摘 要：通過磨制不同比表面積的鋼渣與礦渣組成復合粉取代部分水泥進行了水泥體積安定性，相容性和強度實驗，本文研究了鋼渣細度和摻加量對混凝土力學性能和水泥安定性及與外加劑的相容性的影響。實驗表明 , 用鋼渣和礦渣組成的微粉等量替代部分水泥后,安定性能夠保障，28d強度會有增長,但是相容性變差。
關(guān)鍵詞：鋼渣；相容性；安定性；強度
1． 前言
鋼渣是煉鋼工業(yè)中用石灰石作為熔劑提取生鐵中的SiO2、Al2O3等雜質(zhì)而生成的廢渣。目前隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，大量的鋼渣需要排放出來，再加上以前未處理的堆積如山的鋼渣，不僅占用大量寶貴的土地，而且嚴重污染周圍的環(huán)境。因為鋼渣中含有C2S、C3S等硬性礦物以及鋁硅玻璃體，因而具有一定的膠凝性能[1]。很多企業(yè)和科研單位借助外加劑來激發(fā)具有潛在活性的鋼渣和礦渣，生產(chǎn)鋼渣礦渣水泥，變廢為寶。這對保護環(huán)境和實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。但是由于煉鋼的方式和儀器不同，生成的鋼渣的成分差別很大，性質(zhì)不穩(wěn)定，作為摻和料時混凝土的質(zhì)量波動就會大，而且鋼渣也比較難磨。本文將研究鋼渣－礦渣微粉配制成復合微粉替代部分水泥，通過研究微粉中鋼渣不同替代量時的水泥靜漿，砂漿和混凝土的各種性能來探索其對水泥性能的影響規(guī)律，為更好的利用鋼渣奠定基礎(chǔ)，為可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。
2． 實驗
實驗原料：
水泥：采用廣州珠江水泥廠生產(chǎn)的P•Ⅱ 42.5R硅酸鹽水泥，比表面積為380 m2/Kg;
鋼渣：取自韶鋼鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的鋼渣，出廠前已經(jīng)過粗破碎和除鐵，然后在粉磨到不同的比表面積以便實驗用。礦渣：同樣來自于韶鋼鋼鐵廠。
實驗方法：
將鋼渣粉磨為350m2/Kg 450m2/Kg 550m2/Kg 三個不同的比表面積，與礦渣組成復合微粉，其組成方法如表1
3．實驗分析
3．1水泥的安定性
水泥的安定性是水泥出廠的主要指標。作為鋼渣水泥由于其生產(chǎn)上的原因，必須要進行安定性檢驗。唐明述教授[2]等發(fā)現(xiàn)造成鋼渣水泥安定性不良的主要因素是其中的f-CaO，鋼渣中的f-CaO在高溫液相中存在時間較長，形成的晶粒比較大，晶格比較緊密，且固熔了許多其它的離子，使其水化活性顯著降低，水化速度變慢，在以后的繼續(xù)水化時就會發(fā)生膨脹，造成安定性不良。因此對鋼渣水泥進行安定性測試非常重要。在鋼渣水泥中改善f-CaO帶來的體積安定性不良問題主要是采用摻加礦渣來實現(xiàn)的。
本實驗采用GB／T1346-200l《水泥標準稠度用水量，凝結(jié)時間，安定性檢驗方法》用雷氏夾膨脹儀測定鋼渣水泥的安定性。其方法是將已經(jīng)制好的標準稠度靜漿裝進準備好的雷氏夾中移至濕氣養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護24h±2h，然后煮沸3h±5min后測試煮沸前后雷氏夾指針的差值，當差值不大于5mm時，即為該水泥安定性合格。
其試驗結(jié)果完全滿足標準規(guī)定中的要求（如下表），其煮沸前后膨脹值小于5mm，完全符合國家標準，因此小摻量的鋼渣水泥不會存在安定性的問題[3]。磨細鋼渣粉在水泥砂漿或混凝土中使用無安定性問題。這可能是由于鋼渣經(jīng)粉磨達到一定細度后，游離的CaO和MgO被活化，在水泥水化時就參與反應(yīng)，生成Ca(0H)2和Mg(OH)2，雖然反應(yīng)產(chǎn)物體積大于反應(yīng)物，但此時混凝土還處于塑性狀態(tài)中，因此不會造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞。
3．2鋼渣礦渣微粉與減水劑的相容性
當今混凝土市場上主要存在著聚羧酸系減水劑和萘系減水劑，因此本試驗用D350-15和D450－15兩種鋼渣水泥分別與FDN和聚羧酸系減水劑進行實驗，探討此類鋼渣礦渣水泥與外加劑的適應(yīng)性。所采用的實驗方法為Marsh筒法。
高效減水劑廣泛用來改善混凝土的性能 拌制大流動性混凝土和高強度混凝土。隨著各種高效減水劑在不同膠凝材料和各種混凝土中的使用，在很多場合下發(fā)生了高效減水劑與水泥不相適應(yīng), 主要表現(xiàn)在減水效果低下或增加流動性的效果不佳，凝結(jié)速度太快，緩凝、 坍落度損失快，甚至降低混凝土強度和耐久性。這種不適應(yīng)的問題都涉及到高效減水劑與水泥的相容性。
所謂鋼渣與水泥及外加劑之間的相容與不相容,可以這樣認為：配制混凝土(砂漿)時，按照混凝土和水泥的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，將經(jīng)檢驗符合有關(guān)標準的鋼渣微粉摻加到水泥砂漿或混凝土中，若能產(chǎn)生應(yīng)有的效果，則該水泥與鋼渣微粉是相容的。相反，若不能產(chǎn)生應(yīng)有的效果，則該水泥與鋼渣微粉是不相容的。
Marsh筒法最早由加拿大Sherbrook大學Aïtcin PC.教授提出 [4]，是一種測定水泥與混凝土外加劑混合物的流變特性的方法。經(jīng)科研人員大量試驗證明，Marsh筒法的試驗結(jié)果與漿體實際粘度變化的相符性較好，用此方法檢測新拌水泥漿的流變性能既簡便又快速，可定量判別不同外加劑作用效果的差距。該方法的靈敏度、可重復性、易操作性、經(jīng)濟性等都比凈漿流動度法好。測定時，將適量（依漿體密度而定，普通水泥凈漿用量宜選用500g左右）用凈漿攪拌機攪拌均勻的漿體倒入Marsh筒內(nèi)，測定漿體從下部料嘴流出200ml所用的時間，記為Marsh時間，以此來表征其流動性能。Marsh時間越短，漿體的流動性能就越好。
根據(jù)Aïtcin PC.教授的研究[5]，認為存在四種相容性：第一種，外加劑摻量不大就達到飽和，飽和點明顯，1小時的損失小，意味著水泥－減水劑的相容性好。第二種，對應(yīng)飽和點外加劑摻量較大，相應(yīng)靜漿的粘度較高，且隨時間迅速增長。另外兩種介乎于這兩種之間，第三種是初始相容性較好，但一小時后流動度損失明顯，第四種是開始相容性不好，但不隨時間變化。上圖是分別把鋼渣粉磨到350 m2/Kg和450 m2/Kg兩個比表面積，與礦渣共同取代水泥50％時與外加劑的相容性Marsh筒實驗，其中，鋼渣的替代量為15％。由圖1可以看出，該水泥與FDN的飽和點大約為1％左右，D350-15與聚羧酸的飽和點大約為0.3％，D450-15與聚羧酸的飽和點大約為0.5％。摻有鋼渣后水泥與外加劑的相容性變差，而且1小時的經(jīng)時損失都相對較大。圖a的開始相容性不是很好，但是1小時后的損失是最小的。圖b的就是四個中相容性最差的，不但開始相容性差，而且1小時的損失很大。圖c、圖d都是1小時的流動度損失有點大，并且這兩個的飽和點還有一定的差別，可能的原因是由于鋼渣的比表面積增大，可以更多的吸附外加劑分子，而使實際起減水作用的減水劑分子減少，因此要達到相同的流動度，就必須要有較多的外加劑。
總體看來，摻有鋼渣的水泥與聚羧酸系減水劑的相容性明顯好于與萘系減水劑的相容性。這可能與外加劑的減水原理有一定的關(guān)系，萘系的減水原理主要是靜電斥力，聚羧酸系主要是靜電斥力和空間位阻的作用[6]。另外隨著鋼渣比表面積的增大，其與外加劑的相容性是變差的，主要是由于比表面積增大會吸附更多的外加劑分子。
3．3強度
3．3．1膠砂強度
膠砂強度實驗按照GB/T 17671-1999進行，將事先攪拌好的砂漿放入4×4×16cm的試模中，然后放入養(yǎng)護樣中濕養(yǎng)24h，然后放入養(yǎng)護室中進行水養(yǎng)，直到規(guī)定齡期后拿出進行抗折，抗壓強度實驗。其結(jié)果如表3：
上表給出了，不同比表面積的，不同鋼渣摻量的水泥砂漿強度的測定結(jié)果，由表3可以得出一下結(jié)論，1）含鋼渣礦渣摻和料的水泥膠砂無論前期3d，中期7d還是后期28d抗折強度和抗壓強度均隨鋼渣摻量的增加而下降，前期3d和中期7d抗折抗壓強度下降幅度比后期28d大（圖3）。如在比表面積為350m2/Kg時，其鋼渣摻量從15%提高到45％時，其三天的抗壓強度從18.1MP降低到13.7MP，28天強度從56.8MP降低到51.6MP。當表面積為450m2/Kg，550m2/Kg時同樣有這樣的趨勢。究其原因可能有以下幾個方面：雖然鋼渣含有與水泥相似的水硬性礦物，可以作為混合材代替部分水泥使用，但它當中的C3S含量較水泥中少，且礦物發(fā)育較大，較完整，活性較低，鋼渣浸水后，部分活性在浸水過程中喪失，因此當代替水泥后，其對水泥膠砂的貢獻就相對較少。2）鋼渣摻加后，早期強度與硅酸鹽水泥相比強度較低（圖2），尤其是3d的強度，只有硅酸鹽水泥的一半左右，但是后期強度增長很快，到28d時已經(jīng)達到或者已經(jīng)超過了硅酸鹽水泥的強度。但是，其強度的增長沒有只摻加50％礦渣的強度提高的快。因此，鋼渣的加入對于水泥的早期強度影響比較大，而后期的強度增長較快。出現(xiàn)這樣的原因是因為鋼渣的水硬性較水泥來說較差，且代替了部分膠凝材料使早期的水化緩慢，但到了后期堿激發(fā)后大量生成了凝膠物質(zhì)后強度又有很快提高。鋼渣的活性物質(zhì)沒有礦渣的好，因此其后期強度增長沒有只摻加礦渣的高。3）隨著鋼渣的比表面積的提高，其強度會有一定的提高，但提高鋼渣的比表面積對含鋼渣水泥膠砂的各個齡期的強度提升并不明顯，如比表面積增大從350m2/Kg到450m2/Kg，其強度的增長并不明顯，而比表面積從450m2/Kg提高到550m2/Kg后抗壓強度有所降低。因此以提高鋼渣的比表面積來提高水泥的強度很有限,且過長粉磨時的電耗很大，不經(jīng)濟，因此此實驗可以為以后鋼渣粉磨提供依據(jù),最佳的粉磨細度為450 m2/Kg左右為宜。
3．3．2混凝土強度
在研究了鋼渣水泥與外加劑的相容性以及膠砂強度后，我們接著進行了混凝土強度實驗。所設(shè)計的混凝土標號等級為C30。水膠比為0.52，砂率為0.46，外加劑摻量為1％。
試驗方法：用三種比表面積的鋼渣與礦渣組成復合微粉，同時取一組硅酸鹽水泥作為基準樣。按不同比列取代水泥并與石子，砂，水泥共同混合攪拌均勻，再加水和外加劑攪拌3min后立即進行坍落度測定。同時將拌合物置于10×10×10cm的試模內(nèi)振動成型，成型后的試體先在20°C±1°C養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護24h，然后置于20°C±3°C水中養(yǎng)護至3d、28d齡期后進行強度測定。其坍落度按照GBJ80-85進行，力學強度測定按照GBJ81－85進行。
實驗結(jié)果表明單摻礦渣時隨著摻量的增加早期3d的強度呈現(xiàn)下降趨勢，而后期28d的強度卻是呈現(xiàn)上升趨勢。當?shù)V渣摻量從20％增加到50％時其3d強度從22.8MP降低到21.1MP，而28d強度從38.2MP提高到45.3MP。結(jié)果與理論相復合，因為隨著礦渣的增多，膠凝材料減少，其早期的水化產(chǎn)物減少，固早期強度降低，當?shù)搅撕笃冢V渣經(jīng)堿激發(fā)后會生成大量的膠凝物質(zhì)，使強度又得到了提高。其坍落度隨著礦渣的變化不是很明顯，但都比硅酸鹽水泥混凝土的坍落度大。
當鋼渣和礦渣復合摻加的混凝土，坍落度較基準混凝土有所增加，但因其摻量較小，其坍落度變化不是很明顯。摻有鋼渣和礦渣的混凝土的坍落度低于只有摻加礦渣的混凝土的坍落度，其原因應(yīng)該是鋼渣的表面并不是很平整，而是有一些孔洞，這些孔洞吸收一部分水，使坍落度降低。摻鋼礦渣的混凝土早期強度明顯小于同齡期基準樣的早期強度，后期強度增長較快，28d強度已經(jīng)明顯超過了基準樣的強度。當鋼渣比表面積增大時其強度并沒有隨著比表面積的增大而明顯增大。當鋼渣和礦渣的摻加量增大時，其早期強度隨摻量的增大所降低，但后期強度增長較快，比摻量低的有更高的強度。
4．結(jié)論：
通過以上實驗我們得到以下的結(jié)論：
（1）當鋼渣的摻量適度，鋼渣礦渣復合水泥用雷氏夾法測定的膨脹值小于5mm，即水泥體積安定性是合格的。
（2）摻有鋼渣和礦渣后與外加劑的相容性降低，且隨鋼渣比表面積的增大相容性變差。水泥與聚羧酸系外加劑的相容性好于與萘系減水劑的相容性。
?。?）含鋼渣礦渣摻和料的水泥膠砂無論前期3d，中期7d還是后期28d抗折強度和抗壓強度均隨摻量的增加而下降，鋼渣摻加后，早期強度與硅酸鹽水泥相比強度較低，尤其是3d的強度，只有硅酸鹽水泥的一半左右，但是后期強度增長明顯，到28天時已經(jīng)達到或者已經(jīng)超過了硅酸鹽水泥的強度，其強度的增長低于只摻加礦渣的混凝土強度的增長。提高鋼渣的比表面積對含鋼渣水泥膠砂的各個齡期的強度提升并不明顯。
?。?）摻入鋼渣以后，混凝土的早期強度會有所降低，但后期強度會增長明顯，且會使混凝土的和易性變好。
5．參考文獻
[1] 朱航，王林，劉彥君，等.鋼渣礦粉混凝土的物理力學性能研究[J].武漢理工大學學報，2005，（1）
[2] 唐明述等.鋼渣中MgO、FeO、MnO的結(jié)晶狀態(tài)與鋼渣的體積安定性.硅酸鹽學報，1997，7（1）：35－45
[3] 趙三銀，趙旭光，李寧.高鋼渣摻量鋼礦水泥體積安定性的研究.水泥工程.2002（2）：7－9
[4] Aïtcin PC. High performance concrete science and technology [M]. Published by E and FN Spon. 1997
[5] 謝楚龍.淺談減水劑與水泥的相容性.廣東建材，2004,(5）:12-13
[6] 張秀芝 , 楊永清 , 裴梅山.高效減水劑的應(yīng)用與發(fā)展.濟南大學學報，2004，6（2）：140－143
