钢渣微粉对水泥路用性能的影响研究

马万斌

（内蒙古交通投资（集团）有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010011）

1 引言

作为冶金工业中产生的工业废弃物，钢渣大约占到粗钢产量的12%左右，我国钢渣综合利用率仅为30%左右，钢渣尾渣累计堆存量超过18亿t，占地20多万亩，钢渣的资源化利用成为当前亟待解决的技术问题［1］。国内外诸多学者针对钢渣的综合利用进行了多方面研究和开发。目前对钢渣的利用途径主要有：用于废水治理［2］；作为碱性废渣可以应用于酸性土壤土质改善，其中的氧化钙、氧化镁起到主要作用［3］；碳化钢渣制建筑材料［4］；代替碎石和细骨料应用于道路工程［5-8］；利用粉煤灰和钢渣，可制备以钙、铁灰石为主晶相的微晶玻璃［9］；替代石屑制作混凝土路面砖、混凝土空心砌块［10,11］。除了上述应用，国内诸多学者将钢渣研磨成粉应用于水泥混凝土工程中［12-14］，证实了钢渣粉替代水泥实现钢渣高值化利用的可能性。基于此，本文研究不同钢渣粉掺量对钢渣粉-水泥复合材料路用性能的影响规律，以期为钢渣粉在水泥胶凝体系的深入应用提供一定借鉴。

2 原材料

选用钢渣微粉为包钢钢渣经球磨25min 后过0.075mm 筛后所得，钢渣为经过除铁工艺处理且粒径在4.75 mm 以下的热闷渣，陈化时间超过2a。采用Axios advanced X 射线荧光光谱仪对钢渣微粉试样进行化学成份分析，具体结果见表1。采用TriStarⅡ3020 多通道比表面积及孔径分析仪和Mastersizer 2000 激光粒度仪对其比表面积和粒度进行分析，测试结果见表2。

表1 钢渣微粉化学成分

表2 钢渣微粉比表面积和粒径

3 试验结果与分析

3.1 水化热分析

不同掺量的钢渣微粉对水泥水化热的影响如图1所示，加水5h～20h的矿物水化放热峰里面，纯水泥的放热峰最高，开始最早，结束最晚。随着钢渣粉掺量的增加，矿物水化放热峰峰高降低，开始时间滞后，结束时间提前。可以看出钢渣微粉的水化程度较低，活性成分较水泥少。

图1 钢渣微粉对水泥水化热的影响

3.2 标准稠度需水量

将钢渣粉以不同掺量取代水泥时，由于钢渣粉与水泥存在细度不一致性，使得其各自的工作性能存在较大差异。文章按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346）开展相关性能试验。不同钢渣微粉掺量下，水泥标准稠度需水量变化规律如图2所示。

分析图2 可以看出，随着钢渣微粉掺配比例的提高，钢渣微粉-水泥复合胶结材料的标准稠度用水量不断减小；其中，当钢渣微粉掺配比例达到50%时，钢渣微粉-水泥复合胶结材料的标准稠度仅为0.264。分析主要原因在于，钢渣微粉中含有较多微颗粒，随着钢渣微粉掺配比例的不断增大，微颗粒占比不断增多，而微颗粒在遇水反应时，颗粒发生团聚，导致未水化的微颗粒被包裹在团聚大颗粒内部，进而迫使钢渣微粉水化进程受阻，从而标准稠度用水量逐渐降低［15］。

图2 钢渣微粉对复合胶凝材料标准稠度用水量的影响曲线

3.3 凝结时间

文章按照按《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346）开展凝结时间测试，测试结果如图3所示。

图3 钢渣微粉对复合胶凝材料凝结时间的影响曲线

图3 为钢渣微粉对复合胶凝材料初凝、终凝时间的影响曲线。分析图3可以看出，随着钢渣微粉掺配比例的提高，复合胶凝材料的初凝、终凝时间均呈现不断增大的趋势。分析主要原因在于：钢渣微粉比表面积较大，含有较多微颗粒，遇水反应时，颗粒之间发生团聚效应，导致未水化的微颗粒被包裹在团聚大颗粒内部，进而迫使钢渣微粉水化能力减弱，水化产物形成受阻，凝结时间延长［15］；随着钢渣微粉掺配比例的不断增大，微颗粒含量不断增多，复合胶凝材料凝结时间逐渐延长，但是钢渣微粉掺入水泥之后凝结时间仍然符合规范标准。

3.4 安定性

钢渣微粉应用于水泥胶凝体系过程中面临的关键问题在于安定性方面，而影响钢渣微粉安定性的关键因素在于钢渣中含有一定量的游离氧化钙和氧化镁，二者在发生水化反应后产生体积膨胀，从而影响钢渣微粉的体积安定性［16］。文章按照GB/T1346体积安定性的试饼法检验不同钢渣微粉掺量的钢渣-水泥复合胶凝材料的安定性［17］。钢渣微粉掺量对水泥安定性的影响见表3。

表3 钢渣微粉掺量对水泥安定性的影响

分析表3 可以看出，当掺量低于50%时，安定性检测结果为合格，超过50%后，安定性检测结果为不合格。因此，钢渣微粉掺量要严格控制，不得高于40%。

3.5 砂浆性能

为了研究钢渣微粉掺配比例对水泥胶砂流动度与强度的影响规律，文章按照胶砂比为1∶3，水胶比为0.5拌制胶砂样品，并对胶砂的流动度与3d、7d、28d的抗压强度、抗折强度进行测试，测试结果分别如图4、图5、图6所示。

图4 钢渣微粉对水泥胶砂流动度的影响曲线

图5 钢渣微粉对水泥胶砂抗压强度的影响

图6 钢渣微粉对水泥胶砂抗折压强度的影响

分析图4 可以看出，随着钢渣微粉掺配比例的增加，水泥胶砂的流动度呈现先减小后增大的趋势，当钢渣微粉掺配比例为30%时出现峰值，之后出现显著下降；当掺配比例为50%时，胶砂流动度仅为180mm，表明钢渣微粉掺配比例不宜过高，对于流动度指标而言，30%为最佳掺量。

分析图5、图6可以发现，随着钢渣微粉掺配比例的增加，水泥胶砂的3d 与7d 的抗压强度与抗折强度逐渐降低，降低趋势逐渐趋缓，而28d 的抗压强度与抗折强度均呈现先升高后降低的变化规律，且在钢渣微粉掺配比例为20%时出现峰值，两项强度指标甚至超过纯水泥胶砂，表明钢渣微粉的水化进程在水化初期进展较慢，对胶砂早期强度贡献不足，随着龄期的增长，水化进程不断提速，水化产物不断增多，对胶砂后期强度贡献较大。

4 结语

钢渣微粉的主要成分为SiO2、CaO 和Fe2O3，也有含一定含量的MgO；水化热结果显示钢渣微粉的水化程度较低，活性成分较水泥少；钢渣微粉的掺入降低了标准稠度用水量，延长了水泥凝结时间；在钢渣粉掺量小于40%时，依据试饼法进行检测的钢渣粉-水泥复合材料的安定性结果合格；钢渣微粉掺量为30%时，水泥胶砂流动度出现峰值，钢渣微粉水化进程随着龄期增长而不断提速，对水泥胶砂的强度贡献主要集中在后期。