電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料水泥膠砂性能研究

汪杰，梁月華

（攀枝花學院,釩鈦資源綜合利用四川省重點實驗室,四川 攀枝花 617000）

0 引言

攀枝花是我國典型的工業城市，在工業生產的過程中產生了大量的工業固體廢棄物，如高鈦型高爐渣、電爐鋼渣、脫硫石膏等，地方政府對大宗工業固廢的資源化利用給予了重大關切。四川省委明確強化綠色低碳發展科技支撐，落實國家碳達峰、碳中和任務，攀枝花市積極探索城市轉型發展，做好“釩鈦”、“陽光”兩篇文章。

攀枝花高鈦型高爐渣主要破碎成粗、細集料、球磨成微粉制備水泥基混凝土、砌塊等[1-5]。國內其他鋼廠產生的鋼渣一般用于制備水泥[6]或作為混凝土摻合料使用[7-11]，但鋼渣在水泥混凝土中的應用要密切關注MgO 和游離CaO 的含量，其后期反應容易引起混凝土膨脹開裂。經成分鑒定和前期研究[12-14]，攀枝花鋼城集團瑞鋼公司產生的電爐鋼渣經研磨后作為混凝土摻合料使用技術上可行。目前對攀枝花鋼城集團瑞鋼公司產生的電爐鋼渣作為摻合料在混凝土中應用的研究主要為宏觀力學分析，其安定性、活性能滿足要求[12]，摻加電爐鋼渣微粉的高鈦型高爐渣混凝土強度沒有顯著降低，且后期強度發展較為明顯，但其混凝土拌合物的和易性降低，施工性能降低，易泌水[13]。筆者測定了不同比例電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料水泥膠砂的流動度、抗壓、抗折強度及活性，并進行了熱分析和SEM 物相分析，試圖得到電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉的摻加比例。

1 材料及方案設計

1.1 試驗材料

試驗用攀枝花鋼城集團瑞鋼公司產生的電爐鋼渣微粉為初始電爐鋼渣經人工挑選、磁選、篩分等工藝處理后形成的電爐鋼渣砂（粒度小于10 mm），經球磨后制成的微粉。經激光粒度分析，電爐鋼渣微粉樣品中90%（體積分數）處于28.39 μm 以下，50%處于8.27 μm 以下，10%處于1.28 μm 以下。經檢測，其主要成分及含量如表1 所示，MgO、SO3、含量均滿足《GB/T 20491-2017 用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》規范要求；比重為3.687，滿足要求；壓蒸釜法和試餅法測安定性滿足要求[13]。

表1 電爐鋼渣成分Table 1 The composition of electric furnace steel slag %

試驗用粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰；水泥為基準水泥；砂為ISO 標準砂；水為市政飲用水。

1.2 方案設計

運用攀枝花鋼城集團瑞鋼公司產生電爐鋼渣微粉和Ⅰ級粉煤灰，分別制備無摻合料、單摻粉煤灰、單摻電爐鋼渣微粉、電爐鋼渣微粉/粉煤灰不同配比的水泥膠砂樣品，測定其流動度比；制備水泥膠砂試件、標準養護，分別測定其7、28 d 抗折強度、抗壓強度、活性指數，并分別對其進行熱分析和SEM 物相分析。試驗方案設計及配比如表2 所示。

表2 試驗方案及配比Table 2 Test scheme and mix ratio

參照《水泥膠砂流動度測定方法（GB/T 2419-2005）》進行流動度檢測；參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）(GB/T 17671-1999)》和《礦物摻合料應用技術規范（GBT 51003-2014）》進行不同比例電爐鋼渣-粉煤灰摻合料水泥膠砂抗折、抗壓強度和活性試驗研究。

2 試驗結果及分析

2.1 流動度

不同摻合料水泥膠砂彈跳25 下后流動度如圖1所示，流動度試驗數據如表3 所示。

圖1 流動度狀況Fig.1 Fluidity condition

表3 流動度試驗數據Table 3 Fluidity test data

無摻合料時平均流動度為20.75 cm；單摻粉煤灰時平均流動度25.85 cm，相對無摻合料流動度比為124.58%；電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉∶粉煤灰為1∶3時，平均流動度24.4 cm，相對無摻合料流動度比為117.59%；電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉∶粉煤灰為1∶1時，平均流動度23.75 cm，相對無摻合料流動度比為114.46%；電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉∶粉煤灰為3∶1時，平均流動度19.80 cm，相對無摻合料流動度比為95.42%；單摻電爐鋼渣微粉時，平均流動度19.20 cm，相對無摻合料流動度比為92.53%。在水泥膠砂中摻入粉煤灰能改善流動度，單摻粉煤灰流動度最好；單摻電爐鋼渣微粉流動度最差，對改善流動度起到反作用；在電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中，隨著電爐鋼渣微粉含量的提高，流動度逐漸降低，為保證流動度，復合摻合料中電爐鋼渣微粉含量建議不超過50%。

2.2 抗折、抗壓強度及活性指數

不同比例電爐鋼渣-粉煤灰摻合料水泥膠砂試件7、28 d 抗折、抗壓強度及活性指數如表4 所示。

表4 抗折、抗壓強度及活性指數Table 4 Flexural strength,compressive strength and activity index

加入摻合料后標準養護7、28 d 的水泥膠砂抗折、抗壓強度都有不同幅度降低；單摻粉煤灰時7 d抗折、抗壓強度為對比組的59.10%、40.64%，28 d抗折、抗壓強度為對比組的66.99%、51.96%；摻入電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料時，水泥膠砂7 d 抗折、抗壓強度與單摻粉煤灰無明顯差異，隨著電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉含量的增加，水泥膠砂28 d 抗折、抗壓強度與單摻粉煤灰相比逐漸提高；試驗所用粉煤灰活性較差，電爐鋼渣微粉活性較好，鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉含量的增加有利于改善水泥膠砂力學性能。

單摻粉煤灰7、28 d 活性指數分別為40.60%、51.96%；單摻電爐鋼渣微粉7 d 活性指數為71.69%，28 d 活性指數為94.60%；電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉和粉煤灰比例不同，其7 d 活性變化不大，28 d 活性變化規律明顯，隨著電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉比例的增加，28 d 活性逐漸提高。

3 微觀分析

3.1 水泥膠砂熱分析

對不同摻合料水泥膠砂28 d 試樣水化產物進行熱分析，熱分析圖譜如圖2 所示。結果表明，不同摻合料水泥膠砂水化產物熱重曲線（TG）和差示掃描量熱曲線（DSC）規律一致，DSC 曲線均有三個吸熱峰[15-17]，隨著電爐鋼渣微粉摻量的增加，水化產物中第三個吸熱峰越明顯。

圖2 A0 及A～E 組熱譜（28 d）Fig.2 Thermal spectra of samples of A0 and A-E group (28 d)

在加熱到60～100 ℃時，C-S-H 膠凝初始脫水，質量百分數急劇下降，對應著吸熱出現峰值；隨著溫度的升高，水化產物內的C-S-H 繼續脫水，質量百分數持續緩慢下降；當加熱到450 ℃左右時，試樣內部的結晶水、結合水破壞，即Ca(OH)2脫水，質量百分數突降，對應著瞬間吸熱增加，DSC 曲線出現第二次吸熱峰；持續加熱，當溫度上升到680 ℃左右時，水化產物中CaCO3分解，質量百分數再次降低，DSC 曲線出現第三次吸熱峰。

持續加熱至1 200 ℃，未摻加摻合料的對比組（A0 組）、單摻粉煤灰組（A 組）、摻電爐鋼渣微粉∶粉煤灰為1∶3 的復合摻合料組（B 組）、摻電爐鋼渣微粉∶粉煤灰為1∶1 的復合摻合料組（C 組）、單摻電爐鋼渣微粉組（E 組）質量損失約18%～19%，摻電爐鋼渣微粉∶粉煤灰為3∶1 的復合摻合料組（D 組）質量損失約30%。

隨著摻合料中電爐鋼渣微粉的增加，摻合料中CaO 含量增加，早期水化反應產生的Ca(OH)2和后期反應產生的CaCO3均逐漸增加，相應水化產物中Ca(OH)2脫水和CaCO3分解吸熱越明顯；宏觀表現為隨著摻合料中電爐鋼渣微粉含量的增加，水泥膠砂試件28 d 抗壓、抗折強度逐漸提高，摻合料活性隨著電爐鋼渣微粉含量的增加而提高。

3.2 SEM 分析

對不同摻合料水泥膠砂28 d 水化產物試樣進行SEM 微觀形貌分析，結果如圖3 所示。A0 組水泥膠砂內部結構存在一定孔隙及縫隙，水化產物主要為纖維狀或菊花狀C-S-H 凝膠，片狀Ca(OH)2，部分針狀鈣礬石；加入摻合料后內部孔隙結構和縫隙得到有效填充和改善；A～E 組隨著摻合料中電爐鋼渣微粉的增加，C-S-H 凝膠、Ca(OH)2和CaCO3數量增加，試樣內部結構愈加致密，與A～E 組摻合料中隨著電爐鋼渣微粉含量的提高，28 d 抗壓、抗折強度、活性逐漸提高相吻合。

圖3 A0 及A～E 組（28 d）SEM 微觀形貌Fig.3 SEM morphology of samples of A0 and A-E group (28 d)

4 結論

1)單摻粉煤灰對水泥膠砂的流動度改善最好；單摻電爐鋼渣微粉流動度最差，對流動度改善起到反作用；電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中，隨著電爐鋼渣微粉含量的增加，流動度越差；為保障流動度不降低，建議電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉含量不超過50%。

2)摻電爐鋼渣、粉煤灰或兩者的復合摻合料替代部分水泥，由于水泥用量降低，均會降低水泥膠砂抗折、抗壓強度；該電爐鋼渣微粉活性強于試驗用粉煤灰，電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉與粉煤灰比例變化，7 d 抗折、抗壓強度和活性沒有顯著變化；28 d 抗折、抗壓強度和活性隨著電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉占比的增加而增加，規律明顯；電爐鋼渣微粉對水泥膠砂后期強度發揮有較好作用。

3)不同摻合料水泥膠砂28 d 水化產物TG、DSC 熱分析和SEM 微觀形貌規律明顯。摻合料的添加有效改善了水泥膠砂內部結構；隨著電爐鋼渣-粉煤灰復合摻合料中電爐鋼渣微粉含量的增加，水泥膠砂中C-S-H 凝膠、Ca(OH)2和CaCO3量增加，內部結構越致密，宏觀表現為水泥膠砂抗折、抗壓強度增加和活性提高。

4）運用攀枝花鋼城集團瑞鋼公司產生的電爐鋼渣復合粉煤灰制備復合摻合料在混凝土中應用，隨著電爐鋼渣摻加比例的提高，活性會得到改善，但是流動度比會降低，為保障拌合物的和易性，需嚴格控制復合摻和料中電爐鋼渣的摻量，建議不超過50%。摻電爐鋼渣的復合摻和料對于改善內部結構有較好的效果，且由于成分問題，其后期強度發揮良好。可在混凝土中推廣應用，特別是早期強度要求不高的環境下，經濟效益會更加顯著。