摘要：本文在混凝土中分别单掺钢渣微粉；复掺钢渣微粉、粉煤灰；三掺钢渣微粉、粉煤灰、矿渣微粉，研究其对混凝土工作性能、力学性能及其对水泥水化的影响，实验确定了钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰用做混凝土掺合料的最佳掺量和配比：单掺钢渣微粉，其掺量不宜超过15%；钢渣微粉与粉煤灰具有很好的“互补效应”，当两者在胶凝材料中的总掺量达到40%时，仍能表现出较好的后期强度；钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰三元复掺，适宜总掺量为40%，适宜比例为钢渣微粉：矿渣微粉：粉煤灰=1:2:1。
随着我国工业的发展，工业废渣(钢渣微粉、矿渣、粉煤灰等)排放量逐年增加，大量弃置堆积的工业废渣侵占农田、阻塞河流、污染环境等。因此，工业废渣的再利用已成为国内外研究的重要课题之一。
1 前言
钢渣是炼钢时产生的工业废渣，其排放量约占钢产量的20%左右。我国年钢产量在2亿吨左右，钢渣的年排放量达到了1600万吨以上，但其利用率只有约10%，主要被用做筑路材料、回填料，是一种低附加值的利用模式[1]。钢渣主要有钙、硅、铁、镁及少量的铝、锰、磷等元素[2-5]。钢渣主要来源于：金属炉料中各元素反应后生成的氧化物和硫化物，被侵蚀的炉衬及炉补材料以及金属炉料带入的杂质，如泥沙等。钢渣的化学组成并不是固定不变，而是与原材料、生产工艺、设备及处理工艺等因素有关[6]。
2 实验原材料
（1）水泥：实验用水泥产自山东鲁碧水泥厂的P·O 42.5水泥，性能见表1：
表1 水泥性能
比表面积
（m2/Kg） |
初凝
（min） |
终凝
（min） |
抗压强度/Mpa |
抗折强度/Mpa |
| 3d |
28d |
3d |
28d |
| 320 |
140 |
185 |
22.2 |
47.0 |
4.6 |
8.45 |
（2）钢渣微粉：本实验用日钢钢渣微粉，其性能见表2：
表2 日照钢渣微粉性能
| 项目 |
比表面积（m2/kg） |
密度（g/cm3) |
含水量（%） |
SO3含量（%） |
流动度比（%） |
安定性
|
| 钢渣 |
450 |
3.76 |
0.1 |
0.15 |
95 |
合格 |
（3）矿渣：日钢矿渣粉，其性能见表3：
表3 矿渣粉性能
比表面积
（m2/Kg） |
活性指数 |
流动度比
（%） |
密度
（g/cm3） |
| 7d（%） |
28d（%） |
| 430 |
87 |
110 |
102 |
2.9 |
（4）粉煤灰：产自潍坊北洛电厂，性质见表4：
表4 粉煤灰性质
细度（45um）
(%) |
需水量比
(%) |
烧失量
( %) |
含水量
(%) |
安定
性 |
三氧化硫
(%) |
28d活性指数(%) |
| 15.4 |
96 |
6.1 |
0.8 |
合格 |
0.8 |
80 |
3 实验方法
试验固定水胶比为0.4，砂率为0.43，胶凝材料为400kg/m3，高效减水剂掺量为2.5%。实验分别改变单掺钢渣微粉（配合比见表5）；二元复掺钢渣微粉、粉煤灰（配合比见表6）；三元复掺钢渣微粉、粉煤灰、矿渣（配合比见表7）。
分别测试其初始塌落度；7d、28d抗压强度；同时对其7d、28d试样进行XDR、SEM微观分析，研究其对水泥混凝土体系的影响。
表5 单掺钢渣微粉混凝土配合比
| 编
号
|
水胶比
W/B |
水泥掺量（%） |
钢渣掺量（%） |
初始塌度（mm） |
|
| |
| G0 |
0.40 |
100 |
0 |
160 |
|
| G40 |
0.40 |
60 |
40 |
213 |
|
| G35 |
0.40 |
65 |
35 |
205 |
|
| G30 |
0.40 |
70 |
30 |
195 |
|
| G25 |
0.40 |
75 |
25 |
189 |
|
| G20 |
0.40 |
80 |
20 |
180 |
|
| G15 |
0.40 |
85 |
15 |
171 |
|
| G10 |
0.40 |
90 |
10 |
163 |
|
| G05 |
0.40 |
95 |
5 |
160 |
|
表6 不同掺量的钢渣微粉-粉煤灰-水泥混凝土的实验配比
| 编
号
|
水胶比 |
水泥掺量（%） |
掺合料掺量（%） |
初始塌落度(mm) |
| 总量（%） |
钢渣（%） |
粉煤灰（%） |
| C20 |
0.40 |
60 |
40 |
20 |
20 |
202 |
| C15 |
15 |
25 |
193 |
| C10 |
10 |
30 |
182 |
| C05 |
5 |
35 |
171 |
| B20 |
0.40 |
70 |
30 |
20 |
10 |
210 |
| B15 |
15 |
15 |
196 |
| B10 |
10 |
20 |
187 |
| B05 |
5 |
25 |
180 |
| A15 |
0.40 |
80 |
20 |
15 |
5 |
203 |
| A10 |
10 |
10 |
194 |
| A05 |
5 |
15 |
185 |
表7 钢渣微粉、粉煤灰、矿渣微粉三元复掺实验配比
编号 |
比例 |
掺合料（Kg/m3） |
初始塌落度（mm） |
| 总量 |
钢渣 |
矿渣 |
粉煤灰 |
| A20 |
A |
80
(占20%) |
26.67 |
26.67 |
26.67 |
173 |
| B20 |
B |
40 |
20 |
20 |
176 |
| C20 |
C |
20 |
40 |
20 |
180 |
| D20 |
D |
20 |
20 |
40 |
169 |
| A30 |
A |
120
(占30%) |
40 |
40 |
40 |
211 |
| B30 |
B |
60 |
30 |
30 |
215 |
| C30 |
C |
30 |
60 |
30 |
222 |
| D30 |
D |
30 |
30 |
60 |
207 |
| A40 |
A |
160
(占40%) |
53.33 |
53.33 |
53.33 |
218 |
| B40 |
B |
80 |
40 |
40 |
225 |
| C40 |
C |
40 |
80 |
40 |
230 |
| D40 |
D |
40 |
40 |
80 |
210 |
| A50 |
A |
200
(占50%) |
66.67 |
66.67 |
66.67 |
224 |
| B50 |
B |
100 |
50 |
50 |
233 |
| C50 |
C |
50 |
100 |
50 |
240 |
| D50 |
D |
50 |
50 |
100 |
220 |
4 实验结果分析
4.1 单掺钢渣微粉对混凝土性能影响
(1) 单掺钢渣微粉对混凝土塌落度影响
图1 单掺钢渣微粉对混凝土塌落度影响的研究
由图1可知，随着钢渣微粉取代量的增加混凝土初始塌落度有不同程度的增大并且随着钢渣微粉的取代量的增大，混凝土初始塌落度有逐渐增大的趋势。分析原因为钢渣微粉掺入混凝土后，可以在一定的程度上改善混凝上的流动性、粘聚性。在试验的过程中观察发现，掺加了钢渣微粉的新拌混凝土的保水性也比基准混凝土要好。
(2) 单掺钢渣微粉对混凝土抗压强度影响的研究
图2 单掺钢渣微粉对混凝土抗压强度影响的研究 由图2可知，钢渣微粉掺量小于15%时，随着钢渣微粉掺量的增加，7d、28d抗压强度略有增大；钢渣微粉掺量为15%时，7d、28d抗压强度最大；当钢渣微粉掺量超过15%时，7d、28d抗压强度快速减小。
其原因是当钢渣微粉掺量较小(小于15%)时，钢渣混凝土加水配制后，混凝土中的碱性物质以及熟料中C2S、C3S水化形成的Ca(OH)2会激发钢渣微粉，使其产生一定量的钙矾石及 C- S- H 凝胶，增加混凝土试块强度[7]。另外，钢渣微粉起到微集料作用,在一定程度上填充了水泥石中的毛细孔，增加了混凝土的密实性，有利于混凝土强度发展。而当掺量过大(大于15%)时，水泥量相应减少,造成C- S- H凝胶量的减少，从而使混凝土的强度下降。由此可见，15%是钢渣微粉的最佳取代量。
（3）单掺钢渣微粉的胶凝材料水化产物分析
图3 15%钢渣微粉掺量7d胶凝材料水化产物XRD图
图4 15%钢渣微粉掺量28d胶凝材料水化产物XRD图 通过对7 d、28 d水化试样的XRD图（图3、图4）可以看出：钢渣粉部分等量取代水泥后的水化产物的种类与硅酸盐水泥种类基本相似。然而Ca(OH)2 量明显减少，而AFt衍射峰增强。分析原因是: 随着水化反应的进行，熟料矿物中C3S、C2S水化产生的Ca(OH)2 激发钢渣微粉的活性，使其产生一定量的应生成C-S-H凝胶和AFt，Ca(OH)2不断被吸收。
图5 15%钢渣掺量胶凝材料的7d、28d水化产物的SEM照片
图5 为15%钢渣微粉掺量的胶凝材料的7d、28d水化产物的SEM照片。从SEM图可以发现，掺加15%钢渣微粉的胶凝材料的7d、28d水化产物主要为C-S-H凝胶、AFt以及板状Ca(OH)2。C-S-H凝胶、AFt的生成说明混凝土中的C2S、C3S等矿物已经开始水化，生成的C-S-H凝胶、AFt在混凝土试样的缝隙和表面上相互搭接，使结构逐步致密。
4.2 钢渣微粉与粉煤灰复掺对混凝土性能的影响
(1) 钢渣微粉与粉煤灰复掺对混凝土塌落度影响
图6 钢渣微粉与粉煤灰复掺对混凝土塌落度影响的研究 分析A、B、C 三组数据，可知在每组总掺量一定的情况下，每组随着钢渣微粉掺量逐渐增加，粉煤灰掺量逐渐减小，混凝土塌落度逐渐增加，说明钢渣微粉对混凝土工作性能的改善作用要优于粉煤灰；比较A、B、C 三组数据，可知随着总掺量的增加，混凝土塌落度逐渐减小，说明掺合料总量的增加不能明显改善混凝土的工作性能。这是由于粉煤灰含碳量过高，吸水性强，粉煤灰所占比例过高的话会导致实际可用水量增加。
(2) 钢渣微粉与粉煤灰复掺对混凝土抗压强度的影响
图7 钢渣微粉与粉煤灰复掺对混凝土抗压强度影响的研究 由图7可知，在掺合料总量为20%时，钢渣微粉掺量的变化对混凝土7d、28d强度影响不大。当掺合料总量为30%、40%时，随着钢渣微粉掺量的增加混凝土7d、28d强度的影响较大；并且当钢渣微粉掺量占到15%时，混凝土的7d、28d强度达到最大。由图中三组数据的横向对比可知，混凝土7d强度随着掺合料总量的增加而逐渐降低，而三组数据的28d强度相差不大，主要原因是钢渣微粉、粉煤灰的复合在后期对混凝土强度的发展能起到“叠加作用”，水泥对混凝土早期强度起主要作用，粉煤灰的“火山灰效应”主要在后期发挥。钢渣微粉活性较差，其水化作用也主要体现在后期。并且后期水泥水化产生的Ca(OH)2会激发钢渣微粉和粉煤灰的“火山灰效应”，因而两者对于混凝土后期强度的发展起到了互补作用。综上所述可知，当钢渣微粉与粉煤灰复合作为掺合料使用时，钢渣微粉的适宜掺量为15%，且在掺合料总量达到40%时，对后期强度发展影响不是很大。
(3) 钢渣微粉与粉煤灰复掺胶凝材料水化产物分析
图8 编号B15胶凝材料7d水化产物的XRD图
图9 编号B15 胶凝材料28d水化产物的XRD图 通过图8 、图9 可以看出，7 d 的主要衍射峰是 Ca( OH)2、水泥熟料矿物。28d的混凝土试块中C2S、C3S有所降低且Ca( OH)2含量明显降低，说明熟料矿物已经大量水化，形成的Ca( OH)2开始与钢渣微粉、粉煤灰反应[8]。说明了掺有钢渣、粉煤灰的水泥水化还是比较理想的。
图10 B15胶凝材料7d、28d水化产物的SEM照片
由图10可知，掺有钢渣微粉、粉煤灰样品的7d、28d水化产物的SEM照片中可以明显观察到针状Aft晶体、C-S-H凝胶以及Ca( OH)2，水化良好。7d的SEM照片中可以发现粉煤灰颗粒。
4.3 钢渣微粉、粉煤灰、矿渣微粉复掺对混凝土性能影响
(1) 钢渣微粉、粉煤灰、矿渣复掺复掺对混凝土塌落度影响
图11 钢渣微粉、粉煤灰、矿渣微粉三元复掺对混凝土塌落度影响的研究 图11中可看到，随总掺量的增加，混凝土的塌落度也随着增大，说明掺合料总量的增加有益于增大混凝土的塌落度。在每种特定总掺量下，分别A、B、C、D个配比对于混凝土塌落度的改善作用，C（钢渣微粉：矿渣：粉煤灰=1：2:1）组最为明显，其次为B、A、D配比。说明矿渣对于混凝土塌落度的改善作用最佳，其次是钢渣微粉，粉煤灰对于混凝土塌落度的改善作用最差。
(2) 钢渣微粉、粉煤灰、矿渣复掺对混凝土抗压强度影响的研究
图12 钢渣微粉、粉煤灰、矿渣微粉三元复掺对混凝土抗压强度影响 图12 为钢渣微粉、粉煤灰、矿渣微粉三元复掺对混凝土抗压强度影响的研究。随总掺量的增加7d抗压强度逐渐降低；在总掺量低于40%时对28d抗压强度基本无影响，超过40%后抗压强度逐步降低。A、B、C、D四个配比中，C配比（钢渣微粉：矿粉：粉煤灰=1:2:1）的7d、28d强度最高，其次是D、A组。
说明当钢渣微粉、粉煤灰、矿渣微粉三元复合使用时，矿渣微粉、粉煤灰掺入量的增加对于混凝土强度的发展要优于钢渣微粉。原因是矿渣微粉与粉煤灰的主要矿物相为玻璃体，它们含量的增加一方面可以更为合理的颗粒分布对水泥石起到很好的填充作用；另外一方面在碱性激发的作用下生成C-S-H凝胶及水化铝硅酸钙，对混凝土起到增加强度作用[9-10]。钢渣中的主要矿相是C2S、少量玻璃体及活性很低的铁相固溶体，它的活性作用无法替代矿粉。
综上所述，钢渣粉、矿粉、粉煤灰三元复合作为掺合料在混凝土中使用时，适宜总掺量为40%，适宜比例为钢渣粉：矿粉：粉煤灰=1:2:1。
(3) 钢渣微粉、粉煤灰、矿渣复掺胶凝材料水化产物分析
图13 钢渣、矿渣、粉煤灰三掺胶凝材料7d水化产物XRD分析图谱图14 钢渣、矿渣、粉煤灰三掺胶凝材料28d水化产物XRD图谱
对比两图可知，钢渣、矿渣、粉煤灰三掺混凝土试块7d含有较大量的Ca(OH)2 、AFt；28d的XRD图可知：Ca(OH)2含量明显降低，AFt含量增长较大，说明钢渣、矿渣、粉煤灰三掺时水化较理想。
图15 三掺钢渣、粉煤灰、矿粉胶凝材料的7d、28d水化产物的SEM照片
图15为三掺钢渣、粉煤灰、矿粉胶凝材料的7d、28d水化产物的SEM照片。由图可知，钢渣微粉、矿渣微粉与粉煤灰三元复掺的胶凝材料的水化产物中含有一定量的C-S-H凝胶、Aft及Ca(OH)2，而且在混凝土中填充的比较密集。这说明矿物掺合料和熟料中C2S、C3S等矿物已经开始水化。
5 结论
本文分别对单掺钢渣微粉；复掺钢渣微粉、粉煤灰；三元复掺钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰对混凝土的工作性能与力学性能的影响进行了研究，并进行了相应的微观分析，主要结论如下：
（1）用钢渣微粉等量取代水泥来配制混凝土，随着钢渣微粉掺量的增加，混凝土的工作性能逐渐改善。在最佳掺量15%时，混凝土的早期强度低于基准混凝土，但 28d 强度已略高于基准混凝土。
（2）将钢渣微粉、粉煤灰二元复掺配制混凝土,能够发挥不同掺合料间的叠加效应，弥补掺合料单掺引起的性能缺陷。当钢渣粉与粉煤灰复掺时钢渣粉的适宜掺量为15%，且二元总掺量达到40%时，仍能体现出很好的后期强度。
（3）钢渣、矿渣、粉煤灰三元复掺时，随着掺合料总量的增加，混凝土塌落度逐渐增大，说明掺合料量的增加有益于改善混凝土的工作性能。钢渣粉、矿粉、粉煤灰三元复合作为掺合料在混凝土中使用时，适宜总掺量为40%，适宜比例为钢渣粉：矿粉：粉煤灰=1:2:1。
参考文献
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作者：宋凯强 柳东 刘福田
信息来源：混凝土第一视频网
