鋼渣、尾礦為原料的綠色混凝土力學性能研究

劉佩安 劉守誠 何兆芳 范曉鳴 樊傳剛

【摘要】采用粗、細鐵尾礦作為集料，采用42.5普硅水泥和鋼渣微粉作為復合膠凝材料，和采用檸檬酸渣作為激發劑，制備出了系列鋼渣尾礦混凝土試樣，并對其性能進行了系統表征。當采用占復合膠凝材料10%的檸檬酸渣作為激發劑時，雖然鋼渣含量在40%至70%內，膠砂試樣的7 d 抗壓強度隨著鋼渣含量增加而減小，但其28 d 抗壓強度的變化幅度較小。采用復合膠凝材料和尾礦制備的混凝土試樣，在鋼渣用量占6.5%、尾礦用量占87%時，所制得的混凝土28d抗壓強度可以達到21.5MPa，理論上可以制得孔隙率為43%，強度等級為MU10的混凝土空心砌塊，且可以消耗大量的鋼渣、鐵礦尾礦等工業廢棄物。

【關鍵詞】鋼渣；尾礦混凝土；檸檬酸渣；力學性能

一、前言

鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣，其產量約為鋼產量的15～20%，大量鋼渣的存放不僅占用土地，還會污染周圍的環境。我國的鋼渣中，70%是化學組成及礦物組成與硅酸鹽水泥熟料相似的轉爐鋼渣，具有一定的潛在膠凝性能[1]，在適當條件下可以發揮出水化活性，在建材中可以單獨或是與水淬高爐爐渣組合，起到替代一部分水泥的作用[2]。鐵礦尾礦是鐵礦石經加工、磁選后排放的礦物廢料，主要成分為石英以及方解石、白云石等礦物，采用無尾礦庫開采工藝后，大量尾礦的處理和處置問題尤為突出。研究表明[3]，水泥在水化過程中與石英顆粒能較緊密地結合，其結合能力僅次于石灰石和白云石。因此，若能無害地將鐵礦尾礦作為骨料用于混凝土砌塊的生產，不僅可以減低砌塊生產成本，還可以有效地消化尾礦，減輕其對環境的污染。基于此，本文通過對所制備混凝土立方體試樣的抗壓強度進行測試的方式，研究了以鋼渣、尾礦為主要原料的綠色混凝土試樣的力學性能，希望通過采用尾礦作為集料，用鋼渣替代部分水泥后獲得能用于自保溫墻體的高利廢砌塊材料。

二、實驗部分

（一）實驗原料

（1）水泥。采用馬鞍山海螺水泥廠生產的海螺牌PO32.5復合硅酸鹽水泥，比表面積350 m2/kg。

（2）鋼渣。來自馬鞍山鋼鐵集團第三煉鋼廠所排出的鋼渣，并在渣場堆存了一年。

（3）檸檬酸渣。馬鞍山豐原制藥有限公司生產檸檬酸工藝中所排放出的廢渣，以CaSO4·2H2O為主。

（4）鐵礦尾礦。馬鞍山鋼鐵集團南山礦所排放的鐵礦尾礦。

（5）水泥膠砂用標準砂。采用中國ISO標準砂（GB/T17671-1999），廈門艾思歐標準砂有限公司生產。

（二）試樣配合比與性能表征

1.尾礦粒度分布的篩余分析。將樣品置于105℃±5℃的烘箱內烘干至恒重，冷卻至室溫后，稱取500g試樣，置于按篩孔大小順序排列的套篩（孔徑分別為10.00mm、5.00mm、2.50mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm）的最后一只篩子上。將套篩裝入搖篩機內，搖篩10min左右，然后取出套篩，稱取各層篩篩余試樣的質量。計算各層篩的篩余百分率以及累計篩余百分率，并按照下式計算細集料的細度模數：

式中：Mx——細度模數；

A1、…、A6——5.0mm、…、0.16mm各篩上的累計篩余百分率。

2.鋼渣—水泥復合膠凝材料

在使用10%檸檬酸渣作為激發劑的條件下，分別使用不同摻量的鋼渣等量取代水泥，以研究鋼渣摻量對鋼渣—水泥膠凝體系的影響。膠凝體系的標準稠度需水量按照GB/T 1346-2001方法進行，樣品的安定性檢測按照GB/T 1346-200方法進行，膠砂強度按照GB/T 17671-1999方法進行，具體配比見表1。

表2 所示為鋼渣—水泥膠凝材料膠砂實驗的樣品配比。按照表中列出的配合比進行膠砂實驗，然后測定其7天和28天的抗壓強度和抗折強度，以研究鋼渣摻量對鋼渣—水泥膠凝體系強度的影響以及檸檬酸渣對鋼渣的激發效果。實驗過程中，膠砂比取1：3，水灰比取0.5，其中，編號為J-A0～J-A10的樣品，鋼渣中含10%的檸檬酸渣作為激發劑，編號為J-B4～J-B6的樣品，鋼渣中含5%的檸檬酸渣作為激發劑。

3.鋼渣—水泥—尾礦混凝土

在使用10%檸檬酸渣作為激發劑的條件下，分別使用不同摻量的鋼渣等量取代水泥后研究鋼渣摻量對混凝土性能的影響。具體配比見表3，混凝土試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，使用GBJ80-85坍落筒法測試新拌混凝土的工作性能，使用GBJ81-85測試混凝土的抗壓強度。

三、實驗結果與討論

（一）原材料性能

1.細尾礦

細尾礦含泥量為6.3%，模度系數為3.57，處于常規混凝土砂石級配的Ⅰ區[4]，篩余分析如表4所示。

2.粗尾礦

粗尾礦含泥量為3.1%，篩余分析如表5所示。

（二）膠凝材料性能

1.安定性

由于鋼渣中f-CaO含量較高，摻入水泥成為復合膠凝體系后，有可能導致體系安定性不合格，筆者采用試餅法測定了表4.1中所示各配比的膠凝體系凈漿樣品的的安定性情況，試驗結果表明，除A10（全鋼渣）樣品外，其余試樣的安定性均合格。因此，在水泥中摻入不高于70%的鋼渣是安全的。此外，陳平[5]、袁玲[6]等人研究發現，鋼渣中由于f-CaO引起的微膨脹特性，可以補償硅酸鹽水泥的早期收縮，從而減少水泥體系的早期開裂問題，這對提高混凝土墻材的質量是有益的。

2.膠砂強度

表2中編號為J-A0～J-A10膠砂樣品的抗折和抗壓強度分別如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，各齡期的抗折強度和抗壓強度均呈下降趨勢，這種趨勢在早期更加明顯，這與鋼渣粉的礦物組成密切相關。與水泥相比，鋼渣中主要有早期水化較慢的C2S礦物，而早期水化較快的C3A、C3S礦物量較少，因此，隨著鋼渣粉的摻入，膠凝體系早期水化速度減緩，摻入比例越大，水化速度越慢，早期強度越低[7]。此外，大摻量鋼渣對水泥的取代會使液相中Ca2+濃度降低，導致液相中Ca2+濃度達到臨界值的時間推遲，使膠凝材料的水化誘導期延長[8]，也會對早期強度造成不利影響。隨著水化過程的繼續進行，鋼渣粉在水化產物Ca（OH）2的激發下開始水化，對膠凝體系的強度發展有利，但如果摻量較大，水泥量會相應減少，造成C-S-H凝膠量相應減少[9]，從而使得以鋼渣為主的鋼渣-水泥膠凝體系的強度要低于純水泥。

（三）鋼渣摻量對混凝土強度的影響

使用表3中各配合比所配制的混凝土樣品的抗壓強度如圖3所示。圖中，1#線表示H-A0～H-A6的抗壓強度隨鋼渣摻量的變化關系，2#線表示H-B0～H-B6的抗壓強度隨鋼渣摻量的變化關系。從圖中可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，混凝土樣品的強度呈下降趨勢。摻鋼渣的混凝土前期強度較低，后期強度有較大的增長，其中，編號為H-B4的試樣的90天抗壓強度接近全水泥的H-B0試樣的抗壓強度。

四、結論

（1）使用鋼渣（10%檸檬酸渣作為激發劑）和42.5普通硅酸鹽水泥組成的膠凝材料，當鋼渣含量在40%至70%過程變化時，雖然7 d 抗壓強度隨著鋼渣含量增加而減小，但是28 d 抗壓強度隨著增加而降低。

（2）使用上述配合比配制的膠凝材料，在鋼渣用量占6.5%，尾礦用量占87%，所制得的混凝土28d抗壓強度可以達到21.5MPa，理論上可以制得孔隙率為43%，強度等級為MU10的混凝土空心砌塊，且可以消耗大量的鋼渣、鐵礦尾礦等工業廢棄物。

參考文獻

[1] Jun S C， Shi Q J. High performance cementing materialsfrom industrial slags[J]. Resources Conservation and Recycling. 2000（29）： 195～207.

[2] 許遠輝，陸文雄，王秀娟，等.鋼渣活性激發的研究現狀與發展[J].上海大學學報（自然科學版）.2004，10（01）：91～94.

[3] 肖林.建筑材料水泥土[M].北京：水利電力出版社，1987.

[4] 孟志良，李宏斌.建筑材料[M].北京：科學出版社，2001.

[5] 陳平，凃洪波，王紅喜.利用鋼渣礦粉制備中低強度等級大體積砼的試驗研究[J].武漢理工大學學報.2006，28（5）：37～39.

[6] 袁玲，汪正蘭.鋼渣礦渣復合摻合料對水泥漿體性能的影響[J].安徽建筑工業學院學報（自然科學版）.2004，12（3）：43～46.

[7] 仲曉林，宮武倫，梁富智.磨細鋼渣作泵送混凝土摻合料的性能和研究[J].工業建筑.1993（07）：44～53.

[8] 王強，閻培渝.大摻量鋼渣復合膠凝材料早期水化性能和漿體結構[J].硅酸鹽學報.2008，36（10）：1406～1401.

[9] 陳益民，張洪滔.磨細鋼渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J].水泥.2001（05）：1～4.