多固廢耦合水泥制備C30混凝土性能研究
時間：2022-11-16 來源：首鋼技術研究院 楊志強 分享：
中國力求在2030年前和2060年前分別實現碳達峰與碳中和，這是一項重大戰略決策。火力發電的CO?排放量約占全國碳排放的40%，位居行業第一，并且產生大量粉煤灰和脫硫石膏等副產物需要消納；鋼鐵企業的CO?排放量約占全國碳排放的18%，位居行業第二，生產過程中產生大量水渣、鋼渣等固體廢棄物；水泥行業的CO?排放量占全國碳排放總量的13%~14%，位居行業第三。
中國力求在2030年前和2060年前分別實現碳達峰與碳中和，這是一項重大戰略決策。火力發電的CO?排放量約占全國碳排放的40%，位居行業第一，并且產生大量粉煤灰和脫硫石膏等副產物需要消納；鋼鐵企業的CO?排放量約占全國碳排放的18%，位居行業第二，生產過程中產生大量水渣、鋼渣等固體廢棄物；水泥行業的CO?排放量占全國碳排放總量的13%~14%，位居行業第三。
據統計2020年全國粗鋼產量為10.5億噸，每冶煉一噸粗鋼產生0.10~0.15噸的鋼渣，由此計算可知2020年全國產生1.1億~1.5億噸鋼渣，數量如此之大，如不加以合理利用，不僅會占用大量耕地、造成環境污染，而且還是對資源的巨大浪費。鋼渣由于自身存在成分波動大、安定性差、粉磨成本高和活性指數低等問題，其利用率不足 30%。目前關于鋼渣磨細粉用于制備膠凝材料成為了新的研究熱點，該膠凝材料用于混凝土的制備，能夠替代部分水泥用量，不僅節約了天然材料，而且降低了能耗和碳排放，符合國家綠色低碳的發展道路。彭鵬飛等研究了鋼渣、水渣、水泥熟料摻量比為40%、45%和15%時可達到S95級復合礦粉要求；劉軒等發現鋼渣、礦渣和脫硫石膏比例分別為25%、63%和12%時，可制備出28d強度為55.97MPa的無熟料混凝土。徐東等以堿渣30%、礦渣45%、鋼渣15%、脫硫石膏10%的配比作為膠凝材料制備混凝土，28d抗壓強度可達38.33MPa，經分析該膠凝材料中各原料在協同作用下的水化產生C-S-H凝膠、鈣礬石和Friedel鹽，從而獲得膠結強度。李穎等發現礦渣、鋼渣及石膏能夠產生以生成鈣礬石為驅動力的協同作用，主要水化產物是鈣礬石和C-S-H凝膠。但是針對所研發膠凝材料本身物化性能是否符合相應標準和所制備凈漿、膠砂、混凝土等試塊性能系統分析的研究較為鮮見。
本文將鋼渣、水渣和脫硫石膏按質量分數為35:55:10的比例進行復摻混磨，混磨成比表面積為400m2/kg以上的復摻粉作為復合膠凝材料。按照JG/T486《混凝土用復合摻合料》標準對復合膠凝材料進行了系統的性能研究分析；通過凈漿實驗研究了復合膠凝材料與水泥不同比例對標準稠度用水量、初凝和終凝時間的影響；通過復合膠凝材料替代水泥制備C30混凝土實驗，系統的研究了復合膠凝材料對混凝土各齡期的抗壓強度和抗水滲透性的影響。
本實驗制備C30混凝土需要的原料包括國內某大型鋼廠提供的水渣、鋼渣、脫硫石膏制備的復合膠凝材料和國內某攪拌站提供的PO42.5水泥、粉煤灰、建筑砟、砂、水、減水劑，以上原料均符合相關質量標準。通過XRF對復合膠凝材料和粉煤灰樣品進行檢測，復合膠凝材料的主要含有CaO、SiO?、Al?O?、MgO等，粉煤灰主要包含SiO?和Al?O?等。采用激光粒度分析儀對復合膠凝材料進行粒度分布表征，經測定其顆粒組成特征值為：d30=7.79μm、d60=21.71μm、中值粒徑d50=16.24μm。按照GB5085.3《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》國家標準對無機元素及化合物的要求，對復合膠凝材料進行了浸出毒性檢測。從實驗結果來看，復合膠凝材料浸出液中的總鉻、銅、鋅、砷、鉛等元素的含量均遠低于標準值，其余鎳、鎘、汞、無機氟化物、氰化物等元素未檢測到，表明復合膠凝材料符合固體廢物毒性浸出的標準要求。按照JG/T486-2015《混凝土用復合摻合料》標準規定的相關檢測標準，在復合膠凝材料摻量為30%的情況下，對細度、活性指數、三氧化硫含量、安定性、放射性等性能指標進行了系統的性能檢測。本實驗制備C30混凝土進行試驗采用配合比為某攪拌站提供的常用C30混凝土的配合比，每立方混凝土包括水泥240kg、礦粉60kg、粉煤灰80kg、砂850kg、石子991kg、減水劑9.0kg、水170kg。本實驗使用復合膠凝材料取代現有礦渣，并逐步取代水泥進行實驗研究，具體實驗配比方案設計如表4所示。按照實驗配比，將原料進行混料、澆筑、振實等步驟，制備成邊長為100mm的立方體混凝土試塊，在標準條件下養護至3d、7d、14d、28d齡期，按照GB/T50081《混凝土物理力學性能試驗方法標準》的規定進行抗壓強度測試。混凝土抗水滲透性能試件在標準條件下養護27天取出，并擦拭干凈晾干，第28天按照GB/T50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中逐級加壓法進行試驗時抗水滲透性能測試。
通過復合膠凝材料和水泥按不同比例制備混凝土試塊，研究了復合膠凝材料不同替代量下對混凝土試塊的抗壓強度（3d、7d、14d、28d不同齡期）和抗水滲透性的影響。混凝土料漿攪拌、振實成型、養護、強度性能測試和滲水性能測試過程如圖2所示。本試驗所制備混凝土試塊的抗壓強度結果如圖3所示，可以看出，隨著復合膠凝材料替代水泥比例的增加，各齡期的抗壓強度均有所下降。當復合膠凝材料替代礦渣時，各齡期抗壓強度與#1對照組相差不大，是完全可行的。全部用復合膠凝材料作為膠凝材料制備混凝土試塊的3d、7d、14d、28d抗壓強度分別達到水泥對照組各齡期抗壓強度的 30.2%、49.6%、73.5%、78.3%，由此可見，復合膠凝材料早期強度發展緩慢，3d抗壓強度僅達到6.1MPa，但7d抗壓強度為3d抗壓強度的3倍，14d抗壓強度為3d抗壓強度的6倍，此時期強度增長迅速；28d抗壓強度達到43.5MPa，滿足C30混凝土的強度設計要求。摻有水泥時試塊強度較高，這是因為水泥和脫硫石膏對復合膠凝材料能夠起到雙重激發作用。本試驗所制備的混凝土試件，按照逐級加壓法進行抗水滲透性能測試，各配比下混凝土均可達到抗水滲透P8等級以上，能夠滿足一般工程質量要求。本文所制備的復合膠凝材料7天和28天水化產物的掃面電鏡圖片如圖4所示，從圖中來看，水化產物主要是針狀的鈣釩石和絮狀的水化硅酸鈣溶膠，且28天試樣經過進一步水化，鈣釩石生長更完整，結構更加致密，從而提高材料的強度。復合膠凝材料主要包含水渣、鋼渣和脫硫石膏組成，鋼渣微粉和脫硫石膏對具有潛在活性的水渣進行化學激發。鋼渣中的氧化鈣水解產生Ca2+OH-離子，如反應方式（1），提供的堿性環境促進了水渣中玻璃體的分散和溶解，水渣中活性SiO?、Al?O?與Ca(OH)?發生如反應方式（2）和（3）的火山灰反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣；滲入水化產物間的縫隙里繼續發生反應，直到礦渣全部水化。由于復合膠凝材料中含有脫硫石膏起到硫酸鹽激發劑作用，生成的水化鋁酸鈣與硫酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），如反應式（4），生成的鈣釩石覆蓋在未反應顆粒表面，能夠減緩水分子擴散速度，從而起到緩凝作用。隨著養護齡期的增加，大量針棒狀鈣釩石晶體和非晶態的水化硅酸鈣凝膠不斷長大，促使結構更加致密，從而使得混凝土可獲得較高的強度。從經濟效益角度看，在雙碳背景下，水泥生產過程中碳排放量之大、天然原材料限制開采等原因制約了水泥行業的發展，勢必會造成水泥價格直線上升，而復合膠凝材料主要以鋼鐵生產、火力發電等過程產生的鋼渣、水渣和脫硫石膏等工業固廢為原料，成本不足水泥的50%，占據了明顯的優勢。從產品性能角度看，該產品能夠滿足建工行業對混凝土用復合摻合料的相關要求，替代不同比例水泥所制備的混凝土，雖然在抗壓強度方面有所下降，但也均能滿足C30混凝土的質量要求，可應用于道路、地坪、人工魚礁等較多場景，具有廣闊的市場。從環境效益角度考慮，復合膠凝材料的使用減少水泥產量，不僅固廢得到資源化利用，避免了污染環境，而且節約天然原料，同時避免了生產水泥排放CO?。綜上所述，該復合膠凝材料在未來具有廣闊的應用前景，仍需值得注意的是該材料與水泥在凝結時間、早強等方面的差異目前未被施工人員所掌握，制約其大范圍推廣，本文從產品標準要求、凈漿性能、混凝土性能等方面進行了相關研究，為復合膠凝材料的推廣應用提供參考意義。
（1）復合膠凝材料由鋼渣、水渣和脫硫石膏按質量分數為35：55：10的比例制備而成，通過檢測其重金屬等毒性物質含量和性能指標均可達到GB5085.3-2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》和JG/T486-2015《混凝土用復合摻合料》標準中的要求。（2）復合膠凝材料作為復合摻合料具有顯著的緩凝作用，凝結時間的延長和復合膠凝材料的摻入量成正比例相關，混凝土抗壓強度也隨之降低，但各配比下制備得混凝土均可達到C30等級，因此可適當調整復合膠凝材料的摻入比例，滿足不同場景對凝結時間和性能強度的要求。（3）無水泥復合膠凝材料比水泥的凝結時間延長了一倍，所制備的混凝土試塊的 3d、7d、14d、28d抗壓強度分別達到水泥對照組各齡期抗壓強度的30.2%、49.6%、73.5%、78.3%，28d抗壓強度達到43.5MPa，早期強度發展慢，后期強度提升較快；通過研究發現鋼渣微粉和脫硫石膏能夠促進水渣水化，生成鈣釩石和水化硅酸鈣等水化產物，起到良好的膠結作用使得混凝土結構致密，獲得良好的性能。本文以鋼渣、水渣和脫硫石膏等工業固體廢棄物制備復合膠凝材料，成本不足水泥的50%，不僅實現了工業固廢的資源化利用，而且該材料替代水泥能節約天然原料降低成本，避免了水泥生產過程排放CO?，符合碳減排的要求，能為社會帶來巨大的經濟效益和環境效益，因此該復合膠凝材料具有廣闊的市場應用前景。
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