熱燜鋼渣的火山灰活性及其對水泥強度的影響

莊贊鵬，田爾布

（1.三明市公路事業(yè)發(fā)展中心，福建 三明 365004；2.福建省工程材料與結(jié)構(gòu)加固重點實驗室 三明學院，福建 三明 365004；3.三明學院 建筑工程學院，福建 三明 365004 ）

我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，2020 年全國粗鋼產(chǎn)量高達10.64 億t，每產(chǎn)出1 t 鋼，伴隨著150 kg 的鋼渣副產(chǎn)出[1-2]。然而目前我國鋼渣的利用率較低，未利用的鋼渣不僅會占用大量土地資源，而且會對大氣、土壤、水資源照成污染。

鋼渣的礦物成分主要有C3S、C2S、玻璃相(Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO和堿等組成的不定形相)、RO 相(CaO、MgO、MnO 和FeO 組成的固溶體)等[3-5]。其礦物組成與水泥孰料相似，但是由于其含有f-CaO、f-MgO，會帶來體積安定性不良，且水化活性較低[6-7]，因此限制了鋼渣在水泥中的運用。研究表明，物理激發(fā)、化學激發(fā)、熱激發(fā)均能提高鋼渣活性[8-12]。目前常用的鋼渣二次處理方法有水淬法、風淬法、熱潑法、熱燜法等。熱燜法不同于傳統(tǒng)的處理方法，與磁選、研磨工藝相結(jié)合的熱燜法，可以較好的消除鋼渣的膨脹性，實現(xiàn)渣與鋼的分離[13]。熱燜法中研磨工藝相當于對鋼渣進行了物理激發(fā)，因此有必要研究熱燜鋼渣的火山灰活性。

以石粉為對照組，對石粉、鋼渣摻量為30%的水泥膠砂試樣進行強度試驗、SEM 試驗、XRD 試驗，研究熱燜鋼渣的火山灰活性。對不同鋼渣摻量的膠砂試塊進行強度試驗，研究鋼渣添加量對水泥強度的影響，為熱燜鋼渣在水泥中的運用提供支持。

1 材料與試驗方法

1.1 材料

1）試驗采用的水泥是P·I42.5 純硅酸鹽水泥，其主要技術指標如下表1 所示。

表1 水泥的主要技術指標Tab.1 The main technical indicators of cement

2）熱燜鋼渣的化學成分如下表2 所示。

表2 熱燜鋼渣化學成分Tab.2 Chemical composition of hot braised steel slag

3）石粉的化學成分如下表3 所示。

表3 石粉化學成分Tab.3 Chemical composition of stone powder

4）膠砂試驗所采用的砂是ISO 標準砂，其顆粒級配如下表4 所示。

表4 標準砂的顆粒Tab.4 Standard sand particles

5）試驗所用的減水劑為聚羧酸系型高效減水劑，其基本技術參數(shù)如下表5 所示。

表5 聚羧酸系型高效減水劑技術參數(shù)Tab.5 Technical parameters of polycarboxylic acid type superplasticizer

6）試驗所用的水為生活自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 用于測量膠砂強度、XRD 試驗、SEM 試驗的試樣配比如下表6 所示。

表6 試樣水泥膠砂配比Tab.6 Proportion of sample cement mortar

1.2.2 膠砂的強度試驗

膠砂強度參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》進行測試。

1.2.3 SEM 試驗

電鏡掃描采用JSM-IT500 系列掃描電子顯微鏡進行，如圖1。

圖1 JSM-IT500 掃描電子顯微鏡Fig.1 JSM-IT500 Scanning Electron Microscope

1.2.4 XRD 試驗

XRD 試驗采用X 射線衍射儀X’Pert Pro，如圖2。

圖2 X 射線衍射儀Fig.2 X-ray diffractometer

2 熱燜鋼渣的火山灰活性分析

制備純水泥膠砂試樣C，單摻30%石粉水泥膠砂試樣A，單摻30%鋼渣水泥膠砂試樣B6，以試樣C 和試樣A 為對照組，研究熱燜鋼渣的火山灰活性。試樣C、A、B6不同齡期時的抗壓強度及活性指數(shù)如下表7 所示。表8 是《礦物摻合料應用技術規(guī)范》GB/T51003—2014 中不同級別鋼渣粉的活性指數(shù)要求。

表7 單摻石粉、鋼渣膠砂試塊抗壓強度及及活性指數(shù)Tab.7 Compressive strength and activity index of single-mixed stone powder and steel slag mortar test block

表8 鋼渣粉的活性指數(shù)要求Tab.8 Activity index requirements of steel slag powder

從表中可以看出3、7、28、180 d 齡期時，純水泥膠砂試樣C 的抗壓強度最大，單摻石粉水泥膠砂試樣抗壓強度最小，單摻鋼渣試樣抗壓強度在兩者之間。已有研究表明石粉作為摻合料時，對混凝土主要發(fā)揮的是微集料填充效應[14]。單摻石粉水泥膠砂試樣A 和單摻鋼渣水泥膠砂試樣B6兩者的摻量均為30%，因此兩者對試樣的微集料填充效應相同，從表中可以看出單摻鋼渣水泥膠砂試樣活性指數(shù)大于單摻石粉水泥膠砂試樣活性指數(shù)，說明鋼渣在混凝土中不但有發(fā)生微集料填充效應，還有發(fā)生火山灰效應。從表中還可以看出單摻30%鋼渣水泥膠砂試樣28 d 的活性指數(shù)為71%，大于65%，由此可知熱燜鋼渣具有火山灰活性。參照表8，鋼渣粉摻量為30%時，其7 d 活性指數(shù)為61%，28 d 活性指數(shù)為71%，可以達到二級鋼渣粉的指標。

3 摻熱燜鋼渣膠砂水泥石微觀分析

3.1 SEM 掃描電鏡

對試樣C、A、B6進行掃描電鏡試驗，進一步探討熱燜鋼渣水泥膠砂試樣的微觀結(jié)構(gòu)。從圖3（a）中可以看出純水泥膠砂試樣28 d 齡期時的主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣和氫氧化鈣。圖3（b）中可以看出單摻30%石粉水泥膠砂試樣28 d 齡期時主要水化產(chǎn)物為纖維狀水化硅酸鈣，此時纖維狀水化硅酸鈣正開始填充空隙。圖3（c）中可以看出單摻30%鋼渣水泥膠砂試樣28 d 時齡期主要水化產(chǎn)物也為纖維狀水化硅酸鈣，纖維狀水化硅酸鈣正在填充空隙。對比三個試樣28 d 齡期時的試樣可以發(fā)現(xiàn)試樣C 的孔隙最少，試樣A 的孔隙最多，試樣B6的孔隙在兩個試樣之間，此結(jié)果與抗壓強度試驗結(jié)果相符。

圖3 各個試樣28 d 時的SEM 照片F(xiàn)ig.3 SEM photos of each sample at 28 d

圖4（a）、（b）、（c）為各個試樣180 d 齡期時水化產(chǎn)物的SEM 圖，與圖3 中各個試樣28 d 時水化產(chǎn)物SEM 圖對比可以看出，隨著齡期的增長，各個試樣的密實度逐步提高，說明各個模型的水化反應持續(xù)進行，生成的水化產(chǎn)物也越來越多。從三個試樣中可以看出B6試樣180 d 齡期時的孔隙少于A 試樣，說明熱燜鋼渣有發(fā)生火山灰反應，反應產(chǎn)物填充孔隙，使得B6試樣的孔隙少于A 試樣。

圖4 各個試樣180 d 時的SEM 照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of each sample at 180 d

3.2 XRD

從圖5 可以看出純水泥膠砂試樣C 主要水化產(chǎn)物有氫氧化鈣、水化硅酸鈣、硅酸鈣及以團聚體形式存在的石英。隨著齡期的延長CSH 衍射峰逐漸增強，表明純水泥膠砂試樣水化程度隨著齡期的延長逐漸增長。從圖6 可以看出單摻30%石粉的水泥膠砂試樣A 與純水泥膠砂試樣C 的水化產(chǎn)物在定性上沒有變化，只是在相的比例上發(fā)生變化。石粉不會導致水化產(chǎn)物的相組成發(fā)生變化，這表明石粉是一種惰性材料。

圖5 試樣C 的XRD 圖譜Fig.5 XRD pattern of sample C

圖6 試驗A 的XRD 圖譜Fig.6 XRD pattern of sample A

從圖7 中可以看出單摻30%鋼渣水泥膠砂試樣B7的主要水化產(chǎn)物除氫氧化鈣、水化硅酸鈣、硅酸鈣及石英外還有鋼渣的殘余礦物和RO 相。從圖7 中可以看出，對比齡期為28 d 的圖譜，齡期為180 d 時氧化硅衍射峰減弱，這可能是因為，有晶格缺陷的無定型二氧化硅，也就是活性二氧化硅，進入溶液后，會與溶液中的氫氧化鈣產(chǎn)生反應。鋼渣水泥復合基體在遇水后，水泥水化提供堿性環(huán)境，能激發(fā)鋼渣的活性，加快鋼渣水化產(chǎn)物的生成速率，漿體中氫氧化鈣濃度達到一定時，會與活性二氧化硅發(fā)生反應，產(chǎn)生水化硅酸鈣。

圖7 試驗B7 的XRD 圖譜Fig.7 XRD pattern of sample B7

4 熱燜鋼渣添加量對水泥強度的影響

從圖8 中可以看出隨著熱燜鋼渣添加量的增加，試樣的單軸抗壓強度呈下降趨勢，但不同齡期的試樣強度下降幅度不同。當鋼渣添加量為10%時，3、7、28、180 d 齡期試樣的抗壓強度分別為是純水泥試樣抗壓強度的98%、96%、93%、89%。當鋼渣添加量為20%時，3、7、28、180 d 齡期試樣的抗壓強度分別為是純水泥試樣抗壓強度的84%、80%、91%、87%。當鋼渣添加量為30%時，3、7、28、180 d 齡期試樣的抗壓強度分別為是純水泥試樣抗壓強度的69%、61%、71%、82%。從中可以看出鋼渣摻量在20%以內(nèi)時，其膠砂強度下降緩慢。為保證水泥有較高的強度，建議鋼渣的添加量在20%以內(nèi)。

圖8 鋼渣摻量對水泥膠砂強度的影響Fig.8 The influence of steel slag content on the strength of cement mortar

5 結(jié)論

（1）熱燜鋼渣具有火山灰活性，但是活性較小。

（2）經(jīng)XRD 測定，單摻30%石粉水泥膠砂試樣的礦物相組成主要有氫氧化鈣，水化硅酸鈣和硅酸鈣，與純水化產(chǎn)物的相組成在定性上沒有變化，只在相的比例上發(fā)生變化。

（3）經(jīng)XRD 測定，單摻30%鋼渣水泥膠砂試樣的礦物相組成主要有水化硅酸鈣和氫氧化鈣，鋼渣的殘余礦物和RO 相，以及一些未反應的硅酸鹽。

（4）鋼渣單摻的情況下，其膠砂強度隨著鋼渣摻量的增加逐漸降低；隨著齡期的延長，膠砂強度隨之增強。在摻量20%為以內(nèi)時，其膠砂強度下降緩慢。