掺钢渣粉与粉煤灰矿粉复合微粉混凝土的试验研究

■邹小平，曾 亮 ■江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330001

1 引言

我国是世界钢铁生产第一大国，钢渣作为钢铁行业的主要废渣之一，每年的排放量越来越大，但我国钢渣的综合利用率与西方发达国家相比还有较大差距［1］，大量的钢渣堆积既浪费资源又污染环境［2］。大量研究表明，钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的硅酸二钙C2S 和硅酸三钙C3S 属于过烧劣质熟料，具有潜在水硬活性［3-4］，具备用作水泥混合材和混凝土掺合料的条件，但如何对钢渣进行深层次的开发和利用，钢渣的掺入对混凝土性能有何影响还需要进一步的探讨。

混凝土的配合比设计离不开矿物掺合料，目前在混凝土中使用的矿物掺合料主要分为两类［5］:一类是天然材料比如火山灰、凝灰岩、煅烧粘土和硅藻土等;另一类是工业副产品，包括高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等。矿物掺合料通常占总胶凝材料质量的20%～70%。一般来说，矿物掺合料的掺入能够消耗Ca(OH)2，增加C-S-H 和其他水化产物的数量，细化混凝土内部孔径，提高混凝土强度。Ca(OH)2含量减小也能有效减少碱-骨料反应引起的膨胀，提高混凝土的耐久性。另外，矿物掺合料的加入还能改善混凝土的工作性，同等强度下降低用水量，提高混凝土的耐久性。总的来说，在混凝土中掺入矿物掺合料，既能提升混凝土的性能又具有积极的环境意义。

由于钢渣粉的的活性低、稳定性差，大掺量钢渣粉配制的混凝土早期强度低、工作性差、体积收缩大等缺陷。而粉煤灰能吸收钢渣粉中的游离氧化钙而克服钢渣粉可能存在的安定性不良问题，粉煤灰与钢渣粉复合还可以改善单掺钢渣粉混凝土的工作性能。将钢渣粉和矿渣粉掺在一起，既可以发挥钢渣粉的优点，降低早期水化热、促进水泥的后期水化，又可以用矿渣粉来弥补钢渣粉的缺点，从而获得性能良好的复合矿物掺合料。基于以上原因，因此将不同的掺合料(粉煤灰、矿粉)分别与钢渣粉进行复合微粉来配制钢渣混凝土，根据现代复合材料理论，在本文主要研究了钢渣粉与粉煤灰、钢渣粉与矿粉二元复合配制混凝土的工作性能和力学性能，分析比较了不同矿物掺合料之间的复合超叠加效应。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

(1)水泥:江西万年青水泥有限公司生产的P.O42.5 级普通硅酸盐水泥。

(2)钢渣粉:江西新余钢铁厂分选后陈化一年的磨细钢渣粉，密度为3.26g/cm3，比表面积为450m2/kg，活性指数75%，流动度比94%。

(3)粉煤灰:江西贵溪电厂Ⅱ类粉煤灰，细度为45μm，筛余18.6%，需水量比为100%，密度2.52g/cm3。

(4)矿粉:采用新余钢铁厂冶炼生铁时排放的S95 级粒化高炉矿渣，密度2.86g/cm3，比表面积420m2/kg，28d 活性指数97%，流动度比100%。

(5)粗骨料:采用5-25mm 粒径的连续级配的碎石。

(6)细骨料:采用细度模数为2.8 的天然河砂。

(7)减水剂:采用江西迪特科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，固含量10%，减水率20%，推荐掺量为胶凝材料总量的1.1%-1.3%。

2.2 试验方法

试验采用钢渣粉与粉煤灰(矿粉)复合微粉不同掺量取代水泥配制C30 强度等级混凝土，进行混凝土工作性和力学性能试验研究。混凝土工作性能按照《普通混凝土拌合物试验方法标准》(GB/T 50080-2002)国家标准规定进行，混凝土力学性能按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)国家标准规定进行。

2.3 试验配合比

试验水胶比设定为0.45、胶凝材料总量为360kg/m3，外加剂掺量为1.2%，本试验将钢渣粉与粉煤灰(矿粉)按1∶1 复合，以0-40%复合掺量取代水泥配制C30 钢渣粉煤灰(矿粉)复合微粉混凝土的工作性能及力学性能。试验配合比如表1、表2 所示。

表1 钢渣粉煤灰复合微粉混凝土试验配合比 (kg/m3)

表2 钢渣矿粉复合微粉混凝土试验配合比 (kg/m3)

3 试验结果及分析

3.1 钢渣粉与粉煤灰复合掺量对混凝土工作性及力学性能的影响

按基本配合比用钢渣粉和粉煤灰按1∶1 复合取代0-40%水泥配制混凝土的工作性能及力学性能如表3 及图1、2 所示。

表3 复掺钢渣粉与粉煤灰混凝土的工作性能及力学性能

图1 复掺钢渣粉—粉煤灰复合微粉混凝土的工作性能

图1 中钢渣粉煤灰复合微粉混凝土的工作性能实验结果表明，钢渣粉中复合50%粉煤灰后配制混凝土的工作性能比钢渣粉单独配制混凝土工作性好，混凝土的初始坍落度有明显提高，60 分钟后的坍落度也略有提高。

图2 复掺钢渣粉-粉煤灰复合微粉混凝土的力学性能

图2 中钢渣粉煤灰复合微粉混凝土的力学性能实验结果表明，混凝土的强度随着粉煤灰与钢渣粉复合掺量增加而下降，当掺量在30%以后，28d 抗压强度下降明显，并且所配制的C30 混凝土达不到强度等级要求。粉煤灰同样也降低了单掺钢渣粉混凝土的7 天强度，但28 天强度略比单掺钢渣粉小幅提升，但低于复合钢渣粉矿粉混凝土强度。因此，钢渣粉与粉煤灰复掺的最佳掺量范围为20-30%。

3.2 钢渣粉与矿粉复合掺量对混凝土工作性能及力学性能的影响

按基本配合比用钢渣粉和矿渣粉按1∶1 复合取代0-40%水泥配制混凝土的工作性能及力学性能如表4 及图3、4 所示。

表4 复掺钢渣粉与矿粉混凝土的工作性能及力学性能

图3 中混凝土工作性试验结果表明，混凝土的初始坍落度与60 分钟后的坍落度随钢渣粉与矿粉复合掺量增加而增加，混凝土的60 分钟坍落度损失随钢渣粉与矿粉复合掺量提高有明显减小趋势，这表明在钢渣粉与矿粉的复合掺量不仅能改善混凝土坍落度，还能减少混凝土的坍落度损失，这与单掺钢渣粉对混凝土工作性能影响相似。

图3 复掺钢渣粉-矿粉混凝土的工作性能

图4 复掺钢渣粉-矿粉混凝土的力学性能

从图4 可知，钢渣粉与矿粉的复合最佳掺量为30%，当掺量高于30%时混凝土的28 天强度明显下降;钢渣粉中复合了50%矿渣粉后，较单掺钢渣，混凝土的7 天强度仅略有降低，28 天强度比单掺钢渣粉明显提升，即矿粉在一定程度上增加了混凝土后期强度的递增率，而且这种递增作用随矿粉掺量的提高而提高。

4 结论

(1)复掺粉煤灰可以改善单掺钢渣粉混凝土工作性能，钢渣粉中复合50%粉煤灰后复合微粉混凝土的7 天强度比钢渣粉单独配制混凝土的强度低，但其28 天强度已略微超过钢渣粉单独配制混凝土的强度。粉煤灰虽降低了单掺钢渣粉混凝土的早期强度，但却能提高单掺钢渣粉混凝土的后期强度递增率。

(2)钢渣粉与矿渣粉有较好的复合效应，钢渣粉中复合矿渣粉可改善单掺钢渣粉混凝土的工作性能，虽在一定程度上降低单掺钢渣粉混凝土的早期强度，但却增加了混凝土的后期强度增长率。

(3)综上考虑，钢渣粉与粉煤灰复掺的最佳掺量范围为20-30%，钢渣粉与矿粉的复合最佳掺量为30%，所配制的钢渣粉与粉煤灰(矿粉)复合微粉混凝土的性能最佳。

［1］杨波，史林.钢渣混凝土研究现状分析［J］.中国新技术新产品，2011，19(3):61-65。

［2］孙树杉.钢渣成分对钢渣粉活性的影响［J］.中国钢铁，2010(9):20-24

［3］朱航.钢渣矿粉的制备及其在水泥混凝土中的应用研究［J］.武汉理工大学学报，2005，(1).

［4］孙家瑛.钢渣微粉对混凝土抗压强度和耐久性的影响［J］.建筑材料学报，2005，8(1):63-66.

［5］陈益民，贺行洋，李永鑫，等.矿物掺合料研究进展及存在的问题［J］.材料导报，2006(8):8-31.