摻鋼渣粉的混凝土強度及其孔結構分析研究

張瑞靜 郁俊超 吳奕蓉

（南京科技職業學院， 江蘇 南京 210048）

0 引言

目前，混凝土是用量最大的人工建筑材料之一，在國民基礎建設各領域有著廣泛的用途。十多年來，混凝土產業的研究與應用獲得了顯著進展，但仍處于發展階段；諸如：盡可能多地使用綠色水泥，更多地采用工業廢渣等理論和應用問題需要更深入的研究[1]。文章以磨細鋼渣粉作為摻和料，通過將磨細鋼渣粉與硅酸鹽水泥按不同比例進行配制，得到以磨細鋼渣粉為主要研究對象的復合型摻和料。

鋼渣是煉鋼過程排出的熔渣。鋼渣主要是來自金屬爐料中各元素被氧化后生成的氧化物，被侵蝕的爐襯料和爐材料，金屬爐料帶入的雜質和為調整鋼渣性質而特意加入的造渣材料（如：石灰石、白云石、鐵礦石、硅石等）。

鋼渣呈黑色，外觀像結塊的水泥熟料，其中夾帶部分鐵粒，硬度大。鋼渣的主要化學成分有：CaO，SiO2，Fe2O3，Al2O3，MgO 等，成分組成基本穩定。鋼渣的主要礦物組成為橄欖石（SiO2·FeO），硅酸二鈣（2CaO·SiO2），硅酸三鈣（3CaO·SiO2），鐵酸二鈣（2CaO·Fe2O3）和游離氧化鈣（f-CaO）等。

鋼渣產生率約為粗鋼量的15%～20%。2008 年1 月14 日，國際鋼鐵協會(IISI)公布：“2007 年中國以4.89 億噸再次成為全球第一大粗鋼產量生產國。”在中國鋼鐵工業協會三屆四次常務理事（擴大）會議上，據中國鋼鐵工業協會節能減排課題組介紹：“2008 年我國鋼產量預計可達5 億噸，鋼渣產量約為0.7 億噸” 。

高堿度鋼渣含有大量C3S,C2S 等活性物質，有很好的水硬性，把它與一定量的高爐礦渣、煅燒水泥熟料及配合球磨，即可生產鋼渣礦渣水泥。應用鋼渣水泥可配比C30 和C40 混凝土，分別用于民用建筑的梁、板、樓梯、砌塊等方面；也可用于工業建筑的設備基礎，吊車梁等，這在國外具有悠久的歷史[2]。20 世紀80 年代以來，我國在這方面發展速度也相當快，擁有50 多個鋼渣水泥廠，鋼渣水泥生產已超過50 萬噸，本溪、安陽、邯鄲等建有10 萬噸的鋼渣水泥廠。目前有兩種方式生產鋼渣水泥：一種是以石膏作激發劑的無熟料鋼渣礦渣水泥，其配比為鋼渣 40%～45%、高爐渣40%～45%、石膏8%～12%，強度在27.5 MPa～32.5MPa，此種水泥早期強度較低；另一種是以水泥熟料為激發劑，其配比為鋼渣35%～45%、高爐礦渣35%～45%、水泥熟料10%～15%、石膏3%～5%，強度達32.5 MPa以上。

1 原材料

1.1 水泥

水泥采用中國水泥廠生產的“金寧羊”牌P·Ⅱ型42.5 級硅酸鹽水泥；根據《通用硅酸鹽水泥標準》（GB175-2007）和《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005），對水泥的主要技術性質進行了檢驗，細度、凝結時間和安定性符合規范要求[3][4]。該水泥樣品膠砂強度如表1 所示。

表1 水泥混凝土強度試驗結果

1.2 鋼渣

采用馬鞍山鋼鐵集團分選、陳伏一年的鋼渣，烘干、磨細后過0.16mm 方孔篩；用激光粒度分析儀檢測，各樣品粒徑分布見圖1。

從圖1 可以看出，硅酸鹽水泥與磨細1、2、4 小時的鋼渣粉的粒徑，一部分重合一部分相交；說明三種磨細的鋼渣粉只要通過合理的組合，即可與硅酸鹽水泥粒徑相近。為了獲得這種組合，訂制了15μm，45μm 和100μm 的方孔篩；通過配比試驗，取15μm 以下磨細4 小時的鋼渣粉，取15μm～45μm 之間磨細2 和4小時的鋼渣粉，取45μm～100μm 之間磨細1 和2 小時的鋼渣粉，質量比為5:1:4,摻和獲得的鋼渣粉的粒度分析與硅酸鹽的粒度相接近，較好的解決了磨細鋼渣粉與硅酸鹽水泥粒度的匹配問題。

圖1 各樣品粒度分析試驗檢測結果

2 摻鋼渣粉的水泥膠砂強度試驗分析

2.1 正交試驗及其結果

以磨細鋼渣粉取代水泥的質量、磨細石膏粉的含量及水膠比為主要因素，設計成（L33）正交表，如表2 所示；考察的強度指標為7 天、28 天和90 天的混凝土抗折、抗壓強度，結果如表3 所示。

表2 正交表設計

表3 摻鋼渣粉水泥混凝土強度試驗結果

2.2 正交試驗分析

選取28 天的摻鋼渣粉的水泥混凝土抗折抗壓強度為研究對象，分析磨細鋼渣粉、磨細石膏及水膠比，對摻鋼渣粉摻和料強度的影響權重，分析結果如下：

28 天抗折強度：

K1= 7.77, 8.07,7.3；

K2= 8.47,8.4,8.93；

K3= 8.37,8.13,8.37；

極差=0.7，0.33，1.63。

28 天抗壓強度：

K1= 60.3, 59.9,55.6；

K2= 62.4,61.7,65.4；

K3= 60.4,61.4,62.0；

極差=2.1，1.8，9.8。

由此可見：摻鋼渣粉的水泥摻和料，以28 天混凝土抗折抗壓強度正交試驗分析可知，其中影響因素是：水膠比>取代量>磨細石膏粉。

3 摻鋼渣粉的水泥混凝土漿體孔結構分析

分別選取：取代量10%，35%，60%；磨細熟石膏粉5.5%，1.5%，5.5%；水膠比0.5，0.65，0.65 三種情況及純硅酸鹽水泥（標準稠度用水量為29%），制作水泥漿，標準養護28 天后，用壓汞儀法分析孔徑結構組成。

約定：A-純硅酸鹽水泥；B-取代量10%，磨細石膏粉5.5%，水膠比0.5；C-取代量35%，磨細石膏粉1.5%，水膠比0.65；D-取代量60%，磨細石膏粉5.5%，水膠比0.65。

其中A，B，C，D 四個樣品的進汞量與孔徑關系圖見圖2；壓汞試驗結果見表4。

圖2 進汞量與孔徑關系

表4 各樣品壓汞試驗結果匯總表

4 小結

a 鋼渣顆粒經過水泥試驗磨的磨細，可以獲得不同粒徑范圍的鋼渣微粉；

b 合理組合后的鋼渣微粉大量取代水泥后，在激發劑和較大水膠比的情況下，摻和料的混凝土抗折強度能夠達到純水泥的抗折強度，而抗壓強度甚至比純水泥情況下更高。

c 通過壓汞試驗結果，摻鋼渣粉摻和料的凝結硬化漿體的孔隙率比純硅酸鹽水泥小，說明了鋼渣微粉能夠起到微粉填充的效應，致使漿體更密實，提高了漿體的抗壓強度[5]；但是最可幾孔徑關系來看，純硅酸鹽水泥比摻鋼渣粉摻和料都小，說明硅酸鹽水泥水化反應后的漿體孔徑組成更合理。

d 摻鋼渣粉的摻和料，諸如耐久性等性能需要進一步研究。