热焖钢渣的火山灰活性及其对水泥强度的影响

2022-10-24庄赞鹏田尔布

武夷学院学报 2022年9期

庄赞鹏，田尔布

（1.三明市公路事业发展中心，福建三明 365004；2.福建省工程材料与结构加固重点实验室三明学院，福建三明 365004；3.三明学院建筑工程学院，福建三明 365004 ）

我国是钢铁生产大国，2020 年全国粗钢产量高达10.64 亿t，每产出1 t 钢，伴随着150 kg 的钢渣副产出[1-2]。然而目前我国钢渣的利用率较低，未利用的钢渣不仅会占用大量土地资源，而且会对大气、土壤、水资源照成污染。

钢渣的矿物成分主要有C3S、C2S、玻璃相(Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO和碱等组成的不定形相)、RO 相(CaO、MgO、MnO 和FeO 组成的固溶体)等[3-5]。其矿物组成与水泥孰料相似，但是由于其含有f-CaO、f-MgO，会带来体积安定性不良，且水化活性较低[6-7]，因此限制了钢渣在水泥中的运用。研究表明，物理激发、化学激发、热激发均能提高钢渣活性[8-12]。目前常用的钢渣二次处理方法有水淬法、风淬法、热泼法、热焖法等。热焖法不同于传统的处理方法，与磁选、研磨工艺相结合的热焖法，可以较好的消除钢渣的膨胀性，实现渣与钢的分离[13]。热焖法中研磨工艺相当于对钢渣进行了物理激发，因此有必要研究热焖钢渣的火山灰活性。

以石粉为对照组，对石粉、钢渣掺量为30%的水泥胶砂试样进行强度试验、SEM 试验、XRD 试验，研究热焖钢渣的火山灰活性。对不同钢渣掺量的胶砂试块进行强度试验，研究钢渣添加量对水泥强度的影响，为热焖钢渣在水泥中的运用提供支持。

1 材料与试验方法

1.1 材料

1）试验采用的水泥是P·I42.5 纯硅酸盐水泥，其主要技术指标如下表1 所示。

表1 水泥的主要技术指标Tab.1 The main technical indicators of cement

2）热焖钢渣的化学成分如下表2 所示。

表2 热焖钢渣化学成分Tab.2 Chemical composition of hot braised steel slag

3）石粉的化学成分如下表3 所示。

表3 石粉化学成分Tab.3 Chemical composition of stone powder

4）胶砂试验所采用的砂是ISO 标准砂，其颗粒级配如下表4 所示。

表4 标准砂的颗粒Tab.4 Standard sand particles

5）试验所用的减水剂为聚羧酸系型高效减水剂，其基本技术参数如下表5 所示。

表5 聚羧酸系型高效减水剂技术参数Tab.5 Technical parameters of polycarboxylic acid type superplasticizer

6）试验所用的水为生活自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 用于测量胶砂强度、XRD 试验、SEM 试验的试样配比如下表6 所示。

表6 试样水泥胶砂配比Tab.6 Proportion of sample cement mortar

1.2.2 胶砂的强度试验

胶砂强度参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》进行测试。

1.2.3 SEM 试验

电镜扫描采用JSM-IT500 系列扫描电子显微镜进行，如图1。

图1 JSM-IT500 扫描电子显微镜Fig.1 JSM-IT500 Scanning Electron Microscope

1.2.4 XRD 试验

XRD 试验采用X 射线衍射仪X’Pert Pro，如图2。

图2 X 射线衍射仪Fig.2 X-ray diffractometer

2 热焖钢渣的火山灰活性分析

制备纯水泥胶砂试样C，单掺30%石粉水泥胶砂试样A，单掺30%钢渣水泥胶砂试样B6，以试样C 和试样A 为对照组，研究热焖钢渣的火山灰活性。试样C、A、B6不同龄期时的抗压强度及活性指数如下表7 所示。表8 是《矿物掺合料应用技术规范》GB/T51003—2014 中不同级别钢渣粉的活性指数要求。

表7 单掺石粉、钢渣胶砂试块抗压强度及及活性指数Tab.7 Compressive strength and activity index of single-mixed stone powder and steel slag mortar test block

表8 钢渣粉的活性指数要求Tab.8 Activity index requirements of steel slag powder

从表中可以看出3、7、28、180 d 龄期时，纯水泥胶砂试样C 的抗压强度最大，单掺石粉水泥胶砂试样抗压强度最小，单掺钢渣试样抗压强度在两者之间。已有研究表明石粉作为掺合料时，对混凝土主要发挥的是微集料填充效应[14]。单掺石粉水泥胶砂试样A 和单掺钢渣水泥胶砂试样B6两者的掺量均为30%，因此两者对试样的微集料填充效应相同，从表中可以看出单掺钢渣水泥胶砂试样活性指数大于单掺石粉水泥胶砂试样活性指数，说明钢渣在混凝土中不但有发生微集料填充效应，还有发生火山灰效应。从表中还可以看出单掺30%钢渣水泥胶砂试样28 d 的活性指数为71%，大于65%，由此可知热焖钢渣具有火山灰活性。参照表8，钢渣粉掺量为30%时，其7 d 活性指数为61%，28 d 活性指数为71%，可以达到二级钢渣粉的指标。

3 掺热焖钢渣胶砂水泥石微观分析

3.1 SEM 扫描电镜

对试样C、A、B6进行扫描电镜试验，进一步探讨热焖钢渣水泥胶砂试样的微观结构。从图3（a）中可以看出纯水泥胶砂试样28 d 龄期时的主要水化产物为水化硅酸钙和氢氧化钙。图3（b）中可以看出单掺30%石粉水泥胶砂试样28 d 龄期时主要水化产物为纤维状水化硅酸钙，此时纤维状水化硅酸钙正开始填充空隙。图3（c）中可以看出单掺30%钢渣水泥胶砂试样28 d 时龄期主要水化产物也为纤维状水化硅酸钙，纤维状水化硅酸钙正在填充空隙。对比三个试样28 d 龄期时的试样可以发现试样C 的孔隙最少，试样A 的孔隙最多，试样B6的孔隙在两个试样之间，此结果与抗压强度试验结果相符。

图3 各个试样28 d 时的SEM 照片Fig.3 SEM photos of each sample at 28 d

图4（a）、（b）、（c）为各个试样180 d 龄期时水化产物的SEM 图，与图3 中各个试样28 d 时水化产物SEM 图对比可以看出，随着龄期的增长，各个试样的密实度逐步提高，说明各个模型的水化反应持续进行，生成的水化产物也越来越多。从三个试样中可以看出B6试样180 d 龄期时的孔隙少于A 试样，说明热焖钢渣有发生火山灰反应，反应产物填充孔隙，使得B6试样的孔隙少于A 试样。

图4 各个试样180 d 时的SEM 照片Fig.4 SEM photos of each sample at 180 d

3.2 XRD

从图5 可以看出纯水泥胶砂试样C 主要水化产物有氢氧化钙、水化硅酸钙、硅酸钙及以团聚体形式存在的石英。随着龄期的延长CSH 衍射峰逐渐增强，表明纯水泥胶砂试样水化程度随着龄期的延长逐渐增长。从图6 可以看出单掺30%石粉的水泥胶砂试样A 与纯水泥胶砂试样C 的水化产物在定性上没有变化，只是在相的比例上发生变化。石粉不会导致水化产物的相组成发生变化，这表明石粉是一种惰性材料。

图5 试样C 的XRD 图谱Fig.5 XRD pattern of sample C

图6 试验A 的XRD 图谱Fig.6 XRD pattern of sample A

从图7 中可以看出单掺30%钢渣水泥胶砂试样B7的主要水化产物除氢氧化钙、水化硅酸钙、硅酸钙及石英外还有钢渣的残余矿物和RO 相。从图7 中可以看出，对比龄期为28 d 的图谱，龄期为180 d 时氧化硅衍射峰减弱，这可能是因为，有晶格缺陷的无定型二氧化硅，也就是活性二氧化硅，进入溶液后，会与溶液中的氢氧化钙产生反应。钢渣水泥复合基体在遇水后，水泥水化提供碱性环境，能激发钢渣的活性，加快钢渣水化产物的生成速率，浆体中氢氧化钙浓度达到一定时，会与活性二氧化硅发生反应，产生水化硅酸钙。

图7 试验B7 的XRD 图谱Fig.7 XRD pattern of sample B7

4 热焖钢渣添加量对水泥强度的影响

从图8 中可以看出随着热焖钢渣添加量的增加，试样的单轴抗压强度呈下降趋势，但不同龄期的试样强度下降幅度不同。当钢渣添加量为10%时，3、7、28、180 d 龄期试样的抗压强度分别为是纯水泥试样抗压强度的98%、96%、93%、89%。当钢渣添加量为20%时，3、7、28、180 d 龄期试样的抗压强度分别为是纯水泥试样抗压强度的84%、80%、91%、87%。当钢渣添加量为30%时，3、7、28、180 d 龄期试样的抗压强度分别为是纯水泥试样抗压强度的69%、61%、71%、82%。从中可以看出钢渣掺量在20%以内时，其胶砂强度下降缓慢。为保证水泥有较高的强度，建议钢渣的添加量在20%以内。