量的增加而減弱，當水膠比為 0.50 時，摻入30％ 和 45％ 的鋼渣粉，混凝土的碳化深度顯著增加。汪坤等進一步降低了熟料的含量，得出了相反的結(jié)論，在水泥?礦渣?鋼渣?粉煤灰?脫硫石膏的低熟料多元膠凝體系中，適當增加鋼渣粉摻量反而能夠提高混凝土的抗碳化性能，當摻量為 15％ 時，抗碳化性能最佳，可達 ｔ?ⅳ。郭濤等對比不同摻量鋼渣粉、礦渣粉混凝土的碳化深度值，發(fā)現(xiàn)即使在激發(fā)劑的作用下，大量摻入的鋼渣粉的活性和水化速度還是低于硅酸鹽水泥，導致 ch 的生成量減少，并且硬化后孔隙增多，加劇了 co₂的滲入。在此基礎(chǔ)上加入礦渣粉，礦渣粉不僅可以在后期進行二次水化反應，還可以與鋼渣之間形成“協(xié)同效應”，使得硬化體結(jié)構(gòu)更加致密，抗碳化能力增大。韓方暉等研究得出，單摻鋼渣粉或石灰石粉對混凝土的抗碳化性能均不利，將這兩種礦物復摻時，對混凝土抗碳化性能的不良影響得到降低。除此之外，大量實驗都表明單摻鋼渣粉時，硬化體抗碳化性能較差，多種摻合料共同作用時，鋼渣粉對抗碳化性能的不良影響會減弱。

 

３.４鋼渣粉對體積穩(wěn)定性的影響

 

鋼渣引起的體積安定性不良問題是限制其廣泛開發(fā)利用的重要原因之一，這種不良因素來源于鋼渣中的ｆ?cao、ｆ?mgo 及ro 相。其中 ｆ-cao 和 ｆ-ｍgｏ 水化生成的 ch 和 mg(oh)₂造成的體積膨脹分別可達 98％ 和148％ ，而以 feo、mgo 為主并含有 mno 和 cao 等二價金屬氧化物的 ro相對安定性影響的機理較為復雜。ｈou 等研究表明，ro 相的活性隨 feo 與 mgo 的摩爾比增加而下降，并且水泥漿體的蒸壓膨脹率也隨著摩爾比的增大而降低。

 

但磨細的鋼渣粉摻入水泥基材料時，f?cao 和f?mgo 在體系水化早期就發(fā)生水化反應，雖然生成的水化產(chǎn)物具有膨脹性，但此時膠凝體系還處于塑性狀態(tài)，并不會對水泥基材料的體積穩(wěn)定性產(chǎn)生不良作用。適當摻量的鋼渣粉的微膨脹效應還可以抵消水泥基材料的部分收縮，因此鋼渣粉可適用于大體積混凝土中。王戎通過試驗得出：混凝土干縮率隨鋼渣粉摻量的增加而減小，這是由于鋼渣粉的微集料效應可使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，干縮率減小；當鋼渣粉替換摻量大于 30％ 時，鋼渣粉的低活性對混凝土勻質(zhì)性起到負作用，混凝土的干縮變化不明顯。

 

但鄭永超等卻認為混凝土收縮率隨著鋼渣粉摻量的增加而增大。造成這種不同結(jié)論的原因可能在于鄭永超等在試驗中還摻入了粉煤灰和礦粉，導致體系水化早期生成的凝膠總量少，體現(xiàn)在混凝土收縮率增大，此時鋼渣粉的摻入不能對混凝土起到有效的補償收縮作用。因此，為保證水泥基材料的體積穩(wěn)定性，應該對硅酸鹽水泥和鋼渣粉的摻量都提出限制，在合理的摻入范圍內(nèi)，鋼渣粉?礦渣粉復合膠凝材料用于水泥基材料的體積穩(wěn)定性更好。此外，鋼渣粉的安定性合格并不代表鋼渣砂和鋼渣骨料的安定性合格，在實際工程中出現(xiàn)鋼渣引起的質(zhì)量問題時，需要根據(jù)原材料來做具體分析。

 

文章來源：冶金渣與尾礦

 

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