游书升 杨林 李从号

钢渣是冶金工业中产生的废渣，其产生率为粗钢产量的8%～15%，2020年，中钢协统计的会员生产企业钢渣产生量约为8668.70万吨，同比增长3.38%，我国每年产生近亿吨钢渣，但有效利用率不到30% 。国内钢铁企业产生的钢渣不能及时处理，致使钢渣的堆放占用大量土地，而且钢渣中化学物质的挥发和渗透会污染周边的空气和河流。合理利用钢渣不仅能变废为宝，同时可保护环境，因此钢渣的资源化利用具有重大意义。

钢渣与水泥熟料有类似的矿物组成和化学成分，钢渣矿物组成以硅酸三钙为主，其次是硅酸二钙、RO相、铁酸二钙和游离氧化钙，是一种具有潜在活性的胶凝材料。近些年有不少研究表明，钢渣粉作为一种掺合料应用于水泥制品中是可行的。传统的干混砂浆使用的胶凝材料主要是水泥和煤灰，优质粉煤灰越来越少且价格昂贵，如果用钢渣粉替代粉煤灰，对于降低成本和节能减排都有重要的意义。为此，进行了磨细钢渣粉应用于干混砂浆的研究。

一、原材料与试验方法

1.原材料

水泥：大冶尖峰P·O42.5水泥，水泥相关质量及技术指标见表1；

表1 水泥相关质量及技术指标

粉煤灰：武汉华电粉煤灰开发公司，Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰相关质量及技术指标见表2；

表2 粉煤灰相关质量及技术指标

钢渣粉：鄂州融航新型建材有限公司生产的磨细热闷钢渣粉，化学成分见表3，钢渣粉相关质量及技术指标见表4；

表3 钢渣粉化学分析（%）

表4 钢渣粉相关质量及技术指标

砂：中砂，细度模数2.5；

标准砂：厦门ISO标准砂；

砂浆稠化剂：武汉奥特龙建筑材料有限公司生产的TL-4型砂浆外加剂，堆积密度468 kg/m3，固含量98%，细度（0.08mm筛通过率）为96%；

2.试验方法

钢渣微粉活性检测参照GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》进行，砂浆的配合比按JGJ-2000《砌筑砂浆的配合比设计规程》设计，胶砂试件的制备、养护、抗压和抗折强度的测试参照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法》进行，砂浆拌和时的用水量按稠度进行控制，砂浆力学及工作性能的测试参照 JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。

二、实验及结果讨论

1.钢渣粉和粉煤灰活性对比试验

习惯思维上一般认为钢渣与粉煤灰、矿渣等工业废渣相比，其矿物晶体生产发育较大，晶格稳定，因此其活性相对较低。为此本文选用热闷法工艺处理的钢渣，该方法处理的钢渣具有稳定性好，活性高等特点，将钢渣再经过三级粉磨制成钢渣微粉，提高钢渣粉的比表面积和颗粒分布均匀性，进一步激发其反应活性。为了验证钢渣粉取代粉煤灰的可行性，分别进行钢渣粉和粉煤灰的需水量试验和胶砂强度试验对比，实验数据如下表5和表6所示：

表5 掺钢渣粉和粉煤灰的胶砂流动度

表6 掺钢渣粉和粉煤灰的胶砂强度

从表5中可以看出，在胶砂达到同样流动度时，钢渣粉需水量比小于粉煤灰的胶砂，说明钢渣粉能在一定程度上提高胶砂的流动性。

从表6中数据可以看出，用钢渣粉和粉煤灰分别取代30%的水泥，在7d龄期时，掺粉煤灰的胶砂强度略高于掺钢渣粉的胶砂强度，28d龄期时，掺钢渣粉的胶砂强度高于掺粉煤灰的胶砂强度，同时28d龄期时钢渣粉的胶砂强度达到基准的79.2%，说明该钢渣粉后期具有较高的水化反应活性。

综合表5和表6分析得出，钢渣粉的需水量比小于粉煤灰，28d强度活性指数高于粉煤灰，可以用于取代粉煤灰。

2.掺钢渣粉的砂浆试验

实验中固定水胶比、胶砂比、胶凝材料用量及掺合料的用量，掺合料占胶凝材料用量的1/3，调整钢渣粉在掺合料中的比例，分别为0%、25%、50%、75%、100%，以M5的砂浆为例，设计的配比如下表所示：

由表7可知，钢渣粉的加入对于砂浆的出机初始稠度t0h影响不大，随着钢渣粉在掺合料中比例的增加，2h后稠度t2h逐渐变大，2h稠度损失率减小，说明钢渣粉的加入有利于减小砂浆的稠度损失，改善砂浆的工作性能。随着钢渣粉在掺合料中比例的增加，砂浆的保水率逐步提高，这主要与钢渣粉的表面形态、颗粒分布及水化活性等有关，钢渣微粉经过多级粉磨后，比表面积增大，粉磨中的能量一部分转化为新生颗粒的内能和表面能，同时晶体的键能也发生变化，晶格能迅速减小，在晶格能损失的位置产生晶格错位、缺陷及重结晶等，在表面形成易溶于水的非晶态结构，使钢渣与水接触面积增大，同时钢渣粉中细小颗粒对中断砂浆基体中泌水通道和提高砂浆粘聚性有一定的作用，从而在一定程度上提高了砂浆的保水性能。

表7 不同粉煤灰、钢渣粉比例干混砂浆的配合比及性能

钢渣粉在掺合料中的比例对砂浆抗压强度影响见图1，对砂浆水养自由膨胀率及干养自由收缩率见图2。

图1 钢渣粉在掺合料中的比例对砂浆强度的影响

图2 钢渣粉对砂浆变形性能的影响

由图1可知，随钢渣粉掺量的增加，7d龄期砂浆的抗压强度表现出逐步降低的趋势，28d龄期砂浆抗压强度先增大后降低，在掺量为掺合料总量75%时强度达到最大，这是由于粉煤灰早期水化活性略高于钢渣粉，所以早期随着钢渣粉掺量增加抗压强度有下降趋势，同时由于钢渣粉的SiO2、Al2O3含量较低，而煤灰却很高，两者可以起到互补作用，同时钢渣经过闷渣和磨细活化处理后，钢渣中f-CaO生成Ca(OH)2，钢渣微粉与水发生溶解时，结构内部Ca(OH)2释放出大量OH-、Ca2+离子，PH值不断升高，对粉煤灰进行激发，粉煤灰中玻璃态硅氧结构加快溶解，溶解的各形态的硅酸离子和铝氧离子和钢渣粉溶解的OH-、Ca2+生成CSH和CAH凝胶，填充网络结构中，钢渣粉和粉煤灰的水化反应相互促进使结构致密产生强度,这种相互促进作用在钢渣粉掺量为掺合料总量75%时达到最大。当掺合料完全为钢渣粉时，这种促进水化的作用就会减慢，因此28d抗压强度会比和煤灰混掺的要低，但仍高于全部掺煤灰的砂浆强度。

砂浆试块成型后标样7d脱模，分别进行水养和干养护，测试其自由长度变化率。由图2（a）中可知，随着钢渣粉在掺合料中比例增大，砂浆在水中自由膨胀率逐渐增大，这是由于钢渣微粉中的f-CaO的在水中溶解生成Ca(OH)2，并在CaO表面堆积，同时Ca(OH)2形成结晶，固相体积增大，产生体积微膨胀。28d膨胀未对试块造成破坏，试块表面完好。由图2（b）中可知，随着钢渣粉在掺合料中比例增大，砂浆的自由干缩逐渐减小，这是由于早期钢渣粉产生的体积微膨胀会补偿一部分收缩，随着试块内部水化反应进行，水分被消耗的同时水分向表面迁移，干燥收缩进一步增加，全部掺粉煤灰的砂浆试块收缩进一步加大，28d干缩率为8.57×10-4，而当钢渣粉在掺合料中比例≥50%时，在龄期为21d时体积基本稳定。由此可见，钢渣粉的掺入有利于减小砂浆的干燥收缩。

3.总结分析

综合以上分析可以看出，钢渣粉可以取代粉煤灰。钢渣粉早期水化活性略低于粉煤灰，28d强度活性指数高于粉煤灰。钢渣粉的加入可以降低砂浆2h稠度损失，提高砂浆的保水率。在掺合料占胶凝材料比例为1/3时，随钢渣粉掺量增加，7d强度逐步下降，28d强度逐步增加，钢渣粉后期水化活性高于粉煤灰，当钢渣粉掺量为掺合料的75%时，钢渣粉和粉煤灰的水化反应互相促进效果最佳，砂浆强度最高。随着钢渣粉在掺合料中比例的增加，砂浆的干缩率逐渐降低，湿养护自由膨胀率增加，掺钢渣粉在一定程度上可以降低砂浆的干燥收缩，同时早期养护对砂浆收缩有一定的改善，降低砂浆因干燥收缩而开裂的风险。

三、结论

1.钢渣粉7d强度活性指数略低于粉煤灰，28d活性高于粉煤灰，可以取代粉煤灰。

2.钢渣粉作为掺合料应用于干混砂浆中，可以改善砂浆2h稠度损失，提高砂浆的保水率。

3.在砂浆中掺合料总量为30%时，随钢渣粉在掺合料中比例的提高，砂浆7d强度逐步降低，28d强度逐步增加，钢渣粉占掺合料的75%时，钢渣粉与粉煤灰水化作用达到最佳，此时砂浆强度最高。

4.钢渣粉应用于干混砂浆中可以降低其干燥收缩，注重砂浆的养护可以降低收缩开裂风险。