钢渣粉在水泥混凝土中的应用研究

钢渣微粉在水泥混凝土中的应用研究

摘要：钢渣粉作为混凝土的活性掺合料可以改善混凝土的工作性能。本文综述了钢渣微粉的组成及其特性，揭示了其水硬活性和活化措施，包括机械活化、化学活化、热力学活化及相分离活化等，并分析了钢渣微粉对混凝土的性能影响。

关键词：钢渣粉活化混凝土

The research in the application of the steel slag powder

in the concrete

Abstract：The workability of the concrete can be improved by the application of the steel slag powder used as reactive additive. The component and properties were introduced and the mechanism of the concrete hydration with steel slag powder was revealed. The methods, which can activate the steel slag powder, including mechanical activation, chemical, thermodynamics and phrase disengagement methods was introduced and the effect of the steel slag powder on the properties of the concrete was analyzed.

Keyword：steel slag powder activation concrete

前言

我国钢铁产业每年排放大量的固体废渣，其中钢渣的排放量达到近亿t。大量钢渣的存放不仅占用土地，还会污染周围的环境。对于水泥混凝土行业，我国的水泥产量居世界之首[1-2]。随着城市建设的不断发展，现代工程建筑对混凝土性能和质量的要求不断提高，化学外加剂在混凝土工程中得到普遍应用后，活性矿物掺合料日益引起混凝土工程界的广发关注。其中，硅灰，粉煤灰等矿物掺合

料在混凝土中的应用，可大幅度的提高混凝土的性能。但普遍使用的硅灰、粉煤

灰等已出现了货源短缺及价格上涨等现象，较大程度限制了混凝土产业发展[3]。

将钢渣粉作为混凝土的活性矿物掺合料，由于钢渣微粉的比表面积大，活性

好，可与熟料粉混合配制水泥，同时可以作为外加剂替代水泥直接掺入混凝土中，

生产性能优越的高性能混凝土，降低水泥和混凝土的成本，为制备绿色高性能混

凝土提供了一条有效地途径，实现钢渣资源化合高价值化的综合利用。充分利用

钢渣是实施循环经济，降低成本、节约资源、实现国家宏观资源调配以及经济可

持续发展的有效途径[4]。

1、钢渣粉的化学成分及特性

1.1 钢渣粉的化学成分

表1 钢渣的化学成分

组

分

CaO SiO2Al2O3FeO Fe2O3MgO MnO P2O5

含量40%~50

%

12%~18

%

2%~5% 7%~10% 5%~20% 4%~10%

1%~2.5

%

1%~4% 钢渣粉的化学成分以CaO和SiO2为主，其余为Al2O3、MgO、FeO和Fe2O3

等组分。另外，还有少量的S、P和游离CaO、MgO等，这些二价离子的游离金属氧化物以RO相表示，常以固溶体形式出现。以化学成分而言，钢渣粉和水泥熟料有些相似，只是氧化物含量差别较大[5]。

1.2 钢渣粉的特性

将钢渣经机械磨细后，可以改变原先的晶体结构，增加颗粒表面的活化能，可以充当水泥或水泥混凝土的活性材料。另外，钢渣粉具有较好的流动性、耐久性、体积稳定性和抗碱骨料反应，混凝土中掺加钢渣粉后可提高混凝土的和易性，消除碱骨料反应[6]。

2、钢渣微粉的水硬活性及活化措施

钢渣的胶凝活性来源于其含有的硅酸盐、铝酸盐及铁铝酸盐矿物，其中所含的硅酸二钙C2S、硅酸三钙C3S对强度的贡献最大。钢渣中的主要矿物相RO相没有胶凝性，而且吸收氧化钙，使钢渣中的硅酸三钙减少。虽然钢渣的化学成分

与水泥熟料相似，但它的生成温度比硅酸盐熟料高了很多，其矿物结晶致密、晶粒较大，水化速度缓慢，只是一种具有潜在活性的胶结材料；且钢渣中含有大量的CaO、MgO成分，控制不当极易造成安定性不良的后果[7]。另外，钢渣粉中虽然含有少量C3S、C2S和铁铝酸盐，使其具有胶凝性，但其含量比水泥熟料少，且矿物晶体发育较大较完整，造成了其活性较低。因此将钢渣用于水泥和混凝土中必须对其活性进行激发。

2.1 机械方法

钢渣粉磨得越细，活性越高。如果把钢渣磨成微粉，使其比表面积达到300~400m3/kg时，就具有非常高的活性，可作为一种高活性混合材料来使用[8]。

钢渣微粉的“微细化程度”对其在混凝土中的水化性能以及微集料性能起相当作用。钢渣粉磨得越细，活性越高。磨细的钢渣粉与水泥有很好的适应性，20%以内取代水泥可提高硬化混凝土的强度、可泵性及综合耐久性能。

利用机械方法提高钢渣的细度可以激发其潜在活性。磨细步骤增大了钢渣中矿物与水的接触面积，提高了矿物与水的作用力，使钢渣结构结晶度下降而减少晶体的结合键，从而使水分子容易进入矿物内部，加速水化反应[9]。

2.2 热力学方法

钢渣微粉的热力学方法主要以蒸汽、焙烧、水热作为热力激发手段。高温高湿的水蒸气使钢渣板块产生热应力，同时钢渣中的RO相CaO包裹体和f-CaO 消解产生膨胀应力，使渣块迅速地裂解成碎块，最终成为钢渣微细粉，从而提高其活性[10. 11]。其中，最典型的一种具体操作方法是闷渣法，也即在红热钢渣上均匀适量洒水，促使其粉化。

2.3 化学方法

化学激发方法主要有碱性和酸性两类。其主要机理是通过改变矿物形成过程来激发钢渣的活性。碱性激发剂有石膏、熟料、石灰和碱金属的硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氢氧化物等。在这些物质的作用下，钢渣玻璃态结构迅速解离，硅氧及铝氧离子团溶出，产生大量的沸石类水化产物，使结构不断致密，强度显著提高。酸性激发剂包括硝酸、硫酸、甲酸等。采用酸性激发剂能激发钢渣的早期活性，这主要是由于在早期水化体系是一个碱性动态平衡体系，加入适量的酸性物质，