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鋼渣對(duì)水泥混凝土性能的影響
2015-07-07 發(fā)布者：
一、前言
鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，主要來(lái)自煉鋼時(shí)加入的石灰石、白云石和鐵礦石等冶煉熔劑，為調(diào)整鋼材性質(zhì)而加入的造渣材料，以及高溫下融化成的兩個(gè)互不熔解的液相爐料中分離出來(lái)的雜質(zhì)等，其排放量約為粗鋼產(chǎn)量的12%~20%左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年我國(guó)鋼鐵渣的堆存量約4億噸，占地約2700萬(wàn)m2，新產(chǎn)生的鋼渣約5800萬(wàn)噸；2007年我國(guó)鋼鐵工業(yè)排出鋼渣量達(dá)到了8500萬(wàn)噸，2008年我國(guó)全年鋼渣排放量達(dá)7000余萬(wàn)噸，全國(guó)鋼渣累計(jì)積存量達(dá)到3億多噸。若不對(duì)堆放的鋼渣進(jìn)行及時(shí)有效的處理，不僅占用大量土地資源，還會(huì)造成環(huán)境污染。
目前鋼渣主要應(yīng)用于路基工程、工程回填料和瀝青混凝土集料等，而在水泥混凝土中的應(yīng)用不到其利用總量的10%。近幾年來(lái)，人們主要研究了鋼渣膠凝性的激發(fā)途徑和制備新材料的可行性，但鋼渣對(duì)水泥混凝土力學(xué)性能和耐久性影響的理論研究尚不夠系統(tǒng)和深人，因此，加強(qiáng)這方面的理論研究顯得非常有必要，可以為鋼渣資源化提供知識(shí)基礎(chǔ)，使分布廣、數(shù)量大的鋼渣作為礦物摻合料在水泥混凝土中得到充分應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，在獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也有利于保護(hù)環(huán)境，節(jié)約資源與能源，實(shí)現(xiàn)水泥混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展。
二、鋼渣的性質(zhì)
鋼渣礦物組成主要是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵鋁酸鹽和少量的方鎂石以及游離氧化鈣，鋼渣的化學(xué)成分主要有CaO, SiO3, Fe2O3, MgO，此外還有少量A12O3 , MnO2 , P2O5等?？梢?jiàn)鋼渣礦物化學(xué)組成與硅酸鹽水泥熟料相似。鋼渣經(jīng)化學(xué)激發(fā)和機(jī)械激發(fā)后均具有較強(qiáng)的水硬膠凝性，具備用作水泥混合材和混凝土摻合料的基礎(chǔ)條件。但鋼渣的形成溫度比硅酸鹽水泥熟料高200~300℃，并且在鋼渣緩慢冷卻過(guò)程中C3S大部分發(fā)生分解，因此鋼渣中處于介穩(wěn)態(tài)的C3S所占密度較少，C3S的含量遠(yuǎn)低于水泥熟料。此外，由于鋼渣的冷卻速度很慢，C3S晶格發(fā)生重排，活性較高的β-C2S向活性較低的r-GS轉(zhuǎn)化，這也是鋼渣活性低于水泥熟料的另一個(gè)原因，鋼渣因此也被稱(chēng)為過(guò)燒硅酸鹽水泥熟料。
目前導(dǎo)致鋼渣在水泥混凝土中應(yīng)用受限的主要原因有兩個(gè)：
(1)鋼渣的成分復(fù)雜多變
不同鋼廠(chǎng)，采用煉鋼工藝不同，原料來(lái)源不同，鋼渣的礦物、化學(xué)成分含量存在差異，即使同一鋼廠(chǎng)，不同批次的鋼渣也存在細(xì)微差異。
(2)鋼渣可能存在安定性不良的問(wèn)題
鋼渣中存在的少量游離CaO，在混凝土硬化后緩慢水化生成Ca(OH)2,體積增至1.98倍，部分學(xué)者認(rèn)為這是導(dǎo)致鋼渣安定性不良的重要因索；另外，有研究表明，當(dāng)鋼渣中金屬鐵粒含量在2.2%以上時(shí)，壓蒸試驗(yàn)的安定性不合格，因此鋼渣必須經(jīng)過(guò)磁選。
三、鋼渣摻合料對(duì)混凝土流動(dòng)性及強(qiáng)度的影響
3.1鋼渣摻合料對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響
(1)鋼渣摻量對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響
鋼渣的活性較低，達(dá)到可塑性所需的水量較少，用鋼渣替代部分水泥后，復(fù)合膠凝材料的需水量小于等質(zhì)量純水泥的需水量。因此，在用水量不變的情況下，摻人鋼渣會(huì)增加混凝士的流動(dòng)性。李永鑫等研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比較低時(shí)，摻人鋼渣能夠改善混凝土的流動(dòng)性，且在一定程度上鋼渣摻量越大，效果越明顯。當(dāng)水灰比較高時(shí)，摻人鋼渣也能在一定程度上改善混凝土的流動(dòng)性，但摻量較大時(shí)，混凝土的抗離析能力下降。在鋼渣摻量為15%~25%時(shí)，流動(dòng)性普遍提高，對(duì)提高混凝土的流動(dòng)性有利;但當(dāng)摻量進(jìn)一步增大時(shí)，流動(dòng)度有停滯或倒縮現(xiàn)象。
在混凝土初凝前，由于膠凝材料中的C3S、C2S、C4AF等逐漸水化，隨著時(shí)間的推移，混凝土的流動(dòng)性會(huì)降低。而鋼渣中類(lèi)硅酸鹽水泥熟料的礦物的水化活性低、水化速度慢，因此，用鋼渣替代部分水泥可以在一定程度上抑制新拌混凝土流動(dòng)性的降低。相關(guān)研究結(jié)果表明，相比基準(zhǔn)混凝土，摻鋼渣的混凝土保持流動(dòng)性的能力增強(qiáng)，且鋼渣的摻量越大，混凝土保持流動(dòng)性的能力越強(qiáng)。朱航等研究表明，利用鋼渣做摻合料，可制備初始坍落度大于18cm的混凝土，與基準(zhǔn)混凝土相比，摻加鋼渣的混凝土初始坍落度約大1~2cm。同時(shí)鋼渣降低混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的作用也比較明顯，且鋼渣摻量越大，減小坍落度經(jīng)時(shí)損失的作用越突出?？梢?jiàn)，鋼渣的摻人不僅有利于提高新拌混凝土的流動(dòng)性，還能抑制混凝土的經(jīng)時(shí)坍落度損失。
(2)鋼渣細(xì)度對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響
鋼渣細(xì)度對(duì)混凝土流動(dòng)性存在影響。陳益民等研究表明，隨著鋼渣比表面積的增大，鋼渣改善混凝土流動(dòng)性及減小混凝土流動(dòng)性損失的效果都會(huì)變小。這是因?yàn)殇撛谋缺砻娣e增大，致使鋼渣顆粒被水包裹的需水量增加。同時(shí)，鋼渣中礦物與水的接觸面積增大，使得水分子容易進(jìn)人礦物內(nèi)部加速水化反應(yīng)，提高了鋼渣的活性。
不同細(xì)度鋼渣對(duì)不同等級(jí)混凝土流動(dòng)性的影響不同?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)越高，鋼渣細(xì)度對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響越大。對(duì)于C20~C60混凝土，鋼渣的摻量為膠凝材料用量的20%，比表面積為600m2/kg時(shí)，對(duì)于C20混凝土，1h坍落度經(jīng)時(shí)損失約為2cm，而對(duì)C60混凝土，1h坍落度經(jīng)時(shí)損失則高達(dá)4~5cm。但鋼渣的細(xì)度應(yīng)有一定的限制范圍，過(guò)細(xì)的鋼渣比表面積較大，需水量也相應(yīng)增加。此外，從降低粉磨電耗的角度出發(fā)，也不必將鋼渣磨得過(guò)細(xì)。
3.2鋼渣摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響
鋼渣的摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度有重要影響。在混凝土中用鋼渣替代部分水泥，能使硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)及界面過(guò)渡區(qū)發(fā)生變化。當(dāng)鋼渣摻量< 20%時(shí)，鋼渣對(duì)硬化水泥石漿體強(qiáng)度的影響并不明顯，而鋼渣中的微小顆粒則可以填充漿體中的孔隙及改善過(guò)渡區(qū)，且隨著齡期的增長(zhǎng)，鋼渣中的部分活性成分發(fā)生水化，改善混凝土微結(jié)構(gòu)，從而提高后期強(qiáng)度。但當(dāng)鋼渣摻量較大時(shí)(>20%時(shí))，膠凝材料中的惰性組分較多，在用水量不變的情況下，相當(dāng)于增大了水灰比，因此，盡管鋼渣可以起到一定的填充作用，但由于實(shí)際水灰比過(guò)大，漿體結(jié)構(gòu)的孔隙率很大，造成混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。
已有研究表明鋼渣摻量為10%~20%時(shí)，混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土略有提高；當(dāng)鋼渣摻量為20%時(shí)，混凝土28d和90d抗壓強(qiáng)度接近基準(zhǔn)混凝土；當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí)，隨著鋼渣摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度開(kāi)始呈明顯的下降趨勢(shì)。
此外，隨著鋼渣比表面積的提高，混凝土強(qiáng)度有一定提高。鋼渣摻量為10%時(shí)，摻400m2/kg鋼渣的混凝土強(qiáng)度為44.2MPa，摻600m2/kg鋼渣的混凝土28d強(qiáng)度增至54.4Mpa。
四、鋼渣對(duì)混凝土耐久性的影響
混凝土的耐久性涉及面廣，影響因索多，破壞機(jī)理復(fù)雜，但混凝土材料的耐久性問(wèn)題大多是水、有害液體或氣體向其內(nèi)部侵人造成的。所以，提高混凝土耐久性的關(guān)鍵是增加混凝土材料自身的密實(shí)性和抗開(kāi)裂能力。
4.1鋼渣摻合料對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響
混凝土體積穩(wěn)定性是指混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中，不受外界環(huán)境影響而保持自身體積不變的性質(zhì)。相對(duì)于混凝土的膨脹(主要是熱膨脹)，收縮更易引起混凝土的開(kāi)裂，故實(shí)際工程中人們更加關(guān)心混凝土的收縮?；炷恋氖湛s包括由各種原因引起的收縮，如干縮、碳化收縮、塑性收縮、溫度收縮等。
摻加適量鋼渣可以降低混凝土早期收縮，但對(duì)混凝土后期收縮影響不大。摻鋼渣混凝土硬化早期收縮減小的主要原因有：(1)鋼渣的活性低于硅酸鹽水泥，鋼渣對(duì)水泥的“稀釋作用”，降低了由于水泥水化形成的化學(xué)收縮；(2)鋼渣中含有一定量的CaO、MgO，這些物質(zhì)在水泥水化過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生微量的膨脹，對(duì)混凝土收縮有少許補(bǔ)償作用?；炷了笃冢捎阡撛炷恋目紫堵始翱讖骄陀诨鶞?zhǔn)混凝土，因而由毛細(xì)管失水引起的收縮應(yīng)力相對(duì)較高；同時(shí)也由于含鋼渣混凝土的抗碳化能力相對(duì)較差，較大的碳化收縮也可能增加了后期收縮的總量，故鋼渣混凝土后期收縮相對(duì)較大。已有研究結(jié)果表明：摻加適量鋼渣對(duì)于降低混凝土早期收縮有利，但降低混凝土后期收縮不明顯。
4.2鋼渣摻合料對(duì)混凝土抗凍性能的影響
在有凍融交替環(huán)境中服役的混凝土應(yīng)具有一定的抗凍融循環(huán)能力。楊全兵等研究發(fā)現(xiàn)，在含氣量相近的條件下，摻合料摻量不超過(guò)25%時(shí)，抗凍耐久性指數(shù)DF值與基準(zhǔn)混凝土相差不大；而摻合料用量超過(guò)25%時(shí)，混凝土的DF值有所降低。這是由于摻加摻合料后水泥漿體的孔徑細(xì)化，對(duì)水的阻力增大，毛細(xì)孔的曲折度也增大，使水在氣孔之間流動(dòng)的實(shí)際距離增大，不利于卸除和降低水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹壓。
4.3鋼渣摻合料對(duì)混凝土抗碳化性能的影響
混凝土中摻加鋼渣后碳化深度有不同程度的降低，在碳化前期這種降低并不明顯，而隨著碳化時(shí)間的延續(xù)，摻加摻合料后混凝土的碳化深度有較明顯的降低。當(dāng)碳化時(shí)間達(dá)到180d時(shí)，摻加25%和50%的鋼渣復(fù)合粉的混凝土的碳化深度分別為基準(zhǔn)混凝土的59.8%和71.9%。對(duì)于混凝土抗碳化性能的影響，鋼渣摻合料主要有兩方面的作用：一方面由于水泥用量的減少，水化產(chǎn)生的Ca(OH)2減少，水泥漿體中的堿含量降低，造成其吸收CO2的能力降低，對(duì)抗碳化不利;而另一方面，鋼渣摻合料的活性效應(yīng)有利于混凝土的長(zhǎng)期抗?jié)B性的提高?？傮w而言，隨著齡期的增長(zhǎng)，鋼渣摻合料的水化及填充效應(yīng)，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使其抗氣體滲透能力顯著提高，有利于混凝土抗碳化性能的提高。
4.4鋼渣摻合料對(duì)混凝土抗氯離子滲誘性的影響
氯離子的濃度和擴(kuò)散是影響混凝土中鋼筋銹蝕等問(wèn)題的關(guān)鍵因索，因此常用氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)評(píng)價(jià)混凝土的滲透性?；炷林新入x子滲透性主要決定于孔結(jié)構(gòu)，特別是毛細(xì)孔數(shù)量及其連通程度。礦物摻合料加人混凝土中后，會(huì)對(duì)水泥石結(jié)構(gòu)、混凝土界面結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，從而對(duì)混凝土的滲透性產(chǎn)生影響。
鋼渣能夠提高混凝土抗?jié)B透性能的原因主要有以下4個(gè)方面：(1)鋼渣的水化活性遠(yuǎn)低于水泥，用鋼渣替代部分水泥，相當(dāng)于增大了水泥的實(shí)際水灰比，優(yōu)化了水泥的水化環(huán)境，使水泥水化更加充分；(2)鋼渣的微集料效應(yīng)對(duì)水泥石孔隙和界面結(jié)構(gòu)起到填充作用，改善了混凝土的界面結(jié)構(gòu)，降低了混凝土孔隙率、平均孔徑，提高了密實(shí)性；(3)隨著齡期的增長(zhǎng)，鋼渣活性成分逐漸水化，水化產(chǎn)物填充水泥石的孔隙，也有利于提高密實(shí)性；(4)鋼渣活性成分水化改善了膠凝材料水化產(chǎn)物組成，增加了吸附固化氯離子的水化產(chǎn)物CSH凝膠及水化鋁酸鹽凝膠的數(shù)量。
眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)摻入適量鋼渣可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能。朱航的研究表明，當(dāng)鋼渣摻量低于30%時(shí)，摻鋼渣的混凝土早期的抗氯離子滲透能力低于基準(zhǔn)混凝土，但后期的抗氯離子滲透能力高于基準(zhǔn)混凝土。孫家瑛研究了鋼渣摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透能力的影響，當(dāng)鋼渣摻量低于20%時(shí)，混凝土抗氯離子滲透能力提高；摻量高于20%時(shí)，隨著鋼渣摻量的增大，混凝土抗氯離子滲透的能力降低。呂林女對(duì)用鋼渣配制的C60高性能混凝土的耐久性進(jìn)行了研究，也得到了當(dāng)鋼渣摻量不高20%時(shí)鋼渣能提高混凝土抗氯離子滲透能力的結(jié)果。李永鑫詳細(xì)研究了不同鋼渣摻量配比混凝土7d,28d及90d齡期的相對(duì)氯離子滲透系數(shù)在水化7d齡期，含鋼渣摻合料的水泥石孔隙率大于基準(zhǔn)水泥石，混凝土的氯離子滲透系數(shù)高于基準(zhǔn)混凝土，即其混凝土抗氯離子滲透性能不如基準(zhǔn)混凝土；在水化28d齡期，摻鋼渣粉混凝土的滲透系數(shù)仍高于基準(zhǔn)混凝土，鋼渣摻合料雖仍不能提高混凝土的抗氯離子滲透性能，但相比水化旱期階段而言，含有鋼渣摻合料混凝土的抗氯離子滲透能力有一定幅度的提高；在水化90d齡期，含有鋼渣摻合料混凝土的滲透系數(shù)明顯低于基準(zhǔn)混凝土，說(shuō)明鋼渣摻合料可顯著提高較長(zhǎng)齡期混凝土的抗氯離子滲透能力。
五、結(jié)論與展望
鋼渣的主要化學(xué)組成和礦物組成與硅酸鹽水泥熟料相似，具有潛在膠凝活性?？梢宰鳛樗嗷旌喜幕蚧钚缘V物摻合料部分替代水泥加人混凝土中。當(dāng)水灰比較低時(shí)，摻人一定量鋼渣能夠改善混凝土的流動(dòng)性；適量鋼渣的摻人會(huì)降低混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，但隨著鋼渣水化的進(jìn)行，摻鋼渣的混凝土7d以后的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，至28d時(shí)抗壓強(qiáng)度可與普通混凝土相近；摻人適量鋼渣可以減少混凝土早期的干縮；當(dāng)含氣量相近且鋼渣摻量不大時(shí)，摻鋼渣混凝土抗凍性與基準(zhǔn)混凝土相差不大，而鋼渣用量較大時(shí)，混凝土抗凍性有所降低;摻加鋼渣摻合料混凝土在碳化前期改善效果并不明顯，而隨著碳化時(shí)間的延續(xù)，摻鋼渣混凝土的碳化深度明顯降低；在混凝土中摻適量的鋼渣(一般低于20%),混凝土抗氯離子滲透的能力明顯提高。
鋼渣作為礦物摻合料，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高附加值資源化利用，仍然有幾個(gè)方面亟待深人研究和探索。
(1)鋼渣活性較低，物理激發(fā)能力有限且過(guò)分提高鋼渣的細(xì)度并不經(jīng)濟(jì)；采用化學(xué)激發(fā)劑可在一定程度上激發(fā)鋼渣的活性，但成本較高。不妨考慮利用脫離石膏、脫硫灰等固體廢棄物，采用單摻或復(fù)摻的方式激發(fā)鋼渣的膠凝活性，以期達(dá)到既利用固體廢棄物、節(jié)約成本，又能提高鋼渣活性的目標(biāo)。
(2)鋼渣的水化機(jī)理研究尚處于初級(jí)階段，但其水化特性對(duì)于混凝土的性能又起著至關(guān)重要的作用，因此需要進(jìn)行相關(guān)的研究工作。
(3)鋼渣摻人混凝土中對(duì)膠凝材料的水化過(guò)程和混凝土材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致混凝土宏觀性能發(fā)生變化，繼而影響混凝土的耐久性，因此，仍需系統(tǒng)、深人地研究鋼渣對(duì)混凝土耐久性的影響，特別是鋼渣對(duì)混凝土膠凝體系，以及混凝土骨料與漿體界面區(qū)的影響機(jī)制。
摘自——施惠生、李東峰等論文