复掺钢渣微粉水泥砂浆性能研究

2020-05-24施志宏讷经纬吴少鹏赵宇宾贺瑞锋

建材世界 2020年1期

施志宏，讷经纬，李好，吴少鹏，赵宇宾，贺瑞锋

(1.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，呼和浩特 010050；2.武汉理工大学，武汉 430070)

钢渣是炼钢过程中排出的固体废弃物，排放量一般为钢产量的15%～20%。2017年我国粗钢产量达到8.32亿t，占全球总产量的49.18%[1]。我国钢渣的年排放量约为1.33亿t[2]，但综合利用率较低，作为路基回填材料以及工程劣质胶凝材料进行利用。其中钢渣粉作为胶凝材料应用在水泥混凝土中存在早期活性低等问题。

锰铁矿渣是锰铁合金在冶炼过程中排放的高温炉渣经过水淬急冷后形成的矿渣，具备一定的水硬性和火山灰性，是一种潜在活性较高的材料，具有应用开发的价值。目前在我国锰铁矿渣尚未得到充分的开发利用，除30%用于水泥混合材和回炉冶炼外，其他70%作堆填处理，年净排放量达1 200万t。考虑到钢渣粉在单独使用时早期强度低，而锰铁矿渣粉活性较高，若将二者复配钢渣粉与锰铁矿渣粉相互激发，则有望填充水泥颗粒的空隙，产生微集料效应，从而制备出早期强度高、后期强度持续增长、兼具补偿收缩效应的复合掺合料[3-5]。论文研究了不同掺量钢渣粉和锰铁矿渣粉复配的胶凝材料对水泥砂浆强度的影响。研究对指导钢渣粉和锰铁矿渣粉在水泥基材料中的有效应用将起到积极作用[6-8]。

1 实验原材料

实验所用的P.O42.5水泥由海螺水泥控股有限公司提供，钢渣粉和锰铁矿渣粉由广西盛翔新环保材料有限公司提供。标准砂为厦门艾思欧公司生产的ISO标准砂，水为蒸馏水，满足JGJ63—2006《混凝土用水标准》中的要求。P.O42.5水泥、钢渣粉和锰铁矿渣粉的化学组成与粒度分布分别如表1、表2所示。由表1可知，钢渣粉和锰铁矿渣粉的化学组成存在一定差别，主要体现在Ca、Si和Fe等元素的含量上。钢渣粉含有较多的CaO、Fe2O3和SiO2，而锰铁矿微渣粉则主要含SiO2、Al2O3、CaO和MnO。由表2可知，钢渣粉的颗粒细度明显小于锰铁矿粉。

表1 P.O42.5水泥、钢渣粉和锰铁矿渣粉的化学组成

表2 钢渣粉和锰铁矿渣粉的激光粒度分析

2 实验方法

2.1 配合比设计

实验依据GB/T20491—2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》中的技术要求，保持70%的水泥用量以及复合胶凝材料(钢渣微粉和锰铁矿渣微粉)30%的总掺量不变，改变钢渣微粉、锰铁矿渣微粉之间的比例，制备成钢渣-矿渣-水泥复合胶凝材料，实验方案见表3。

表3 胶砂配合比

2.2 试样制备

首先，按比例称取水泥、钢渣粉和锰铁矿渣粉，混合均匀；其次，称量好所需的拌和用水；然后，参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》拌制、成型、养护试样。强度和流动度测试：测试试样的7 d和28 d的抗折与抗压强度。水泥胶砂流动性测试按照GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测试方法》进行。

3 结果与讨论

3.1 力学性能

水泥胶砂的流动度和力学性能如表4、图1和图2所示。

掺入不同比例的复合胶凝材料(钢渣微粉和锰铁矿渣微粉)的6组实验组抗压强度活性指数都是3 d<7 d<28 d。随着锰铁矿渣微粉掺量增大，3～6号试样3 d、7 d、18 d抗压强度活性指数呈现平稳增大趋势，7号3 d、7 d、28 d抗压强度活性指数略微下降。根据GB/T20491—2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》的技术要求，一级钢渣粉活性指数7 d不小于65%、28 d不小于80%；二级钢渣粉活性指数7 d不小于55%、28 d不小于65%。2～7共6个试样的7 d、28 d活性指数均满足GB/T20491—2017中二级钢渣粉的技术要求，其中6号掺入25%锰铁矿渣微粉时，7 d活性67.4%，28 d活性80.3%，达到一级钢渣粉的技术要求。

表4 流动性和力学性能实验结果

3.2 流动度

掺入不同比例的复合胶凝材料(钢渣微粉和锰铁矿渣微粉)的6组实验组流动度比均大于100%，说明钢渣微粉和锰铁矿渣微粉均可增加水泥的流动性。随着钢渣微粉和锰铁矿渣微粉的掺入，流动度比呈现先增大后减小然后趋于平缓的趋势，当钢渣微粉和锰铁矿渣微粉的比例为85∶15时，流动度比达到最佳为106.5%；当钢渣微粉掺量为30%时流动度比最低为103.5%，因此锰铁矿渣微粉对流动度的增强效果较钢渣微粉的好。