鋼渣礦粉混凝土的物理力學(xué)性能研究

摘　要： 　研究了鋼渣礦粉細度、摻量對混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響，探討了鋼渣礦粉對混凝土性能的作用機理；提出了利用鋼渣礦粉作摻合料制備高強、高性能混凝土的關(guān)鍵技術(shù)與方法。

關(guān)鍵詞： 鋼渣礦粉；水泥混凝土摻合料；混凝土性能

      鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，其排放量約為鋼產(chǎn)量的10 %左右，長期以來鋼渣沒有得到有效、徹底的利用， 造成鋼渣堆積成山，占用土地資源，污染空氣和水質(zhì)的嚴(yán)重局面。鋼渣中含有一定數(shù)量的水泥熟料的主要礦物C2S、C3S 等，具備可用作水泥混合材和混凝土摻合料的條件。但由于鋼渣含有較大量的CaO、MgO 成分， 控制不當(dāng)易造成安定性不良的后果。而且鋼渣的易磨性較差，導(dǎo)致鋼渣的活性得不到充分的發(fā)揮，限制了鋼渣在水泥和混凝土中的應(yīng)用。將鋼渣進行悶渣和超細粉磨活化處理，可以較好地解決CaO、MgO 的有害膨脹問題，同時激發(fā)其反應(yīng)活性。將經(jīng)過處理的鋼渣用于配制混凝土，可以使鋼渣得到充分和高附加值的利用，同時提高混凝土的性能[1 ，2 ] 。隨著水泥混凝土研究與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展與深入，礦物摻合料是現(xiàn)代混凝土必不可少的重要組成之一，開發(fā)新型高效的礦物摻合料以滿足現(xiàn)代混凝土的發(fā)展與需求已成為水泥混凝土研究的一個重要內(nèi)容。為了更有效地利用鋼渣，研究中將鋼渣單獨粉磨后作為礦物摻合料摻入水泥混凝土中，研究鋼渣礦粉細度和摻量對混凝土的工作性能和強度的影響。磨細鋼渣粉作為一種新的水泥混凝土摻合料，分布廣、數(shù)量多，有較高的應(yīng)用與研究價值[2 ，3 ] 。

1 　試驗原料

      鋼渣：武鋼綠色冶金渣公司生產(chǎn)，勃氏比表面積為450 m2/ kg、510 m2/ kg、600 m2/ kg 的3 種鋼渣礦粉， 分別以A、B、C 表示；水泥：華新水泥廠生產(chǎn)，PO 42. 5 ；粗集料：石灰石，針片狀含量小于7. 6 % ；河砂：巴河中粗砂，含泥量小于1 % ，細度模數(shù)為2. 7～2. 9 ；減水劑：武漢武鋼浩源外加劑公司生產(chǎn)，F(xiàn)DN29001 。

2 　實驗方案及結(jié)果分析

2. 1 　鋼渣礦粉摻量對混凝土性能的影響

      試驗采用鋼渣礦粉A ，實驗配比及結(jié)果見表1 ，由表1 可知，利用該類鋼渣礦粉做摻合料，可制備出28 d 抗壓強度達到50 MPa 以上，初始坍落度大于18 cm 的高強混凝土。與基準(zhǔn)混凝土相比，摻加鋼渣礦粉的混凝土初始坍落度約大1～2 cm ，同時鋼渣礦粉降低混凝土坍落度經(jīng)時損失的作用也比較明顯，且鋼渣礦粉摻量越大，減小坍落度經(jīng)時損失的作用越突出。試驗結(jié)果說明，鋼渣礦粉的摻入不僅有利于提高新拌混凝土的工作性能，還能抑制混凝土的經(jīng)時坍落度損失。

      混凝土3 d、7 d、28 d 的抗壓強度與鋼渣礦粉摻量間的關(guān)系如圖1 所示。由圖1 可知，隨著鋼渣礦粉摻量由10 %增加到60 % ，混凝土3 d 和7 d 抗壓強度呈明顯的下降趨勢。鋼渣礦粉的這一影響與其礦物組成密切相關(guān)：與水泥相比，鋼渣中主要有早期水化較慢的C2S 礦物，而早期水化較快的C3A、C3S 礦物量較少。因此，隨著鋼渣礦粉的摻入，混凝土的早期水化速度減緩，摻入比例越大，水化速度越慢，從而混凝土的坍落度經(jīng)時損失也減小，混凝土的早期(3 d、7 d) 強度也越低[3～6 ] 。而鋼渣礦粉摻量對混凝土28 d 抗壓強度的影響可分為2 個階段來分析：在鋼渣礦粉摻量為10 %～20 %時，鋼渣礦粉的加入可使混凝土的28 d 抗壓強度略有提高，但增加率較??；當(dāng)鋼渣礦粉的摻量超過20 %以后，隨著鋼渣礦粉摻量的增加，混凝土的抗壓強度開始呈明顯的下降趨勢。這是因為當(dāng)摻量較小(20 %以下) 時，鋼渣粉在水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 等激發(fā)下開始水化，對混凝土的強度發(fā)展有利；而摻量過大時，水泥量相應(yīng)減少，造成C2S2H 凝膠量較少，從而強度下降[5～7 ] 。因此，在鋼渣礦粉的使用中應(yīng)特別重視鋼渣礦粉摻量對混凝土強度的影響，在合理摻量范圍內(nèi)使用。

2. 2 　鋼渣礦粉細度對混凝土性能的影響

      實驗中分別采用A、B、C 3 種鋼渣礦粉試配C20 、C40 、C60 混凝土，研究了鋼渣礦粉細度對工作性能(新拌混凝土的坍落度及1 h 和3 h 坍落度損失) 和力學(xué)性能(混凝土的7 d、28 d 和90 d 抗壓強度) 的影響。試驗中混凝土配比的部分參數(shù)見表2 ，表2 還列出了同一摻量(20 %) 、不同比表面積的鋼渣礦粉(A、B、C) 混凝土的抗壓強度值。

2. 2. 1 　鋼渣礦粉比表面積對混凝土工作性能的影響

      根據(jù)上述之試驗方案，分別確定了配制C20 、C40 、C60 不同強度等級混凝土的配比及鋼渣礦粉的摻量， 研究了在相同摻量(20 %) 的情況下，不同比表面積的鋼渣礦粉A、B、C 對新拌的摻鋼渣礦粉混凝土(C20 、C40 、C60) 初始坍落度、1 h 、3 h 坍落度經(jīng)時損失的影響規(guī)律，實驗結(jié)果如圖2 、圖3 、圖4 所示。

      由圖2 、圖3 、圖4 可見，對于C20～C60 混凝土，鋼渣礦粉的摻量為膠凝材料總量的20 %時，鋼渣礦粉越細混凝土初始坍落度越小，鋼渣礦粉細度對混凝土的坍落度經(jīng)時損失的影響較大。例如，鋼渣礦粉的比表面積為600 m2/ kg 時，對于C20 混凝土，1 h 坍落度經(jīng)時損失約為2 cm ，而對C60 混凝土1 h 坍落度經(jīng)時損失則高達4～5 cm。由此可見，混凝土的強度等級越高，鋼渣礦粉細度對混凝土工作性能的影響越大。

2. 2. 2 　鋼渣礦粉比表面積對混凝土力學(xué)性能的影響

      由表2 可知，摻加鋼渣礦粉的混凝土后期強度增進率較大，C20～C60 各級別混凝土的90 d 抗壓強度相比28 d 強度都有較大的增加。鋼渣礦粉的細度對混凝土抗壓強度的影響也頗為顯著，C20～C60 各級別混凝土的3 d、28 d、90 d 抗壓強度都隨細度的增大而增加。例如，摻比表面積為600 m2/ kg 鋼渣礦粉的混凝土C20 、C40 、C60 的90 d 強度，相比摻加比表面積為510 m2/ kg 的鋼渣礦粉的混凝土分別提高了15 %左右。對C60 系列高強混凝土而言，如圖5 所示，隨著鋼渣礦粉比表面積由450 m2/ kg 增加到600 m2/ kg ，混凝土的28 d 抗壓強度增加了近6 MPa 。

      比較表2 中的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土強度等級的提高，鋼渣礦粉細度大小對混凝土強度的影響趨勢是逐漸變緩。綜合考慮鋼渣粉磨的電耗及細度對混凝土抗壓強度的貢獻率， 鋼渣礦粉的細度不宜超過600 m2/ kg ，采用該細度的鋼渣礦粉已能夠制備出28 d 抗壓強度接近70 MPa 的高強混凝土。在相同細度的情況下，鋼渣礦粉摻量超過20 %時，混凝土的強度下降。試驗結(jié)果表明，通過增加鋼渣礦粉的細度可提高混凝土的抗壓強度。鋼渣礦粉的這一特性為提高鋼渣礦粉在混凝土中的摻量、增加混凝土的廢渣利用率創(chuàng)造了有利條件。試驗進一步研究了在不同摻量情況下鋼渣細度對混凝土強度的影響規(guī)律， 混凝土的配合比參照表1 設(shè)計，得到的實驗結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可見，通過提高細度，可以顯著地增加鋼渣礦粉的水泥替代率，采用比表面積為510～600 m2/ kg 的鋼渣礦粉，在其摻量為40 %～50 % ，膠凝材料總用量為380 kg/ m3 的情況下，可配制出強度接近40 MPa 的混凝土。結(jié)果表明，如果鋼渣礦粉的比表面積由450 m2/ kg 提高至510 m2/ kg ，在達到相同混凝土強度的情況下，可使鋼渣礦粉的摻量增加10 %以上；而如果鋼渣礦粉的比表面積由450 m2/ kg 提高至600 m2/ kg ， 在達到相同混凝土強度的情況下，則可使鋼渣礦粉的摻量增加1 倍以上。

3 　結(jié)　論

a. 研制開發(fā)出一種新型礦物摻和料———鋼渣礦粉，其合理比表面積為450～600 m2/ kg ，鋼渣礦粉的摻入可以有效提高混凝土的工作性能，尤其在減小混凝土的坍落度經(jīng)時損失方面具有突出作用。

b. 鋼渣礦粉的摻量對混凝土強度有重要影響，鋼渣礦粉的摻入將降低混凝土的早期強度；比表面積為450 m2/ kg 的鋼渣礦粉，當(dāng)其摻量超過20 %時，混凝土的28 d 強度隨鋼渣礦粉摻量的增加而降低；通過提高鋼渣礦粉的細度可顯著提高混凝土的強度，在達到相同強度的情況下，鋼渣礦粉的比表面積由450 m2/ kg 提高到600 m2/ kg 時，其摻量可增加1 倍以上。

c. 利用鋼渣礦粉取代20 %～50 %的普通硅酸鹽水泥，可配制出坍落度大于20 cm、1 h 坍落度經(jīng)時損失小于6 cm、大流動度C20～C60 不同強度等級混凝土。

參考文獻

[1 ] 　呂林女. 利用磨細鋼渣礦粉配制C60 高性能混凝土的研究[J ] . 混凝土，2004 ， (6) ：51～53.

[2 ] 　趙旭光，趙三銀，李　寧，等. 高鋼渣摻量和高強度鋼渣水泥的研制[J ] . 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2004 ，26 (1) ：38～41.

[3 ] 　沈衛(wèi)國，周明凱，趙青林，等. 鋼渣粉煤灰路面基層材料的研制[J ] . 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2002 ，24 (5) ：15～18.

[4 ] 　仲曉林，宮武倫，梁富智. 磨細鋼渣作泵送混凝土摻合料的性能和研究[J ] . 工業(yè)建筑，1993 ，7 ：44～53.

[5 ] 　朱文琪，何雄偉，朱繼東，等. 鋼渣瀝青混合料施工工藝研究[J ] . 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2003 ，25 (12) ：116～118.

[6 ] 　吳少鵬，廖衛(wèi)東，薛永杰，等. 鋼渣SMA213 在武黃大修工程中的應(yīng)用研究[J ] . 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2003 ，25 (12) ：113～ 115.

[7 ] 　陳益民，張洪滔. 磨細鋼渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J ] . 水泥，2001 ，5 ：1～4.