何玉鑫，諸華軍，華蘇東，萬建東

鋼渣水泥抹面砂漿性能研究

何玉鑫1，諸華軍2，華蘇東3，萬建東1

本文研究了鋼渣、礦渣、石膏和粉煤灰對鋼渣水泥抹面砂漿性能的影響。結(jié)果表明：鋼渣水泥復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著鋼渣摻量的增加而呈減小的趨勢；礦渣（20%）復(fù)配改性鋼渣水泥復(fù)合材料，28d最佳抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度（49.2MPa和6.8MPa）分別較未摻礦渣的提高了3.3%和16.2%；當(dāng)脫硫石膏摻量在3%時(shí)，可提高鋼渣-水泥-礦渣力學(xué)性能；當(dāng)增塑劑摻量控制在0.4%，水泥抹灰砂漿施工性能較好，砂率在1：4時(shí)，鋼渣水泥抹灰砂漿28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到13.5MPa（滿足M10等級(jí)要求），當(dāng)砂率為1：5時(shí)，鋼渣水泥抹灰砂漿28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到7.5MPa（滿足M5等級(jí)要求）。

鋼渣；砂漿；性能

鋼渣是煉鋼過程中的副產(chǎn)物，占鋼產(chǎn)量的10%～15%。由于鋼渣活性低、易磨性差和安定性不穩(wěn)定等原因制約了其在建筑領(lǐng)域的運(yùn)用，以致其占用了大量土地，且污染了環(huán)境。目前鋼渣水泥復(fù)合材料的性能研究已成為熱點(diǎn)，尚建麗等［1］發(fā)現(xiàn)鋼渣由于自身水化留下孔洞與鋼渣中惰性相、水泥熟料水化產(chǎn)物粘結(jié)疏松導(dǎo)致其體積膨脹，從而影響體系穩(wěn)定性；張?jiān)粕彽龋?］指出鋼渣的摻入有助于提高漿體的水化速率和密實(shí)度；李輝等［3］發(fā)現(xiàn)10%鋼渣和30%礦渣復(fù)摻，可發(fā)揮填充效應(yīng)和互補(bǔ)效應(yīng)，使其孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于單摻或不摻鋼渣的水泥。本文主要利用鋼渣自身水化產(chǎn)生Ca（OH）2，在石膏激發(fā)作用下可代替水泥熟料激發(fā)礦渣，發(fā)生二次火山灰反應(yīng)，提高體系的力學(xué)性能和體積安定性，以期更好地促進(jìn)鋼渣在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

1　原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

海螺425水泥（南京）；鋼渣（上海梅山鋼鐵股份有限公司）；Ⅱ級(jí)粉煤灰（南京）；礦渣（南京）；脫硫石膏（江蘇省一夫新材料科技有效公司）。五種原材料化學(xué)組分見表1，粒徑分布見表2。

表1　四種原材料化學(xué)組分，%

表2　原材料的粒徑分布和比表面積

圖1　鋼渣水化產(chǎn)物

1.2試驗(yàn)方法

將水泥基復(fù)合材料復(fù)配混勻，按照1：3砂率和0.6水灰比攪漿，將其砂漿注入到40mm×40mm×160mm試模中振動(dòng)成型；鋼渣水泥抹面砂漿稠度控制在90～100mm之間，以灰砂比1：4和1：5為基準(zhǔn)砂漿，摻入不同摻量的增塑劑攪漿，將其注入到70.7mm× 70.7mm×70.7mm試模中振動(dòng)成型，在20℃室溫養(yǎng)護(hù)1d后脫模，將脫模后的試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，通過微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)（WHY-5/200）測試不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。利用日本理學(xué)公司Dm ax/RB型X線衍射儀（XRD）測試水泥復(fù)合材料的水化產(chǎn)物。

2　結(jié)果與討論

2.1鋼渣水化產(chǎn)物分析

鋼渣常被稱為“過燒硅酸鹽水泥熟料”，過高的生成溫度造成鋼渣中礦物結(jié)晶相結(jié)晶致密、晶粒較大、膠凝性能較差、水化速度緩慢和早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢。鋼渣經(jīng)過粉磨處理，可適當(dāng)提高在水泥材料中的活性，有利于硅酸二鈣、硅酸三鈣和游離氧化鈣等水化生成水硬性產(chǎn)物，其不同養(yǎng)護(hù)齡期的鋼渣漿體的水化產(chǎn)物見圖1。

由圖1可知，鋼渣中Ca（OH）2衍射峰隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長逐漸增加（即Ca（OH）2含量增加）；水硬性產(chǎn)物中（C2S、C3S和AFt）衍射峰隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長逐漸減少，但減少量不顯著?？梢?，鋼渣摻入到水泥基復(fù)合材料中可以減少成本，而且有利于環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)鋼渣的廢物利用。

2.2鋼渣對水泥砂漿性能的影響

用鋼渣替代部分水泥制備砂漿，可有效降低砂漿生產(chǎn)成本，且鋼渣中含有較多fCaO、fMgO以及鐵相和RO固溶相物質(zhì)，在水化過程中會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹，可補(bǔ)償砂漿硬化過程中的體積收縮，有助于降低其易開裂性。但鋼渣中的RO相和游離CaO被認(rèn)為是鋼渣安定性的主要因素，其摻量在30%以內(nèi)，通過壓蒸法測試鋼渣安定性為合格，鋼渣對水泥砂漿力學(xué)性能的影響見圖2。

由圖2可知，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著鋼渣摻量的增加而呈減小的趨勢，當(dāng)摻量在10%時(shí)，28d強(qiáng)度下降的幅度較小，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別較未摻鋼渣的降低了1.3%和24.6%。這主要是由于水泥和鋼渣只是通過改變彼此的水化環(huán)境來影響彼此的水化，鋼渣對水泥早期的水化有延緩作用，對后期水化有促進(jìn)作用；鋼渣代替水泥熟料，使體系需水量降低和膠凝性水化產(chǎn)物量減少，導(dǎo)致硬化體空隙率高［4-6］。本文從力學(xué)性能、安定性和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，基本確定鋼渣摻量在20%。

2.3礦渣對水泥-鋼渣復(fù)合材料性能的影響

礦渣作為摻合料用于砂漿中，能改善拌合物的和易性，但摻量過多易出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。本文將礦渣作為抹灰砂漿摻合料，利用鋼渣自身水化產(chǎn)生Ca（OH）2有效激發(fā)礦渣，產(chǎn)生二次火山灰反應(yīng)，提高體系力學(xué)性能，其礦渣對水泥-鋼渣復(fù)合材料力學(xué)性能的影響見圖3。

圖2　鋼渣對水泥砂漿性能的影響（砂率1：3）

圖3　礦渣對鋼渣-水泥復(fù)合材料力學(xué)性能的影響（砂率1：3）

由圖3可知，水泥-鋼渣復(fù)合材料3d力學(xué)性能隨著礦渣摻量增加呈減少的趨勢，28d力學(xué)性能隨著礦渣摻量的增加呈先增加后減少的趨勢，當(dāng)?shù)V渣摻量在20%時(shí)，28d最佳抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度（49.2MPa和6.8MPa）分別較未摻礦渣的提高了3.3%和16.2%。這主要是由于鋼渣自身水化過程中會(huì)產(chǎn)生大量的Ca（OH）2，可彌補(bǔ)替代水泥熟料時(shí)減少的Ca（OH）2含量，Ca（OH）2可激發(fā)礦渣中SiO2和Al2O3的活性，生成更多的水硬性產(chǎn)物，提高體系的力學(xué)性能。

2.4脫硫石膏對水泥-鋼渣-礦渣力學(xué)性能的影響

脫硫石膏的摻入有利于提高砂漿的保水性能［7］，且作為SO42-主要來源，促進(jìn)水泥、鋼渣與礦渣的水化，加快二次火山灰反應(yīng)，提高體系的力學(xué)性能，有利于資源的循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)。脫硫石膏對水泥-鋼渣-礦渣力學(xué)性能的影響見圖4。

由圖4可知，適量脫硫石膏可以提高水泥-鋼渣-礦渣力學(xué)性能，石膏摻量過多，促進(jìn)水泥水化和鋼渣水化生成較多的AFt，易造成鋼渣水泥砂漿后期體積不穩(wěn)定，力學(xué)性能有所降低。當(dāng)石膏摻量在3%時(shí)，3d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別較未摻石膏的提高了16.7%和12.5%，28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別較未摻石膏的提高了4.3%和5.6%。

2.5粉煤灰對鋼渣水泥砂漿性能的影響

粉煤灰中光滑玻璃微珠在砂漿中起到潤滑、滾珠作用，粒子表面吸附出現(xiàn)雙電子層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了潤滑的作用，可有效改善砂漿的流動(dòng)性、和易性和保水性，減輕礦渣和鋼渣摻入導(dǎo)致砂漿泌水的后果。同時(shí)粉煤灰通過顆粒形態(tài)效應(yīng)、火山灰活化效應(yīng)和微集料效應(yīng)影響水泥干粉砂漿的力學(xué)性能，其不同粉煤灰摻量對水泥干粉砂漿性能的影響見圖5。

由圖5可知，鋼渣水泥砂漿的力學(xué)性能隨著粉煤灰摻量的增加而顯著降低，當(dāng)粉煤灰摻量在30%時(shí)，28d水泥干粉砂漿力學(xué)性能下降幅度變化不大，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度（28.7MPa和6.3MPa）分別較未摻粉煤灰的降低了79.1%和14.3%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中可確定粉煤灰最佳摻量為30%。

圖4　脫硫石膏對鋼渣-水泥-礦渣力學(xué)性能的影響（砂率1：3）

圖5　粉煤灰對鋼渣水泥砂漿性能影響（砂率1：3）

2.6增塑劑對鋼渣水泥抹灰砂漿性能的影響

增塑劑可明顯減少拌和用水量，改善砂漿和易性和保水性能，但摻量過多會(huì)導(dǎo)致微氣泡量增加，砂漿力學(xué)性能降低，本文控制水泥砂漿稠度在90～100mm之間，不同增塑劑摻量時(shí)水泥抹灰砂漿的性能見表3。

表3　不同增塑劑摻量時(shí)水泥抹灰砂漿的性能

由表3可知，鋼渣水泥抹灰砂漿稠度控制在90～100mm之間，水泥抹灰砂漿水灰比和保水率隨著增塑劑摻量的增加而增加，分層度控制在10～20mm之間，表明鋼渣水泥抹灰砂漿保水性能較優(yōu)；7d和28d力學(xué)性能隨著增塑劑摻量的增加而降低。當(dāng)增塑劑摻量控制在0.4%，鋼渣水泥抹灰砂漿施工性能較好，砂率在1：4時(shí)，鋼渣水泥抹灰砂漿28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到13.5MPa（滿足M10等級(jí)要求），當(dāng)砂率為1：5時(shí)，鋼渣水泥抹灰砂漿28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到7.5MPa（滿足M5等級(jí)要求）。

3　結(jié)論

（1）水泥-鋼渣復(fù)合材料3d力學(xué)性能隨著礦渣摻量的增加呈減少的趨勢，28d力學(xué)性能隨著礦渣摻量的增加呈先增加后減少的趨勢，當(dāng)?shù)V渣摻量在20%時(shí)，28d最佳抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度（49.2MPa和6.8MPa）分別較未摻礦渣的提高了3.3%和16.2%。

（2）適量脫硫石膏可以提高水泥-鋼渣-礦渣力學(xué)性能，當(dāng)摻量在3%時(shí)，3d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別較未摻提高了16.7%和12.5%，28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別較未摻石膏的提高了4.3%和5.6%。

（3）當(dāng)增塑劑摻量控制在0.4%，水泥抹灰砂漿施工性能較好，砂率在1：4時(shí)，鋼渣水泥抹灰砂漿28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到13.5MPa（滿足M10等級(jí)要求），當(dāng)砂率為1：5時(shí)，鋼渣水泥抹灰砂漿28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到7.5MPa（滿足M5等級(jí)要求）。

［1］尚建麗，張凱峰.鋼渣-水泥熟料-石膏膠凝體系穩(wěn)定性的研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2011，30（6）：1282-1286.

［2］張?jiān)粕?，史美倫，陳志遠(yuǎn).鋼渣摻合料對水泥基材料滲流結(jié)構(gòu)的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2005，8（3）：316-320.

［3］李輝，邱楊，宋強(qiáng).鋼渣礦渣水泥孔結(jié)構(gòu)對水泥強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2010，（4）：45-47.

［4］王強(qiáng)，閻培渝.鋼渣水化產(chǎn)物的特性［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010，38（9）：1731-1734.

［5］王強(qiáng)，閻培渝，韓松.等鋼渣在復(fù)合膠凝材料的水化過程中對水泥水化的影響［J］.中國科學(xué)，2011，41（2）：170-176.

［6］王強(qiáng)，閻培渝.大摻量鋼渣復(fù)合膠凝材料早期水化性能和漿體結(jié)構(gòu)［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36（10）：1046-1411.

［7］汪永和，續(xù)榮貴，馮春花.摻合料對干粉砂漿性能的影響［J］.非金屬礦，2013，36（2）：48-50.

Study on the Properties of the Steel Slag-cement Surfafce Mortar

HE Yu-xin1,ZHU Hua-jun2,HUA Su-dong3,WAN Jian-dong1

（1.Jiangsu Yi Fu New Material Technology Co.,Ltd.,Nanjing 211178 2.School of Material Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051 3.School of material science and engineering,Nanjing Univesity of Technology,Nanjing 210009）

This paper studied the effects of steel slag,slag,desulfurization gypsum and fly ash on properties of mortar.The results showed that the compressive strength and flexural strength of steel slag-cement composite material declined with the increasing of steel slag.The 28d compressive strength and flexural strength of steel slag-cement composite material with 20 wt.%slag is 49.2MPa and 6.8MPa respectively,which increased by 3.3%and 16.2%compared with that without slag.Mechanical properties of steel slag-cement-slag composite material could be improved when the content of desulfurization gypsum was 3wt.%.When the content of plasticizer was 0.4wt.%,the workability of cement mortar was good.In addition,the 28d compressive strength of steel cement mortar reached to13.5MPa（meeting the requirements of M10）when the sand ratio was 1：4.Besides,the 28d compressive strength of steel cement mortar reached to 7.5MPa（meeting the requirements of M5）when the sand ratio was 1：5.

steel slag；mortar；properties

TQ172.44

A

1001-6171（2015）01-0032-05

通訊地址：1江蘇省一夫新材料科技有限公司，江蘇南京211178；2鹽城工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇鹽城224051；3南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009；

2014-05-26；編輯：趙蓮