水泥種類及激發劑摻量對鋼礦粉活性的影響研究

史若昕，於林鋒（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 201108）

隨著建筑材料領域的不斷發展，工程對混凝土性能的要求越來越高。除了水泥以外，礦粉、粉煤灰和硅灰等礦物輔助膠凝材料也成為現代混凝土材料的重要組成部分。鋼渣作為鋼廠冶煉鋼鐵過程中產生的常見固廢之一，其礦物組成主要是硅酸鹽，已證明其具有潛在的膠凝性能。同時，由于鋼渣化學成分差異性較大、早期強度較低、安定性較差且水化活性低等，導致鋼渣的綜合利用率比較低[1]。但作為輔助性膠凝材料使用時，鋼渣除了會與水泥發生相互作用外，還可能會與其他輔助膠凝材料組分發生相互作用[2-3]。這種復合疊加的激活效應也啟發一種解決鋼渣性能不足而難以被利用的辦法[4]。鋼礦粉作為一種新型復合摻和料，其活性與礦渣活性相近[5-6]，并且量大、來源分布較廣，在現今的混凝土工程領域中有廣泛的應用前景。更為重要的是，這不僅充分利用固體廢棄物，達到節約能源消耗與減輕環境污染的目的，還對促進循環經濟發展，實現可持續發展目標具有十分重大的意義[1]。

到目前為止，關于鋼礦粉復合摻和料體系活性激發影響因素的相關研究并不多，因此，本文設定使用不同激發劑和水泥來制備鋼礦粉復合摻和料。通過測試其活性指數來研究水泥種類及 2 種激發方式（單獨激發和復合激發）下激發劑摻量對鋼礦粉復合摻和料的活性影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

鋼渣粉與 S 95 礦粉由某環境資源科技有限公司提供，其化學組成如表1 所示。其中，鋼渣粉的密度為 3.61 g/cm3，比表面積為 411 m2/kg，流動度比為 103%，28 d 活性指數為 71%；S 95 礦粉的密度為 2.88 g/cm3，比表面積為 570 m2/kg，流動度比為 102%，28 d 活性指數為 98%。

表1 鋼渣粉和 S 95 礦粉的化學組成 %

采用 4 種不同來源和等級的水泥。水泥 A 為上海金山某水泥有限公司生產的 P?II 52.5 水泥，水泥 B 為山東某水泥有限公司生產的混凝土外加劑檢驗專用基準 P?I 42.5 水泥，水泥 C 為某建筑材料科學研究總院出品的 GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》對比水泥，水泥 D 為上海金山某水泥有限公司生產的平湖 P?I 42.5 水泥。4 種水泥的主要性能參數如表2 所示。

表2 4 種水泥的性能參數

試驗中選用的激發劑包括上海某公司提供的石膏 A 和石膏 B、上海某公司生產的氧化鈣 A 與氧化鈣 B 以及上海某硅粉材料有限公司提供的硅灰。

1.2 試驗方法

參照 GB/T 18046—2017 中礦渣粉的活性指數測試方法，調節鋼渣粉與 S 95 礦粉的比例。激發劑按照單獨激發和復合激發 2 種方式以不同的摻量取代礦粉，測定試樣 7 d 和 28 d 的強度，并與選定的基準水泥進行對比，以活性指數來表征不同激發劑的摻量對鋼礦粉活性的影響效果。在以水泥種類作為影響因素探究鋼礦粉的活性變化規律時，參照某建材有限公司企業標準 Q/JHJC 00 1010—2019《用于混凝土中的高性能復合摻和料》，調節鋼渣粉與 S 95 礦粉的比例，保持激發劑種類和摻量一致。以 4 種不同水泥作為原材料制備試樣并測定 1 d 和 3 d 的蒸養活性指數。

2 結果與討論

2.1 激發劑摻量對鋼礦粉活性的影響

2.1.1 單獨激發時對鋼礦粉活性的影響

本試驗中對分別使用石膏 A（摻量 0、0.5%、1%、2% 和 3%）和氧化鈣 A（摻量 0、0.25%、0.5% 和 1.0%）單獨激發的鋼礦粉在標準養護 3 d、7 d 和 28 d 時的活性指數進行對比，結果分別如圖 1 、圖 2 所示。

圖 1 石膏 A 摻量對鋼礦粉活性的影響

圖 2 氧化鈣 A 摻量對鋼礦粉活性的影響

由圖 1 可知，在石膏 A 的摻量由 0 增加至 3.0% 的過程中，鋼礦粉復合摻和料的活性指數在 3 d、7 d 和 28 d 都顯示出先降低再逐漸升高的趨勢。其中，28 d 的變化趨勢最為明顯。石膏對鋼礦粉的激發作用主要與由石膏水解生成的游離 Ca2+與 SO42-有關。一方面 Ca2+水化生成 Ca(OH)2后再與鋼渣中的 SiO2、Fe2O3和 Al2O3等反應生成大量水化硅酸鈣等產物，另一方面，石膏中提供的 SO42-與鋼礦粉中的 3 CaO·Al2O3等反應形成鈣礬石。二者共同作用，提高內部結構的密實度，從而改善鋼礦粉復合摻和料的強度表現，達到激發活性的目的[7-8]。當試驗中石膏 A 的摻量由 0 增至 0.5% 時，其并未對鋼礦粉內部的水化反應產生促進作用，反而導致 3 個齡期的活性指數都開始降低；但隨著摻量由 1.0% 增至 3.0%，復合摻合料的活性指數在 3 d 和 7 d 開始緩慢升高，其中在 2.0% 摻量時，28 d 的活性達到最高值。因此，在選用石膏 A 作為激發劑制備鋼礦粉活性時，其摻量應當控制在 2.0%～3.0% 之間。

由圖 2 可知，氧化鈣 A 的摻量變化對 3 d、7 d 和 28 d 的鋼礦粉活性的影響趨勢基本一致，尤其是摻量在超過 0.5% 以后，鋼礦粉的活性開始出現明顯的提升。在摻量為 1.0% 時，其活性可達 110%。CaO 在鋼礦粉的激發效應中主要起提供游離 Ca2+的作用，大量的游離 Ca2+使基體中更容易形成 C-S-H 凝膠，從而增強鋼礦粉摻和料的強度，進一步激發活性[9]。因此，在選擇單獨使用氧化鈣 A 作為激發劑制備鋼礦粉復合摻和料時，在摻量 ＞ 0.5% 時，對 3 d、7 d 和 28 d 的活性都具有積極的激發作用。基體內釋放出大量的游離 Ca2+與鋼礦粉中的硅（鋁）氧四面體等反應生成水化硅酸鈣凝膠，填充復合料基體中的孔隙，使其結構變得更為致密，尤其是在摻量為 1.0% 時，激發效果最好。

2.1.2 復合激發時對鋼礦粉活性的影響

采用石膏 B（摻量為 0、4%、8% 和 12%）及氧化鈣 B（摻量為 0、2%、4% 和 6%）來復合激發鋼礦粉基體的活性，從而探究復合激發時 2 種激發劑的摻量比例對鋼礦粉活性的影響關系。兩種激發劑交叉復配的摻量比例如表3 所示，試樣在 7 d 和 28 d 的活性指數如圖 3 所示。

表3 兩種激發劑的復配比例 %

圖 3 復合激發時摻量對鋼礦粉活性的影響

由圖 3 可知，相比未加入激發劑的鋼礦粉復合摻和料，使用石膏 B 和氧化鈣 B 作為復合激發劑的摻和料活性得到了顯著的改善。其中活性最佳的是以 4% 石膏 B 和 2% 氧化鈣 B 復合激發的 C 2 組，其 7 d 和 28 d 的活性可達 77% 和 94%。由上文得知，CaO 作為一種常見的激發劑，在激發反應中為體系提供了游離 Ca2+，促進形成 C-S-H 凝膠，進而增強復合摻和料的強度，改善材料的活性表現；但同時，CaO 也是一種弱堿性的激發劑，能夠激發出來的游離 Ca2+數量有限，說明其對激發反應的貢獻程度也是有限的。石膏作為富含 SO42-的激發劑，可以激發鋼礦粉復合摻和料的活性，促進形成鈣礬石晶體，在基體內部形成更為致密的結構，減小孔隙的分布；但僅靠 SO42-參與反應的激發效果并不明顯，還需要在堿性環境下才能完全發揮其效應。因此，在制備鋼礦粉復合摻和料時，采用石膏作為激發劑時，添加適量的 CaO ，兩者相互彌補相互促進，可以將復合激發的能力充分地發揮出來[10]。但同時，如摻入的石膏過量，可能會導致多余的石膏反應不完全，從而堆積形成孔隙，降低復合摻合料的強度，影響活性表現。因此，在此次試驗中，在加入 2% 氧化鈣 B 形成的堿性環境里，摻入 4% 石膏 B 可以使內部的激發效應達到了一個最佳狀態，由此得到最好的活性表現。

2.2 水泥種類對鋼礦粉活性的影響

將 4 種不同來源、不同強度等級的水泥作為基準組，保持鋼渣、礦粉比例不變，以石膏 B、氧化鈣 B 及硅灰復合激發來制備鋼礦粉復合摻和料，通過對試樣進行 1 d 與 3 d 的蒸養活性指數測試，得出的結果如圖 4 所示。

圖 4 水泥種類對鋼礦粉蒸養活性的影響

圖 4 中可以很明顯地看出，4 種不同的水泥對鋼礦粉 1 d、3 d 的蒸養活性指數的影響曲線大致相同。相對于其他 3 種水泥，水泥 D（平湖 P?I 42.5 水泥）制備的鋼礦粉復合摻和料的活性指數在 1 d 和 3 d 時都達到最大值，其強度活性分別為 118% 和 134%。

由表2 可知，水泥 D 在 4 種水泥中的性能參數表現并非最佳，但在相同比例的鋼礦粉與激發劑復合激發后，其活性指數卻遠遠大于其他組。這是因為水泥 D 在作為活性測試的基準組時，其本身的強度并不高。一方面在復合激發開始發揮效應后，相對于較低的基準強度，基體中膠凝產物總量的增加，使得強度增加的幅度更為明顯；另一方面，復合摻和料的活性表現，可以看作是水泥和激發后的鋼礦粉的活性“疊加”作用。當水泥強度表現較低時，可能會使摻和料基體中產生一個活性的“剩余空間”，從而更能夠促進不同激發劑復合激發的效果，導致活性的大幅度提升。

3 結 語

（1）當使用石膏 A 單獨激發鋼礦粉時，隨著石膏 A 的摻量由 0 增加至 3% 的過程中，鋼礦粉復合摻和料的活性指數都顯示出先降低再逐漸升高的趨勢。其摻量控制為 2.0%～3.0% 時激發效果最好。

（2）當氧化鈣 A 的摻量在超過 0.5% 以后，鋼礦粉的活性開始出現明顯的提升。在摻量為 1.0% 時，其活性可達 110%，激發效果最佳。

（3）相比未加入激發劑的鋼礦粉復合摻和料，使用 4% 石膏 B 和 2% 氧化鈣 B 復合激發制備的鋼礦粉，其活性得到了顯著的改善，28 d 的活性可達94%。

（4）4 種水泥制備的鋼礦粉復合摻和料中，水泥 D 雖然本身性能參數表現并非最佳，但在使用相同激發劑復合激發后，其活性指數卻遠遠大于其他組。一方面是因為較低的基準強度，膠凝產物總量的增加使基體強度增加的幅度更為明顯；另一方面當水泥強度表現較低時，可能會使基體中產生一個活性的“剩余空間”，更能夠促進不同激發劑復合激發的效果，導致活性大幅度提升。