游書升 楊林 李從號

鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣，其產(chǎn)生率為粗鋼產(chǎn)量的8%～15%，2020年，中鋼協(xié)統(tǒng)計的會員生產(chǎn)企業(yè)鋼渣產(chǎn)生量約為8668.70萬噸，同比增長3.38%，我國每年產(chǎn)生近億噸鋼渣，但有效利用率不到30% 。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的鋼渣不能及時處理，致使鋼渣的堆放占用大量土地，而且鋼渣中化學物質(zhì)的揮發(fā)和滲透會污染周邊的空氣和河流。合理利用鋼渣不僅能變廢為寶，同時可保護環(huán)境，因此鋼渣的資源化利用具有重大意義。

鋼渣與水泥熟料有類似的礦物組成和化學成分，鋼渣礦物組成以硅酸三鈣為主，其次是硅酸二鈣、RO相、鐵酸二鈣和游離氧化鈣，是一種具有潛在活性的膠凝材料。近些年有不少研究表明，鋼渣粉作為一種摻合料應(yīng)用于水泥制品中是可行的。傳統(tǒng)的干混砂漿使用的膠凝材料主要是水泥和煤灰，優(yōu)質(zhì)粉煤灰越來越少且價格昂貴，如果用鋼渣粉替代粉煤灰，對于降低成本和節(jié)能減排都有重要的意義。為此，進行了磨細鋼渣粉應(yīng)用于干混砂漿的研究。

一、原材料與試驗方法

1.原材料

水泥：大冶尖峰P·O42.5水泥，水泥相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標見表1；

表1 水泥相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標

粉煤灰：武漢華電粉煤灰開發(fā)公司，Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標見表2；

表2 粉煤灰相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標

鋼渣粉：鄂州融航新型建材有限公司生產(chǎn)的磨細熱悶鋼渣粉，化學成分見表3，鋼渣粉相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標見表4；

表3 鋼渣粉化學分析（%）

表4 鋼渣粉相關(guān)質(zhì)量及技術(shù)指標

砂：中砂，細度模數(shù)2.5；

標準砂：廈門ISO標準砂；

砂漿稠化劑：武漢奧特龍建筑材料有限公司生產(chǎn)的TL-4型砂漿外加劑，堆積密度468 kg/m3，固含量98%，細度（0.08mm篩通過率）為96%；

2.試驗方法

鋼渣微粉活性檢測參照GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》進行，砂漿的配合比按JGJ-2000《砌筑砂漿的配合比設(shè)計規(guī)程》設(shè)計，膠砂試件的制備、養(yǎng)護、抗壓和抗折強度的測試參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗方法》進行，砂漿拌和時的用水量按稠度進行控制，砂漿力學及工作性能的測試參照 JGJ 70—90《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行。

二、實驗及結(jié)果討論

1.鋼渣粉和粉煤灰活性對比試驗

習慣思維上一般認為鋼渣與粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣相比，其礦物晶體生產(chǎn)發(fā)育較大，晶格穩(wěn)定，因此其活性相對較低。為此本文選用熱悶法工藝處理的鋼渣，該方法處理的鋼渣具有穩(wěn)定性好，活性高等特點，將鋼渣再經(jīng)過三級粉磨制成鋼渣微粉，提高鋼渣粉的比表面積和顆粒分布均勻性，進一步激發(fā)其反應(yīng)活性。為了驗證鋼渣粉取代粉煤灰的可行性，分別進行鋼渣粉和粉煤灰的需水量試驗和膠砂強度試驗對比，實驗數(shù)據(jù)如下表5和表6所示：

表5 摻鋼渣粉和粉煤灰的膠砂流動度

表6 摻鋼渣粉和粉煤灰的膠砂強度

從表5中可以看出，在膠砂達到同樣流動度時，鋼渣粉需水量比小于粉煤灰的膠砂，說明鋼渣粉能在一定程度上提高膠砂的流動性。

從表6中數(shù)據(jù)可以看出，用鋼渣粉和粉煤灰分別取代30%的水泥，在7d齡期時，摻粉煤灰的膠砂強度略高于摻鋼渣粉的膠砂強度，28d齡期時，摻鋼渣粉的膠砂強度高于摻粉煤灰的膠砂強度，同時28d齡期時鋼渣粉的膠砂強度達到基準的79.2%，說明該鋼渣粉后期具有較高的水化反應(yīng)活性。

綜合表5和表6分析得出，鋼渣粉的需水量比小于粉煤灰，28d強度活性指數(shù)高于粉煤灰，可以用于取代粉煤灰。

2.摻鋼渣粉的砂漿試驗

實驗中固定水膠比、膠砂比、膠凝材料用量及摻合料的用量，摻合料占膠凝材料用量的1/3，調(diào)整鋼渣粉在摻合料中的比例，分別為0%、25%、50%、75%、100%，以M5的砂漿為例，設(shè)計的配比如下表所示：

由表7可知，鋼渣粉的加入對于砂漿的出機初始稠度t0h影響不大，隨著鋼渣粉在摻合料中比例的增加，2h后稠度t2h逐漸變大，2h稠度損失率減小，說明鋼渣粉的加入有利于減小砂漿的稠度損失，改善砂漿的工作性能。隨著鋼渣粉在摻合料中比例的增加，砂漿的保水率逐步提高，這主要與鋼渣粉的表面形態(tài)、顆粒分布及水化活性等有關(guān)，鋼渣微粉經(jīng)過多級粉磨后，比表面積增大，粉磨中的能量一部分轉(zhuǎn)化為新生顆粒的內(nèi)能和表面能，同時晶體的鍵能也發(fā)生變化，晶格能迅速減小，在晶格能損失的位置產(chǎn)生晶格錯位、缺陷及重結(jié)晶等，在表面形成易溶于水的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，使鋼渣與水接觸面積增大，同時鋼渣粉中細小顆粒對中斷砂漿基體中泌水通道和提高砂漿粘聚性有一定的作用，從而在一定程度上提高了砂漿的保水性能。

表7 不同粉煤灰、鋼渣粉比例干混砂漿的配合比及性能

鋼渣粉在摻合料中的比例對砂漿抗壓強度影響見圖1，對砂漿水養(yǎng)自由膨脹率及干養(yǎng)自由收縮率見圖2。

圖1 鋼渣粉在摻合料中的比例對砂漿強度的影響

圖2 鋼渣粉對砂漿變形性能的影響

由圖1可知，隨鋼渣粉摻量的增加，7d齡期砂漿的抗壓強度表現(xiàn)出逐步降低的趨勢，28d齡期砂漿抗壓強度先增大后降低，在摻量為摻合料總量75%時強度達到最大，這是由于粉煤灰早期水化活性略高于鋼渣粉，所以早期隨著鋼渣粉摻量增加抗壓強度有下降趨勢，同時由于鋼渣粉的SiO2、Al2O3含量較低，而煤灰卻很高，兩者可以起到互補作用，同時鋼渣經(jīng)過悶渣和磨細活化處理后，鋼渣中f-CaO生成Ca(OH)2，鋼渣微粉與水發(fā)生溶解時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部Ca(OH)2釋放出大量OH-、Ca2+離子，PH值不斷升高，對粉煤灰進行激發(fā)，粉煤灰中玻璃態(tài)硅氧結(jié)構(gòu)加快溶解，溶解的各形態(tài)的硅酸離子和鋁氧離子和鋼渣粉溶解的OH-、Ca2+生成CSH和CAH凝膠，填充網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，鋼渣粉和粉煤灰的水化反應(yīng)相互促進使結(jié)構(gòu)致密產(chǎn)生強度,這種相互促進作用在鋼渣粉摻量為摻合料總量75%時達到最大。當摻合料完全為鋼渣粉時，這種促進水化的作用就會減慢，因此28d抗壓強度會比和煤灰混摻的要低，但仍高于全部摻煤灰的砂漿強度。

砂漿試塊成型后標樣7d脫模，分別進行水養(yǎng)和干養(yǎng)護，測試其自由長度變化率。由圖2（a）中可知，隨著鋼渣粉在摻合料中比例增大，砂漿在水中自由膨脹率逐漸增大，這是由于鋼渣微粉中的f-CaO的在水中溶解生成Ca(OH)2，并在CaO表面堆積，同時Ca(OH)2形成結(jié)晶，固相體積增大，產(chǎn)生體積微膨脹。28d膨脹未對試塊造成破壞，試塊表面完好。由圖2（b）中可知，隨著鋼渣粉在摻合料中比例增大，砂漿的自由干縮逐漸減小，這是由于早期鋼渣粉產(chǎn)生的體積微膨脹會補償一部分收縮，隨著試塊內(nèi)部水化反應(yīng)進行，水分被消耗的同時水分向表面遷移，干燥收縮進一步增加，全部摻粉煤灰的砂漿試塊收縮進一步加大，28d干縮率為8.57×10-4，而當鋼渣粉在摻合料中比例≥50%時，在齡期為21d時體積基本穩(wěn)定。由此可見，鋼渣粉的摻入有利于減小砂漿的干燥收縮。

3.總結(jié)分析

綜合以上分析可以看出，鋼渣粉可以取代粉煤灰。鋼渣粉早期水化活性略低于粉煤灰，28d強度活性指數(shù)高于粉煤灰。鋼渣粉的加入可以降低砂漿2h稠度損失，提高砂漿的保水率。在摻合料占膠凝材料比例為1/3時，隨鋼渣粉摻量增加，7d強度逐步下降，28d強度逐步增加，鋼渣粉后期水化活性高于粉煤灰，當鋼渣粉摻量為摻合料的75%時，鋼渣粉和粉煤灰的水化反應(yīng)互相促進效果最佳，砂漿強度最高。隨著鋼渣粉在摻合料中比例的增加，砂漿的干縮率逐漸降低，濕養(yǎng)護自由膨脹率增加，摻鋼渣粉在一定程度上可以降低砂漿的干燥收縮，同時早期養(yǎng)護對砂漿收縮有一定的改善，降低砂漿因干燥收縮而開裂的風險。

三、結(jié)論

1.鋼渣粉7d強度活性指數(shù)略低于粉煤灰，28d活性高于粉煤灰，可以取代粉煤灰。

2.鋼渣粉作為摻合料應(yīng)用于干混砂漿中，可以改善砂漿2h稠度損失，提高砂漿的保水率。

3.在砂漿中摻合料總量為30%時，隨鋼渣粉在摻合料中比例的提高，砂漿7d強度逐步降低，28d強度逐步增加，鋼渣粉占摻合料的75%時，鋼渣粉與粉煤灰水化作用達到最佳，此時砂漿強度最高。

4.鋼渣粉應(yīng)用于干混砂漿中可以降低其干燥收縮，注重砂漿的養(yǎng)護可以降低收縮開裂風險。