利用转炉钢渣制备水泥砂浆试验研究

朱祖煌，武艳萍，周小俊

(1.湖北武穴长江公路大桥有限公司，武穴 435400；2.湖北公路智能养护科技股份有限公司，武汉 430050；3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

据统计，2017年我国钢铁产量达到8.3亿t，约有9 000万t的钢渣产生，但钢渣的综合利用率却不到22%。过量堆弃的钢渣不仅会占用大量的土地，而且对大气和河流造成严重污染。因此提高钢渣综合利用率，不但能减缓其对环境的污染，还能变废为宝，是我国资源与环境保护的双重重大战略需求。

因钢渣存在体积稳定性不良、粉磨效率不高等问题，导致制成的水泥安定性不合格率高、强度较低，因此钢渣在水泥基材料中的应用较少[1]。彭小芹[2]指出：钢渣形成温度达到1 650 ℃，经自然冷却后形成，常温活性较低，胶凝活性也较差。易龙生[3]研究发现：利用钢渣粉制备钢渣水泥砂浆，随着比表面积增大，各龄期的抗压、抗折强度都有不同程度的提高。朱伶俐[4]指明：石膏、硅酸钠和生石灰的复合激发剂可提高钢渣的水化活性，加快钢渣微粉的水化反应速度。

利用XRF和XRD研究转炉钢渣化学成分与矿物成分，并将转炉钢渣分别制备成钢渣粉和钢渣砂以替代水泥砂浆的水泥和标准砂，探索由粗细转炉钢渣集料制备的钢渣粉在不同掺量下对水泥砂浆强度的影响规律，研究不同掺量钢渣砂(粒径0～4.75 mm)制备的水泥砂浆强度。研究结果有望推动钢渣在水泥基材料中的应用。

1 试 验

1.1 原材料

1)转炉钢渣：广西盛翔新材料有限公司转炉钢渣。

2)水泥：黄石华新PO42.5普通硅酸盐水泥。

3)标准砂：厦门艾思欧标准砂。

4)外加剂：硅酸钠、脱硫石膏(天大化学试剂厂)。

1.2 试验设计

1.2.1 钢渣预处理

将取样转炉钢渣进行筛分处理，按粒径分为0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～16 mm四档，每一档转炉钢渣经球磨后过0.075 mm筛，取筛下部分得到钢渣粉用于替代水泥制备水泥砂浆。取样钢渣过4.75 mm筛，取筛下部分作为钢渣砂，取代标准砂制备水泥砂浆。

1.2.2 钢渣水泥活性激发方案

钢渣用于水泥的活性激发主要有物理激发和化学激发两种方法。物理激发是指将钢渣磨细，提高其细度和比表面积；化学激发是指添加外加剂提高钢渣活性，主要为碱激发。试验选用化学激发方法，所采用的激发剂为硅酸钠(水玻璃)和脱硫石膏，碱激发剂掺量为外掺，硅酸钠掺量为胶凝材料质量的3%，脱硫石膏掺量为胶凝材料质量的6%。将钢渣粉和钢渣砂分别等质量的替代水泥和标准砂，水灰比为0.5，制备水泥砂浆。

2 结果与讨论

2.1 钢渣细集料的化学成分和矿物成分

转炉钢渣的化学成分见表1，矿物成分见图1。钢渣粉的主要化学成分是CaO、Fe2O3、SiO2，这与水泥的主要化学成分基本一致。在转炉钢渣的水化反应中伴随着玻璃体的解体和沸石类产物的形成，沸石类产物的形成需要消耗大量的Al2O3,由表1知转炉钢渣的Al2O3含量很低，导致转炉钢渣的水化反应不充分。由图1 可知，硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)的衍射峰强度较弱，表明钢渣细集料的硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)含量较少，导致钢渣粉的水化反应较弱。因此钢渣粉替代水泥参与水化反应时，只能部分替代，保证硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)的含量充足，同时还应掺入碱激发剂激发钢渣潜在活性物质。

表1 转炉钢渣化学成分

2.2 游离氧化钙(f-CaO)含量对钢渣水泥砂浆强度的影响

取样转炉钢渣f-CaO含量见图2。从图2中可以看出，取样转炉钢渣的粒径越小，其f-CaO含量越高，这可能与转炉钢渣的比表面积有关，粒径小的比表面积大，f-CaO能够更好的附着在钢渣的表面上。图3是不同粒径转炉钢渣球磨35 min后50%替代水泥制备的砂浆的强度，粒径越大的钢渣球磨后制备的水泥砂浆，7 d和28 d的抗压抗折强度越大。这是由于转炉钢渣中f-CaO的存在使得钢渣存在体积稳定性不良的问题[5]，钢渣水泥的水化膨胀也因此发生，f-CaO含量越高，膨胀率越大，导致钢渣水泥砂浆抗压抗折强度减弱[6]。

2.3 钢渣粉不同掺量对水泥砂浆强度的影响

选取粒径在5～10 mm的转炉钢渣，球磨至勃氏比表面积400 m2/kg左右，按质量的0、30%、40%、50%替代水泥，制备水泥砂浆，编号分别为1#、2#、3#、4#。砂浆的抗折抗压强度测试结果表明，随着钢渣粉掺量的增加，砂浆的3 d、7 d、28 d的抗折抗压强度均降低，试验钢渣粉的最佳掺量为30%，此时钢渣水泥具有较好的胶凝活性，钢渣粉的7 d活性指数为67%，28 d活性指数达到了71%。由图4、图5可以看出，钢渣粉对试件前期的抗折强度的促进更明显，后期的抗折强度促进较弱；而对试件后期的抗压强度促进作用更大。

2.4 钢渣砂不同掺量对水泥砂浆强度的影响

表2给出了不同配比钢渣砂替代标准砂的砂浆强度和安定性，发现钢渣砂全部替代标准砂时，试件安定性不合格。钢渣砂的吸水率远大于标准砂的吸水率，造成体系缺水，严重影响了水化硅酸钙(C-S-H凝胶)生成的反应速率，胶凝材料无法凝结硬化。钢渣砂的细度模数也会影响到水化反应的需水量，细度模数应与标准砂保持一致，细度直接影响到水、胶凝材料与钢渣砂的接触面积，细度越细接触面积越大，水与钢渣砂更快的结合与吸附，导致砂浆流动度下降[7]。与标准砂制备的砂浆相比，50%和20%掺量的钢渣砂其7 d、28 d抗压强度均有所提高，抗折强度略低于标准砂砂浆。

表2 钢渣砂不同配比的砂浆强度和安定性

3 结 论

a.转炉钢渣具有与水泥相似的化学和矿物成分，钢渣微粉可以替代水泥，但钢渣水泥砂浆强度较低；可通过物理和化学活性激发使转炉钢渣具有水化活性，达到增强钢渣水泥砂浆抗压抗折强度的目的。

b.转炉钢渣粒径越大，f-CaO含量越少。用大粒径转炉钢渣研磨至一定细度的钢渣粉，部分取代水泥制备水泥砂浆，具有比小粒径转炉钢渣更好的抗压抗折强度。在碱激发条件下用钢渣粉制备水泥砂浆，钢渣粉的最佳掺量为30%， 7 d活性指数为67%，28 d活性指数为71%。

c.钢渣砂(粒径0～4.75 mm)可以部分取代标准砂制备水泥砂浆，砂浆的抗压强度均高于纯标准砂制备的水泥砂浆，而抗折强度略低于纯标准砂制备的水泥砂浆。