钢渣水泥抹面砂浆性能研究

何玉鑫，诸华军，华苏东，万建东

钢渣水泥抹面砂浆性能研究

何玉鑫1，诸华军2，华苏东3，万建东1

本文研究了钢渣、矿渣、石膏和粉煤灰对钢渣水泥抹面砂浆性能的影响。结果表明：钢渣水泥复合材料抗压强度和抗折强度随着钢渣掺量的增加而呈减小的趋势；矿渣（20%）复配改性钢渣水泥复合材料，28d最佳抗压强度和抗折强度（49.2MPa和6.8MPa）分别较未掺矿渣的提高了3.3%和16.2%；当脱硫石膏掺量在3%时，可提高钢渣-水泥-矿渣力学性能；当增塑剂掺量控制在0.4%，水泥抹灰砂浆施工性能较好，砂率在1：4时，钢渣水泥抹灰砂浆28d抗压强度可达到13.5MPa（满足M10等级要求），当砂率为1：5时，钢渣水泥抹灰砂浆28d抗压强度可达到7.5MPa（满足M5等级要求）。

钢渣；砂浆；性能

钢渣是炼钢过程中的副产物，占钢产量的10%～15%。由于钢渣活性低、易磨性差和安定性不稳定等原因制约了其在建筑领域的运用，以致其占用了大量土地，且污染了环境。目前钢渣水泥复合材料的性能研究已成为热点，尚建丽等［1］发现钢渣由于自身水化留下孔洞与钢渣中惰性相、水泥熟料水化产物粘结疏松导致其体积膨胀，从而影响体系稳定性；张云莲等［2］指出钢渣的掺入有助于提高浆体的水化速率和密实度；李辉等［3］发现10%钢渣和30%矿渣复掺，可发挥填充效应和互补效应，使其孔结构优于单掺或不掺钢渣的水泥。本文主要利用钢渣自身水化产生Ca（OH）2，在石膏激发作用下可代替水泥熟料激发矿渣，发生二次火山灰反应，提高体系的力学性能和体积安定性，以期更好地促进钢渣在建筑领域的应用。

1　原材料与试验方法

1.1原材料

海螺425水泥（南京）；钢渣（上海梅山钢铁股份有限公司）；Ⅱ级粉煤灰（南京）；矿渣（南京）；脱硫石膏（江苏省一夫新材料科技有效公司）。五种原材料化学组分见表1，粒径分布见表2。

表1　四种原材料化学组分，%

表2　原材料的粒径分布和比表面积

图1　钢渣水化产物

1.2试验方法

将水泥基复合材料复配混匀，按照1：3砂率和0.6水灰比搅浆，将其砂浆注入到40mm×40mm×160mm试模中振动成型；钢渣水泥抹面砂浆稠度控制在90～100mm之间，以灰砂比1：4和1：5为基准砂浆，掺入不同掺量的增塑剂搅浆，将其注入到70.7mm× 70.7mm×70.7mm试模中振动成型，在20℃室温养护1d后脱模，将脱模后的试块放入标准养护室养护至规定龄期，通过微机控制全自动压力试验机（WHY-5/200）测试不同养护龄期的抗压强度和抗折强度。利用日本理学公司Dm ax/RB型X线衍射仪（XRD）测试水泥复合材料的水化产物。

2　结果与讨论

2.1钢渣水化产物分析

钢渣常被称为“过烧硅酸盐水泥熟料”，过高的生成温度造成钢渣中矿物结晶相结晶致密、晶粒较大、胶凝性能较差、水化速度缓慢和早期强度发展缓慢。钢渣经过粉磨处理，可适当提高在水泥材料中的活性，有利于硅酸二钙、硅酸三钙和游离氧化钙等水化生成水硬性产物，其不同养护龄期的钢渣浆体的水化产物见图1。

由图1可知，钢渣中Ca（OH）2衍射峰随着养护龄期的延长逐渐增加（即Ca（OH）2含量增加）；水硬性产物中（C2S、C3S和AFt）衍射峰随着养护龄期的延长逐渐减少，但减少量不显著。可见，钢渣掺入到水泥基复合材料中可以减少成本，而且有利于环境保护和促进钢渣的废物利用。

2.2钢渣对水泥砂浆性能的影响

用钢渣替代部分水泥制备砂浆，可有效降低砂浆生产成本，且钢渣中含有较多fCaO、fMgO以及铁相和RO固溶相物质，在水化过程中会产生一定的膨胀，可补偿砂浆硬化过程中的体积收缩，有助于降低其易开裂性。但钢渣中的RO相和游离CaO被认为是钢渣安定性的主要因素，其掺量在30%以内，通过压蒸法测试钢渣安定性为合格，钢渣对水泥砂浆力学性能的影响见图2。

由图2可知，水泥砂浆的抗压强度和抗折强度随着钢渣掺量的增加而呈减小的趋势，当掺量在10%时，28d强度下降的幅度较小，抗压强度和抗折强度分别较未掺钢渣的降低了1.3%和24.6%。这主要是由于水泥和钢渣只是通过改变彼此的水化环境来影响彼此的水化，钢渣对水泥早期的水化有延缓作用，对后期水化有促进作用；钢渣代替水泥熟料，使体系需水量降低和胶凝性水化产物量减少，导致硬化体空隙率高［4-6］。本文从力学性能、安定性和经济角度出发，基本确定钢渣掺量在20%。

2.3矿渣对水泥-钢渣复合材料性能的影响

矿渣作为掺合料用于砂浆中，能改善拌合物的和易性，但掺量过多易出现泌水现象。本文将矿渣作为抹灰砂浆掺合料，利用钢渣自身水化产生Ca（OH）2有效激发矿渣，产生二次火山灰反应，提高体系力学性能，其矿渣对水泥-钢渣复合材料力学性能的影响见图3。

图2　钢渣对水泥砂浆性能的影响（砂率1：3）

图3　矿渣对钢渣-水泥复合材料力学性能的影响（砂率1：3）

由图3可知，水泥-钢渣复合材料3d力学性能随着矿渣掺量增加呈减少的趋势，28d力学性能随着矿渣掺量的增加呈先增加后减少的趋势，当矿渣掺量在20%时，28d最佳抗压强度和抗折强度（49.2MPa和6.8MPa）分别较未掺矿渣的提高了3.3%和16.2%。这主要是由于钢渣自身水化过程中会产生大量的Ca（OH）2，可弥补替代水泥熟料时减少的Ca（OH）2含量，Ca（OH）2可激发矿渣中SiO2和Al2O3的活性，生成更多的水硬性产物，提高体系的力学性能。

2.4脱硫石膏对水泥-钢渣-矿渣力学性能的影响

脱硫石膏的掺入有利于提高砂浆的保水性能［7］，且作为SO42-主要来源，促进水泥、钢渣与矿渣的水化，加快二次火山灰反应，提高体系的力学性能，有利于资源的循环利用和环境保护。脱硫石膏对水泥-钢渣-矿渣力学性能的影响见图4。

由图4可知，适量脱硫石膏可以提高水泥-钢渣-矿渣力学性能，石膏掺量过多，促进水泥水化和钢渣水化生成较多的AFt，易造成钢渣水泥砂浆后期体积不稳定，力学性能有所降低。当石膏掺量在3%时，3d抗压强度和抗折强度分别较未掺石膏的提高了16.7%和12.5%，28d抗压强度和抗折强度分别较未掺石膏的提高了4.3%和5.6%。

2.5粉煤灰对钢渣水泥砂浆性能的影响

粉煤灰中光滑玻璃微珠在砂浆中起到润滑、滚珠作用，粒子表面吸附出现双电子层结构加强了润滑的作用，可有效改善砂浆的流动性、和易性和保水性，减轻矿渣和钢渣掺入导致砂浆泌水的后果。同时粉煤灰通过颗粒形态效应、火山灰活化效应和微集料效应影响水泥干粉砂浆的力学性能，其不同粉煤灰掺量对水泥干粉砂浆性能的影响见图5。

由图5可知，钢渣水泥砂浆的力学性能随着粉煤灰掺量的增加而显著降低，当粉煤灰掺量在30%时，28d水泥干粉砂浆力学性能下降幅度变化不大，其抗压强度和抗折强度（28.7MPa和6.3MPa）分别较未掺粉煤灰的降低了79.1%和14.3%。因此，在实际生产过程中可确定粉煤灰最佳掺量为30%。

图4　脱硫石膏对钢渣-水泥-矿渣力学性能的影响（砂率1：3）

图5　粉煤灰对钢渣水泥砂浆性能影响（砂率1：3）

2.6增塑剂对钢渣水泥抹灰砂浆性能的影响

增塑剂可明显减少拌和用水量，改善砂浆和易性和保水性能，但掺量过多会导致微气泡量增加，砂浆力学性能降低，本文控制水泥砂浆稠度在90～100mm之间，不同增塑剂掺量时水泥抹灰砂浆的性能见表3。

表3　不同增塑剂掺量时水泥抹灰砂浆的性能

由表3可知，钢渣水泥抹灰砂浆稠度控制在90～100mm之间，水泥抹灰砂浆水灰比和保水率随着增塑剂掺量的增加而增加，分层度控制在10～20mm之间，表明钢渣水泥抹灰砂浆保水性能较优；7d和28d力学性能随着增塑剂掺量的增加而降低。当增塑剂掺量控制在0.4%，钢渣水泥抹灰砂浆施工性能较好，砂率在1：4时，钢渣水泥抹灰砂浆28d抗压强度可达到13.5MPa（满足M10等级要求），当砂率为1：5时，钢渣水泥抹灰砂浆28d抗压强度可达到7.5MPa（满足M5等级要求）。

3　结论

（1）水泥-钢渣复合材料3d力学性能随着矿渣掺量的增加呈减少的趋势，28d力学性能随着矿渣掺量的增加呈先增加后减少的趋势，当矿渣掺量在20%时，28d最佳抗压强度和抗折强度（49.2MPa和6.8MPa）分别较未掺矿渣的提高了3.3%和16.2%。

（2）适量脱硫石膏可以提高水泥-钢渣-矿渣力学性能，当掺量在3%时，3d抗压强度和抗折强度分别较未掺提高了16.7%和12.5%，28d抗压强度和抗折强度分别较未掺石膏的提高了4.3%和5.6%。

（3）当增塑剂掺量控制在0.4%，水泥抹灰砂浆施工性能较好，砂率在1：4时，钢渣水泥抹灰砂浆28d抗压强度可达到13.5MPa（满足M10等级要求），当砂率为1：5时，钢渣水泥抹灰砂浆28d抗压强度可达到7.5MPa（满足M5等级要求）。

［1］尚建丽，张凯峰.钢渣-水泥熟料-石膏胶凝体系稳定性的研究［J］.硅酸盐通报，2011，30（6）：1282-1286.

［2］张云莲，史美伦，陈志远.钢渣掺合料对水泥基材料渗流结构的影响［J］.建筑材料学报，2005，8（3）：316-320.

［3］李辉，邱杨，宋强.钢渣矿渣水泥孔结构对水泥强度影响的试验研究［J］.混凝土，2010，（4）：45-47.

［4］王强，阎培渝.钢渣水化产物的特性［J］.硅酸盐学报，2010，38（9）：1731-1734.

［5］王强，阎培渝，韩松.等钢渣在复合胶凝材料的水化过程中对水泥水化的影响［J］.中国科学，2011，41（2）：170-176.

［6］王强，阎培渝.大掺量钢渣复合胶凝材料早期水化性能和浆体结构［J］.硅酸盐学报，2008，36（10）：1046-1411.

［7］汪永和，续荣贵，冯春花.掺合料对干粉砂浆性能的影响［J］.非金属矿，2013，36（2）：48-50.

Study on the Properties of the Steel Slag-cement Surfafce Mortar

HE Yu-xin1,ZHU Hua-jun2,HUA Su-dong3,WAN Jian-dong1

（1.Jiangsu Yi Fu New Material Technology Co.,Ltd.,Nanjing 211178 2.School of Material Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051 3.School of material science and engineering,Nanjing Univesity of Technology,Nanjing 210009）

This paper studied the effects of steel slag,slag,desulfurization gypsum and fly ash on properties of mortar.The results showed that the compressive strength and flexural strength of steel slag-cement composite material declined with the increasing of steel slag.The 28d compressive strength and flexural strength of steel slag-cement composite material with 20 wt.%slag is 49.2MPa and 6.8MPa respectively,which increased by 3.3%and 16.2%compared with that without slag.Mechanical properties of steel slag-cement-slag composite material could be improved when the content of desulfurization gypsum was 3wt.%.When the content of plasticizer was 0.4wt.%,the workability of cement mortar was good.In addition,the 28d compressive strength of steel cement mortar reached to13.5MPa（meeting the requirements of M10）when the sand ratio was 1：4.Besides,the 28d compressive strength of steel cement mortar reached to 7.5MPa（meeting the requirements of M5）when the sand ratio was 1：5.

steel slag；mortar；properties

TQ172.44

A

1001-6171（2015）01-0032-05

通讯地址：1江苏省一夫新材料科技有限公司，江苏南京211178；2盐城工学院材料工程学院，江苏盐城224051；3南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京210009；

2014-05-26；编辑：赵莲