水泥种类及激发剂掺量对钢矿粉活性的影响研究

史若昕，於林锋（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

随着建筑材料领域的不断发展，工程对混凝土性能的要求越来越高。除了水泥以外，矿粉、粉煤灰和硅灰等矿物辅助胶凝材料也成为现代混凝土材料的重要组成部分。钢渣作为钢厂冶炼钢铁过程中产生的常见固废之一，其矿物组成主要是硅酸盐，已证明其具有潜在的胶凝性能。同时，由于钢渣化学成分差异性较大、早期强度较低、安定性较差且水化活性低等，导致钢渣的综合利用率比较低[1]。但作为辅助性胶凝材料使用时，钢渣除了会与水泥发生相互作用外，还可能会与其他辅助胶凝材料组分发生相互作用[2-3]。这种复合叠加的激活效应也启发一种解决钢渣性能不足而难以被利用的办法[4]。钢矿粉作为一种新型复合掺和料，其活性与矿渣活性相近[5-6]，并且量大、来源分布较广，在现今的混凝土工程领域中有广泛的应用前景。更为重要的是，这不仅充分利用固体废弃物，达到节约能源消耗与减轻环境污染的目的，还对促进循环经济发展，实现可持续发展目标具有十分重大的意义[1]。

到目前为止，关于钢矿粉复合掺和料体系活性激发影响因素的相关研究并不多，因此，本文设定使用不同激发剂和水泥来制备钢矿粉复合掺和料。通过测试其活性指数来研究水泥种类及 2 种激发方式（单独激发和复合激发）下激发剂掺量对钢矿粉复合掺和料的活性影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

钢渣粉与 S 95 矿粉由某环境资源科技有限公司提供，其化学组成如表1 所示。其中，钢渣粉的密度为 3.61 g/cm3，比表面积为 411 m2/kg，流动度比为 103%，28 d 活性指数为 71%；S 95 矿粉的密度为 2.88 g/cm3，比表面积为 570 m2/kg，流动度比为 102%，28 d 活性指数为 98%。

表1 钢渣粉和 S 95 矿粉的化学组成 %

采用 4 种不同来源和等级的水泥。水泥 A 为上海金山某水泥有限公司生产的 P•II 52.5 水泥，水泥 B 为山东某水泥有限公司生产的混凝土外加剂检验专用基准 P•I 42.5 水泥，水泥 C 为某建筑材料科学研究总院出品的 GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》对比水泥，水泥 D 为上海金山某水泥有限公司生产的平湖 P•I 42.5 水泥。4 种水泥的主要性能参数如表2 所示。

表2 4 种水泥的性能参数

试验中选用的激发剂包括上海某公司提供的石膏 A 和石膏 B、上海某公司生产的氧化钙 A 与氧化钙 B 以及上海某硅粉材料有限公司提供的硅灰。

1.2 试验方法

参照 GB/T 18046—2017 中矿渣粉的活性指数测试方法，调节钢渣粉与 S 95 矿粉的比例。激发剂按照单独激发和复合激发 2 种方式以不同的掺量取代矿粉，测定试样 7 d 和 28 d 的强度，并与选定的基准水泥进行对比，以活性指数来表征不同激发剂的掺量对钢矿粉活性的影响效果。在以水泥种类作为影响因素探究钢矿粉的活性变化规律时，参照某建材有限公司企业标准 Q/JHJC 00 1010—2019《用于混凝土中的高性能复合掺和料》，调节钢渣粉与 S 95 矿粉的比例，保持激发剂种类和掺量一致。以 4 种不同水泥作为原材料制备试样并测定 1 d 和 3 d 的蒸养活性指数。

2 结果与讨论

2.1 激发剂掺量对钢矿粉活性的影响

2.1.1 单独激发时对钢矿粉活性的影响

本试验中对分别使用石膏 A（掺量 0、0.5%、1%、2% 和 3%）和氧化钙 A（掺量 0、0.25%、0.5% 和 1.0%）单独激发的钢矿粉在标准养护 3 d、7 d 和 28 d 时的活性指数进行对比，结果分别如图 1 、图 2 所示。

图 1 石膏 A 掺量对钢矿粉活性的影响

图 2 氧化钙 A 掺量对钢矿粉活性的影响

由图 1 可知，在石膏 A 的掺量由 0 增加至 3.0% 的过程中，钢矿粉复合掺和料的活性指数在 3 d、7 d 和 28 d 都显示出先降低再逐渐升高的趋势。其中，28 d 的变化趋势最为明显。石膏对钢矿粉的激发作用主要与由石膏水解生成的游离 Ca2+与 SO42-有关。一方面 Ca2+水化生成 Ca(OH)2后再与钢渣中的 SiO2、Fe2O3和 Al2O3等反应生成大量水化硅酸钙等产物，另一方面，石膏中提供的 SO42-与钢矿粉中的 3 CaO·Al2O3等反应形成钙矾石。二者共同作用，提高内部结构的密实度，从而改善钢矿粉复合掺和料的强度表现，达到激发活性的目的[7-8]。当试验中石膏 A 的掺量由 0 增至 0.5% 时，其并未对钢矿粉内部的水化反应产生促进作用，反而导致 3 个龄期的活性指数都开始降低；但随着掺量由 1.0% 增至 3.0%，复合掺合料的活性指数在 3 d 和 7 d 开始缓慢升高，其中在 2.0% 掺量时，28 d 的活性达到最高值。因此，在选用石膏 A 作为激发剂制备钢矿粉活性时，其掺量应当控制在 2.0%～3.0% 之间。

由图 2 可知，氧化钙 A 的掺量变化对 3 d、7 d 和 28 d 的钢矿粉活性的影响趋势基本一致，尤其是掺量在超过 0.5% 以后，钢矿粉的活性开始出现明显的提升。在掺量为 1.0% 时，其活性可达 110%。CaO 在钢矿粉的激发效应中主要起提供游离 Ca2+的作用，大量的游离 Ca2+使基体中更容易形成 C-S-H 凝胶，从而增强钢矿粉掺和料的强度，进一步激发活性[9]。因此，在选择单独使用氧化钙 A 作为激发剂制备钢矿粉复合掺和料时，在掺量 ＞ 0.5% 时，对 3 d、7 d 和 28 d 的活性都具有积极的激发作用。基体内释放出大量的游离 Ca2+与钢矿粉中的硅（铝）氧四面体等反应生成水化硅酸钙凝胶，填充复合料基体中的孔隙，使其结构变得更为致密，尤其是在掺量为 1.0% 时，激发效果最好。

2.1.2 复合激发时对钢矿粉活性的影响

采用石膏 B（掺量为 0、4%、8% 和 12%）及氧化钙 B（掺量为 0、2%、4% 和 6%）来复合激发钢矿粉基体的活性，从而探究复合激发时 2 种激发剂的掺量比例对钢矿粉活性的影响关系。两种激发剂交叉复配的掺量比例如表3 所示，试样在 7 d 和 28 d 的活性指数如图 3 所示。

表3 两种激发剂的复配比例 %

图 3 复合激发时掺量对钢矿粉活性的影响

由图 3 可知，相比未加入激发剂的钢矿粉复合掺和料，使用石膏 B 和氧化钙 B 作为复合激发剂的掺和料活性得到了显著的改善。其中活性最佳的是以 4% 石膏 B 和 2% 氧化钙 B 复合激发的 C 2 组，其 7 d 和 28 d 的活性可达 77% 和 94%。由上文得知，CaO 作为一种常见的激发剂，在激发反应中为体系提供了游离 Ca2+，促进形成 C-S-H 凝胶，进而增强复合掺和料的强度，改善材料的活性表现；但同时，CaO 也是一种弱碱性的激发剂，能够激发出来的游离 Ca2+数量有限，说明其对激发反应的贡献程度也是有限的。石膏作为富含 SO42-的激发剂，可以激发钢矿粉复合掺和料的活性，促进形成钙矾石晶体，在基体内部形成更为致密的结构，减小孔隙的分布；但仅靠 SO42-参与反应的激发效果并不明显，还需要在碱性环境下才能完全发挥其效应。因此，在制备钢矿粉复合掺和料时，采用石膏作为激发剂时，添加适量的 CaO ，两者相互弥补相互促进，可以将复合激发的能力充分地发挥出来[10]。但同时，如掺入的石膏过量，可能会导致多余的石膏反应不完全，从而堆积形成孔隙，降低复合掺合料的强度，影响活性表现。因此，在此次试验中，在加入 2% 氧化钙 B 形成的碱性环境里，掺入 4% 石膏 B 可以使内部的激发效应达到了一个最佳状态，由此得到最好的活性表现。

2.2 水泥种类对钢矿粉活性的影响

将 4 种不同来源、不同强度等级的水泥作为基准组，保持钢渣、矿粉比例不变，以石膏 B、氧化钙 B 及硅灰复合激发来制备钢矿粉复合掺和料，通过对试样进行 1 d 与 3 d 的蒸养活性指数测试，得出的结果如图 4 所示。

图 4 水泥种类对钢矿粉蒸养活性的影响

图 4 中可以很明显地看出，4 种不同的水泥对钢矿粉 1 d、3 d 的蒸养活性指数的影响曲线大致相同。相对于其他 3 种水泥，水泥 D（平湖 P•I 42.5 水泥）制备的钢矿粉复合掺和料的活性指数在 1 d 和 3 d 时都达到最大值，其强度活性分别为 118% 和 134%。

由表2 可知，水泥 D 在 4 种水泥中的性能参数表现并非最佳，但在相同比例的钢矿粉与激发剂复合激发后，其活性指数却远远大于其他组。这是因为水泥 D 在作为活性测试的基准组时，其本身的强度并不高。一方面在复合激发开始发挥效应后，相对于较低的基准强度，基体中胶凝产物总量的增加，使得强度增加的幅度更为明显；另一方面，复合掺和料的活性表现，可以看作是水泥和激发后的钢矿粉的活性“叠加”作用。当水泥强度表现较低时，可能会使掺和料基体中产生一个活性的“剩余空间”，从而更能够促进不同激发剂复合激发的效果，导致活性的大幅度提升。

3 结 语

（1）当使用石膏 A 单独激发钢矿粉时，随着石膏 A 的掺量由 0 增加至 3% 的过程中，钢矿粉复合掺和料的活性指数都显示出先降低再逐渐升高的趋势。其掺量控制为 2.0%～3.0% 时激发效果最好。

（2）当氧化钙 A 的掺量在超过 0.5% 以后，钢矿粉的活性开始出现明显的提升。在掺量为 1.0% 时，其活性可达 110%，激发效果最佳。

（3）相比未加入激发剂的钢矿粉复合掺和料，使用 4% 石膏 B 和 2% 氧化钙 B 复合激发制备的钢矿粉，其活性得到了显著的改善，28 d 的活性可达94%。

（4）4 种水泥制备的钢矿粉复合掺和料中，水泥 D 虽然本身性能参数表现并非最佳，但在使用相同激发剂复合激发后，其活性指数却远远大于其他组。一方面是因为较低的基准强度，胶凝产物总量的增加使基体强度增加的幅度更为明显；另一方面当水泥强度表现较低时，可能会使基体中产生一个活性的“剩余空间”，更能够促进不同激发剂复合激发的效果，导致活性大幅度提升。