任益嶺，楊 超，李 好，吳少鵬，謝 君

(1.呼和浩特市敬業(yè)中學，呼和浩特 010000；2.武漢理工大學材料科學與工程學院，武漢 430070；3.武漢理工大學硅酸鹽國家重點實驗室，武漢 430070)

鋼渣是煉鋼過程中殘留的助熔劑與金屬原料中的雜質(zhì)反應(yīng)形成的一種熔渣[1]。鋼渣由于自身難磨和粉化率高等問題導(dǎo)致其大面積推廣應(yīng)用較為困難[2]。近年來，人們研究發(fā)現(xiàn)鋼渣的化學和礦物組成以及水化特性與水泥熟料相似，將鋼渣磨細后作摻合料替代部分水泥，可以改善水泥混凝土的相關(guān)性能[3-5]。因此，將磨細后的鋼渣粉應(yīng)用在水泥領(lǐng)域既能促進鋼渣的有效資源化利用，又對水泥生產(chǎn)的節(jié)能環(huán)保型轉(zhuǎn)型意義重大。

國內(nèi)外學者對鋼渣粉在水泥砂漿和混凝土應(yīng)用方面開展了大量的研究工作。Zhang[6]研究了鋼渣粉對水泥砂漿標準稠度用水量、凝結(jié)時間和力學性能的影響。劉飛[7]研究了不同比例復(fù)摻的鋼渣粉和礦粉所制備的水泥砂漿的性能。Tüfekci[8]和孫家瑛[9]研究了鋼渣粉對水泥混凝土力學性能的影響。黃嵐[10]研究了鋼渣粉對混凝土抗碳化性能的影響。

以上研究表明，鋼渣經(jīng)適當處理后可以替代水泥用作膠凝材料，且其制備的水泥砂漿和混凝土性能較好。通過對不同球磨時間所得的鋼渣粉的性能進行測試，探求其最佳球磨時間，并研究不同摻量鋼渣粉的活性指數(shù)以及鋼渣粉和硅粉復(fù)配對水泥砂漿強的影響規(guī)律。

1 實 驗

1.1 原材料

該文涉及的原材料有鋼渣、水泥和硅粉三種，其中鋼渣來自廣西防城港的轉(zhuǎn)爐鋼渣，PO42.5水泥來自黃石華新水泥公司，硅粉來自廣西盛翔新環(huán)保材料有限公司。

1.2 方法

1)鋼渣粉的制備 先將鋼渣經(jīng)顎式破碎機破碎至粒徑小于20 mm，再用SYMφ500×500水泥試驗?zāi)シ謩e球磨15 min、20 min、25 min和30 min得到不同細度的4種鋼渣粉。球磨過程中統(tǒng)一設(shè)定球磨物料的重量為5 kg，球的質(zhì)量為20 kg。

2)原材料性能測試 采用Axios advanced波長色散型X射線熒光光譜儀來測試球磨后的鋼渣粉、水泥和硅粉的化學成分。采用RU-200B轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對鋼渣粉的礦物成分進行表征。借助DBT-127電動勃氏透氣比表面積測定儀和Mastersizer 2000激光粒度儀來分析不同球磨時間的鋼渣粉的比表面積和粒度分布。

3)水泥砂漿的制備與測試方法 參照GB/T17671—1999標準成型40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體標準件，各個標準件的抗折強度和抗壓強度均采用WAY-300型全自動抗壓抗折試驗機來測試。

2 鋼渣粉性能研究

1)化學組成 鋼渣粉、水泥和硅粉的化學組成見表1。由表1可知，鋼渣粉和水泥的化學組成存在一定差別，主要體現(xiàn)在Ca、Si和Fe等元素的含量上。鋼渣粉中Fe含量較高，而水泥中Ca和Si元素含量較高。硅粉的化學組成中Si含量達到90%以上，此外，硅粉中還有少量的Al和Ca元素。

表1 鋼渣和玄武巖集料的化學組成 w/%

2)礦物組成 鋼渣的XRD分析結(jié)果見圖1。圖譜結(jié)果顯示，鋼渣粉的最強衍射峰位于32.94°處，這代表硅酸二鈣的存在。鋼渣粉的主要礦物為硅酸三鈣、硅酸二鈣和一些金屬氧化物，這與水泥的主要礦物成分較為相似。

3)比表面積 比表面積在一定程度上可以直接反映鋼渣粉的化學反應(yīng)活性，且對后期水泥砂漿的強度影響較大。球磨不同時間所得的鋼渣粉的比表面積見圖2。由圖3可知，鋼渣粉的比表面積隨球磨時間的延長而增大。球磨30 min所得的鋼渣粉的比表面積高達530.2 m2/kg，遠高于水泥的比表面積。

4)粒度分布 不同球磨時間所得的鋼渣粉的粒度分布見圖3，4種鋼渣粉的平均粒徑在圖3左上角被標出。由圖3可知，4種鋼渣粉的粒度主要集中在1 μm和100 μm之間。球磨15 min、20 min、25 min和30 min所得的鋼渣粉的累計粒度百分數(shù)達到50%時所對應(yīng)的粒徑分布分別為28.25 μm、16.26 μm、9.36 μm和6.18 μm，達到90%時所對應(yīng)的粒徑分布為112.47 μm、74.31 μm、56.37 μm和32.44 μm。平均粒徑是影響鋼渣粉在水泥砂漿中的分散和填充效果的重要因素。粒徑越小的鋼渣粉在水泥砂漿中分散的就越均勻，后期的水化反應(yīng)就越充分。

3 水泥砂漿力學性能研究

1)鋼渣粉的球磨時間對水泥砂漿強度的影響

不同球磨時間所制備的鋼渣粉對水泥砂漿強度的影響結(jié)果見圖4。4種鋼渣粉的摻入量均固定為30%。由圖可知，鋼渣粉水泥砂漿的28 d抗折強度和抗壓強度均隨球磨時間的增大而增大。球磨時間越長，鋼渣粉的細度越大，其在后期水化反應(yīng)進行的越充分，所以其對應(yīng)的28 d活性指數(shù)越高。其中，球磨25 min的鋼渣粉的28 d的活性指數(shù)達到80.3%，滿足GB/T 20491—2006 中Ⅰ級品的技術(shù)要求。雖然球磨30 min的活性指數(shù)更高，但球磨時間的增長會增大鋼渣粉的生產(chǎn)成本和工藝難度?？紤]這兩個因素，認為球磨25 min所得的鋼渣粉為理想樣品，在后續(xù)的研究中均采用此球磨時間所得的鋼渣粉。

2)鋼渣粉的摻量對水泥砂漿強度的影響

圖5顯示的是5種不同摻量鋼渣粉的活性指數(shù)和其對應(yīng)的水泥砂漿的強度結(jié)果。圖中數(shù)據(jù)表明，隨著鋼渣粉摻量的增加，水泥砂漿的強度和活性指數(shù)均下降。在鋼渣粉摻量為10%時，其對應(yīng)的28 d的活性指數(shù)高于100%，說明此時鋼渣粉中的活性成分促進了水泥的水化反應(yīng)，提升了水泥砂漿的強度。在鋼渣粉摻入量達到50%時，對應(yīng)的水泥砂漿的7 d和28 d的活性指數(shù)僅為38.8%和53.5%。這是因為鋼渣的水化速度和水化活性均不及水泥，過多鋼渣粉的摻入會導(dǎo)致砂漿早期膠凝性水化產(chǎn)物減少，硬化漿體的致密性降低，從而使得砂漿的整體強度降低。

3)硅粉對鋼渣粉水泥砂漿強度的影響

為了進一步提升鋼渣粉的活性指數(shù)，研究采用鋼渣粉和少量硅粉的復(fù)合膠凝材料對水泥砂漿的影響，其結(jié)果見表2。由表可知，硅粉取代小部分鋼渣粉后其28 d活性指數(shù)比純鋼渣粉高，但其7 d的強度有所下降。這是由于細度更小的硅粉能提升水泥砂漿的致密性從而提升其強度。但隨著硅粉摻入量的增加，其對應(yīng)的活性指數(shù)變化不大。因此，在實際應(yīng)用中可以根據(jù)所需的水泥砂漿的強度來擇優(yōu)選擇鋼渣粉和硅粉的摻量。

表2 硅粉和鋼渣粉復(fù)配對水泥砂漿強度的影響

4 結(jié) 論

a.鋼渣粉主要含有Ca、Si、Fe和Mn等元素，其礦物成分主要包含硅酸三鈣、硅酸二鈣和一些金屬氧化物。

b.球磨時間越長，鋼渣粉的比表面積越大，平均粒徑越小，活性指數(shù)越高。

c.水泥砂漿強度隨鋼渣粉摻量的增大而降低，適當細度的鋼渣粉在低摻量下可以提升水泥砂漿的強度。

d.硅粉和鋼渣粉復(fù)配的膠凝材料的活性指數(shù)高于純鋼渣粉的活性指數(shù)。