復(fù)摻鋼渣微粉水泥砂漿性能研究

施志宏，訥經(jīng)緯，李 好，吳少鵬，趙宇賓，賀瑞鋒

(1.內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，呼和浩特 010050；2.武漢理工大學(xué)，武漢 430070)

鋼渣是煉鋼過程中排出的固體廢棄物，排放量一般為鋼產(chǎn)量的15%～20%。2017年我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到8.32億t，占全球總產(chǎn)量的49.18%[1]。我國鋼渣的年排放量約為1.33億t[2]，但綜合利用率較低，作為路基回填材料以及工程劣質(zhì)膠凝材料進(jìn)行利用。其中鋼渣粉作為膠凝材料應(yīng)用在水泥混凝土中存在早期活性低等問題。

錳鐵礦渣是錳鐵合金在冶煉過程中排放的高溫爐渣經(jīng)過水淬急冷后形成的礦渣，具備一定的水硬性和火山灰性，是一種潛在活性較高的材料，具有應(yīng)用開發(fā)的價值。目前在我國錳鐵礦渣尚未得到充分的開發(fā)利用，除30%用于水泥混合材和回爐冶煉外，其他70%作堆填處理，年凈排放量達(dá)1 200萬t。考慮到鋼渣粉在單獨使用時早期強(qiáng)度低，而錳鐵礦渣粉活性較高，若將二者復(fù)配鋼渣粉與錳鐵礦渣粉相互激發(fā)，則有望填充水泥顆粒的空隙，產(chǎn)生微集料效應(yīng)，從而制備出早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度持續(xù)增長、兼具補(bǔ)償收縮效應(yīng)的復(fù)合摻合料[3-5]。論文研究了不同摻量鋼渣粉和錳鐵礦渣粉復(fù)配的膠凝材料對水泥砂漿強(qiáng)度的影響。研究對指導(dǎo)鋼渣粉和錳鐵礦渣粉在水泥基材料中的有效應(yīng)用將起到積極作用[6-8]。

1 實驗原材料

實驗所用的P.O42.5水泥由海螺水泥控股有限公司提供，鋼渣粉和錳鐵礦渣粉由廣西盛翔新環(huán)保材料有限公司提供。標(biāo)準(zhǔn)砂為廈門艾思?xì)W公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，水為蒸餾水，滿足JGJ63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中的要求。P.O42.5水泥、鋼渣粉和錳鐵礦渣粉的化學(xué)組成與粒度分布分別如表1、表2所示。由表1可知，鋼渣粉和錳鐵礦渣粉的化學(xué)組成存在一定差別，主要體現(xiàn)在Ca、Si和Fe等元素的含量上。鋼渣粉含有較多的CaO、Fe2O3和SiO2，而錳鐵礦微渣粉則主要含SiO2、Al2O3、CaO和MnO。由表2可知，鋼渣粉的顆粒細(xì)度明顯小于錳鐵礦粉。

表1 P.O42.5水泥、鋼渣粉和錳鐵礦渣粉的化學(xué)組成

表2 鋼渣粉和錳鐵礦渣粉的激光粒度分析

2 實驗方法

2.1 配合比設(shè)計

實驗依據(jù)GB/T20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》中的技術(shù)要求，保持70%的水泥用量以及復(fù)合膠凝材料(鋼渣微粉和錳鐵礦渣微粉)30%的總摻量不變，改變鋼渣微粉、錳鐵礦渣微粉之間的比例，制備成鋼渣-礦渣-水泥復(fù)合膠凝材料，實驗方案見表3。

表3 膠砂配合比

2.2 試樣制備

首先，按比例稱取水泥、鋼渣粉和錳鐵礦渣粉，混合均勻；其次，稱量好所需的拌和用水；然后，參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO法)》拌制、成型、養(yǎng)護(hù)試樣。強(qiáng)度和流動度測試：測試試樣的7 d和28 d的抗折與抗壓強(qiáng)度。水泥膠砂流動性測試按照GB/T2419—2005《水泥膠砂流動度測試方法》進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 力學(xué)性能

水泥膠砂的流動度和力學(xué)性能如表4、圖1和圖2所示。

摻入不同比例的復(fù)合膠凝材料(鋼渣微粉和錳鐵礦渣微粉)的6組實驗組抗壓強(qiáng)度活性指數(shù)都是3 d<7 d<28 d。隨著錳鐵礦渣微粉摻量增大，3～6號試樣3 d、7 d、18 d抗壓強(qiáng)度活性指數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)增大趨勢，7號3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度活性指數(shù)略微下降。根據(jù)GB/T20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》的技術(shù)要求，一級鋼渣粉活性指數(shù)7 d不小于65%、28 d不小于80%；二級鋼渣粉活性指數(shù)7 d不小于55%、28 d不小于65%。2～7共6個試樣的7 d、28 d活性指數(shù)均滿足GB/T20491—2017中二級鋼渣粉的技術(shù)要求，其中6號摻入25%錳鐵礦渣微粉時，7 d活性67.4%，28 d活性80.3%，達(dá)到一級鋼渣粉的技術(shù)要求。

表4 流動性和力學(xué)性能實驗結(jié)果

3.2 流動度

摻入不同比例的復(fù)合膠凝材料(鋼渣微粉和錳鐵礦渣微粉)的6組實驗組流動度比均大于100%，說明鋼渣微粉和錳鐵礦渣微粉均可增加水泥的流動性。隨著鋼渣微粉和錳鐵礦渣微粉的摻入，流動度比呈現(xiàn)先增大后減小然后趨于平緩的趨勢，當(dāng)鋼渣微粉和錳鐵礦渣微粉的比例為85∶15時，流動度比達(dá)到最佳為106.5%；當(dāng)鋼渣微粉摻量為30%時流動度比最低為103.5%，因此錳鐵礦渣微粉對流動度的增強(qiáng)效果較鋼渣微粉的好。

4 結(jié) 論

a.鋼渣微粉的主要成分為CaO、Fe2O3和SiO2，錳鐵礦渣微 粉的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO和MnO。

b.水泥砂漿強(qiáng)度隨鋼渣粉摻量的增大而降低，在鋼渣粉中摻入錳鐵礦渣粉有助于提升水泥砂漿的強(qiáng)度。

c.鋼渣粉中摻入錳鐵礦渣粉有助于提升水泥砂漿的流動性。

d.根據(jù)GB/T20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》的技術(shù)要求，在鋼渣粉中摻入25%錳鐵礦渣粉，7 d活性指數(shù)達(dá)到67.4%，28 d活性指數(shù)80.3%，達(dá)到一級鋼渣粉的技術(shù)要求。