钢渣在水泥混凝土中的应用研究-宏艺要点上课讲义

1、钢渣在水泥混凝土中的应用研究-宏艺要点o 1、钢渣的性质及应用现状、钢渣的性质及应用现状o 2、水泥及混凝土技术传统观念的变革、水泥及混凝土技术传统观念的变革o 3、钢渣作为辅助胶凝材料的试验研究、钢渣作为辅助胶凝材料的试验研究o 4、结语、结语1 1、钢渣的性质及应用现状、钢渣的性质及应用现状过烧水泥熟料过烧水泥熟料熟料：熟料：1450钢渣：钢渣：1650 潜在活性（潜在活性（CaO、SiO2）高高C2S，低，低C3S早期强度低早期强度低后期强度高后期强度高钢渣性质钢渣性质1 1、钢渣的性质及应用现状、钢渣的性质及应用现状 目前钢渣年产生量约目前钢渣年产生量约1亿吨，累积堆存亿吨，累积堆存1

2、0亿吨，综合利亿吨，综合利用率仅用率仅30%。用作水泥混合材用作水泥混合材和混凝土掺合料和混凝土掺合料有利于节能减排有利于节能减排环境效益明显环境效益明显1 1、钢渣的性质及应用现状、钢渣的性质及应用现状 发达国家钢渣总体利用率相当高，已接近发达国家钢渣总体利用率相当高，已接近100%100%；但在水泥；但在水泥及混凝土方面的应用率还相当低。日本的钢渣在水泥生产中的及混凝土方面的应用率还相当低。日本的钢渣在水泥生产中的利用率不到利用率不到6%6%，美国在上世界，美国在上世界9090年代以前仅年代以前仅1%1%的水泥生产利的水泥生产利用了钢渣，德国的钢渣基本用作集料。用了钢渣，德国的钢渣基本用作

3、集料。我国利用情况：我国利用情况：2 2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革、水泥及其混凝土技术传统观念的变革2.1 应用技术中的常见误区应用技术中的常见误区a、为满足快速施工的要求，过分追求水泥早强，忽视远期强度。、为满足快速施工的要求，过分追求水泥早强，忽视远期强度。b、为熟料强度在、为熟料强度在28天内发挥到极致，水泥磨得细了又细。片面地认为：天内发挥到极致，水泥磨得细了又细。片面地认为：“强度越强度越高的水泥，才是优质水泥高的水泥，才是优质水泥”。c、圈流粉磨水泥、产品颗粒分布集中，使用性能较差。、圈流粉磨水泥、产品颗粒分布集中，使用性能较差。d、把水泥作为、把水泥作为“胶凝材料胶凝材料

4、”和和“混凝土强度混凝土强度”的唯一来源。的唯一来源。片面追求早强带来的后果：片面追求早强带来的后果：水泥早期强度高，水化放水泥早期强度高，水化放热速度快且量多，导致混热速度快且量多，导致混凝土内部温升高；冷却后，凝土内部温升高；冷却后，残余的温度应力较大，混残余的温度应力较大，混凝土的抗裂性能下降。凝土的抗裂性能下降。2 2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革、水泥及其混凝土技术传统观念的变革2.2 混凝土技术发展的新趋势混凝土技术发展的新趋势上个世纪六十年代，上个世纪六十年代，T.C.Powers基于自己对水泥石结构的假设及大量试验结果，基于自己对水泥石结构的假设及大量试验结果，提了反映水泥

5、石强度与其孔隙率关系的胶空比公式：提了反映水泥石强度与其孔隙率关系的胶空比公式： 式中：式中：R水泥石强度；水泥石强度； a0 水泥凝胶的固有强度，即凝胶体在孔隙率为水泥凝胶的固有强度，即凝胶体在孔隙率为O时的强度；时的强度；n实验常数，约为实验常数，约为2.5-3;X胶空比，即水泥凝胶在水泥石中的填充程度，大小为凝胶体体积胶空比，即水泥凝胶在水泥石中的填充程度，大小为凝胶体体积与凝体体积加毛细孔体积及气孔体积之和的比值，主要与水灰比有关。与凝体体积加毛细孔体积及气孔体积之和的比值，主要与水灰比有关。 nOXaR2 2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革、水泥及其混凝土技术传统观念的变革 水泥外

6、加剂的出现，使水泥生产与混凝土制备的传统观念悄然发生改水泥外加剂的出现，使水泥生产与混凝土制备的传统观念悄然发生改变。高效减水剂的普遍使用，水泥粒子得到充分的分散，用水量大大减变。高效减水剂的普遍使用，水泥粒子得到充分的分散，用水量大大减少，水泥潜能得到发挥，致使水泥石致密、孔结构和界面微结构得到很少，水泥潜能得到发挥，致使水泥石致密、孔结构和界面微结构得到很好的改善，从而使混凝土的物理力学性能有了很大的提高。配制高强混好的改善，从而使混凝土的物理力学性能有了很大的提高。配制高强混凝土不一定非得需要高强度的水泥，可以通过调整水灰比来达到需要的凝土不一定非得需要高强度的水泥，可以通过调整水灰比来

7、达到需要的强度指标。强度指标。使用减水剂前使用减水剂前使用减水剂后使用减水剂后2 2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革、水泥及其混凝土技术传统观念的变革 现代混凝土在低水胶比条件下，混凝土的强度对胶凝材料现代混凝土在低水胶比条件下，混凝土的强度对胶凝材料强度的依赖性在降低，低活性掺和料得以广泛应用。胶凝材料强度的依赖性在降低，低活性掺和料得以广泛应用。胶凝材料不再是以水泥为唯一组分或绝对组分，而是由水泥和辅助胶凝不再是以水泥为唯一组分或绝对组分，而是由水泥和辅助胶凝材料（掺和料）组成。材料（掺和料）组成。 水泥及其混凝土的现代生产模式水泥及其混凝土的现代生产模式： 1 1. .在水泥厂实现胶凝

8、材料（熟料、石膏、活性与非活性混在水泥厂实现胶凝材料（熟料、石膏、活性与非活性混合材料）一体化生产，合材料）一体化生产， 2 2. .在混凝土搅拌站实现水泥与矿物掺和料的合理匹配。在混凝土搅拌站实现水泥与矿物掺和料的合理匹配。1、单方混凝土的熟料用量较少、单方混凝土的熟料用量较少2、与高效减水剂具有良好的相容性、与高效减水剂具有良好的相容性3、合理的早期强度、较高的后期和远期强度、合理的早期强度、较高的后期和远期强度4、颗粒组成合理，高堆积密度，孔隙率最低。、颗粒组成合理，高堆积密度，孔隙率最低。5、水化热小，体积稳定性好，耐久性高。、水化热小，体积稳定性好，耐久性高。优质混凝土的基本特征优质

9、混凝土的基本特征2 2、水泥及其混凝土技术传统观念的变革、水泥及其混凝土技术传统观念的变革 钢渣粉钢渣粉在拌制和施工阶段只有少量的物理吸水，基本不在拌制和施工阶段只有少量的物理吸水，基本不影响水泥或胶凝材料的需水性；对新拌混凝土的流动性影响影响水泥或胶凝材料的需水性；对新拌混凝土的流动性影响小；养护过程自干缩性低；对减水剂的相容性好，影响小；小；养护过程自干缩性低；对减水剂的相容性好，影响小；基本不影响水泥硬化体内的碱度；体积变化小。基本不影响水泥硬化体内的碱度；体积变化小。 钢渣粉钢渣粉作为水泥混合材料用，在水泥生产中可以节省熟作为水泥混合材料用，在水泥生产中可以节省熟料、实现优质水泥目标、

10、提高远期强度，具有良好的使用性料、实现优质水泥目标、提高远期强度，具有良好的使用性能及与混凝土外加剂的相容性；作为矿物掺合料应用于混凝能及与混凝土外加剂的相容性；作为矿物掺合料应用于混凝土中具有较好的填充效应、活性效应、微集料效应，能改善土中具有较好的填充效应、活性效应、微集料效应，能改善混凝土的性能，使得混凝土更加密实、孔隙率低、耐久性好。混凝土的性能，使得混凝土更加密实、孔隙率低、耐久性好。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究3.1钢渣专用助磨增强剂的作用钢渣专用助磨增强剂的作用序序号号标标准准号号标标准名准名称称1GB/T20491-2006用于水泥和混凝土中的用于水泥和混凝土中的钢钢渣粉渣粉

11、2GB/T28293-2012钢铁钢铁渣粉渣粉 分级标准需要参考的两个重要指标为活性和细度，山东宏艺科分级标准需要参考的两个重要指标为活性和细度，山东宏艺科技股份有限公司研制的钢渣专用助磨增强剂可以提高钢渣粉磨效技股份有限公司研制的钢渣专用助磨增强剂可以提高钢渣粉磨效率及活性指标。率及活性指标。钢渣作为辅助胶凝材料使用，目前可参考的标准有钢渣作为辅助胶凝材料使用，目前可参考的标准有：助磨机理助磨机理1、强度削弱理论、强度削弱理论2、颗粒分散理论、颗粒分散理论3、薄膜假说、薄膜假说4、颗粒流动性观点、颗粒流动性观点助磨组分助磨组分含胺基、羟基、羧基的表面活性物质如醇胺类物质、含胺基、羟基、羧基的

12、表面活性物质如醇胺类物质、木质素磺酸盐、聚乙二醇、复合多元醇等木质素磺酸盐、聚乙二醇、复合多元醇等3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究掺掺量量/%比表面比表面积积/(m2/kg)45m筛筛余余/%颗颗粒分布（体粒分布（体积积百分比百分比/%）60m032033.49.750.6526.1713.480.0538614.615.6257.9419.197.250.140511.714.7660.4817.926.840.1541013.015.1156.4419.768.69助磨效果助磨效果掺加钢渣专用助磨剂后，细度明显下降。醇胺类物质加入到掺加钢渣专用助磨剂后，细度明显下降。醇胺类物质加入到粉体中时

13、，包覆在带电颗粒表面，消除了颗粒间的静电作用，粉体中时，包覆在带电颗粒表面，消除了颗粒间的静电作用，阻止带电颗粒的相互结合，减少裂隙扩展所需应力，降低颗阻止带电颗粒的相互结合，减少裂隙扩展所需应力，降低颗粒表面能，妨碍断裂表面的重新结合，阻止颗粒团聚。粒表面能，妨碍断裂表面的重新结合，阻止颗粒团聚。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究激发增强机理：激发增强机理：1 1、激发增强组份中、激发增强组份中“微量元素微量元素”能促使晶型表面造成缺陷能促使晶型表面造成缺陷或晶型结构发生改变，从而提高它们参与水泥水化反应能或晶型结构发生改变，从而提高它们参与水泥水化反应能力。力。2 2、根据、根据“缺什么补什么

14、缺什么补什么”原则，助磨剂组份中添加了钢渣原则，助磨剂组份中添加了钢渣不足的部分，弥补了某些混合材成分的缺失。不足的部分，弥补了某些混合材成分的缺失。激发增强组分激发增强组分水玻璃、氧化钙、有机酸、表面活性剂、硫酸盐、亚硝酸盐水玻璃、氧化钙、有机酸、表面活性剂、硫酸盐、亚硝酸盐等等3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究类别类别水泥水泥胶胶砂强度砂强度/7d/28d/MPa受受检胶检胶砂强度砂强度/MPa/7d/28d/MPa活性指活性指数数/%7d/28d活性增加活性增加值值/%7d/28d钢钢渣渣1+36.4/59.123.8/50.265/8515/10钢钢渣渣2+37.5/57.925.8/52

15、.167/9011/13钢钢渣渣3+37.7/58.124.9/48.766/8413/12活性增加效果活性增加效果3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究3.2 钢渣微粉在混凝土紧密堆积中的填充作用钢渣微粉在混凝土紧密堆积中的填充作用 上个世纪末上个世纪末STsivilis等学者明确提出，水泥中粒径等学者明确提出，水泥中粒径 3m的颗粒应的颗粒应该该 10，粒径，粒径330m的颗粒应该在的颗粒应该在65以上，粒径以上，粒径60m和和 1m的颗粒尽量减少。实际上这是从水泥的水化速率和水化程度角度提的颗粒尽量减少。实际上这是从水泥的水化速率和水化程度角度提出的对熟料粒度分布的要求。从混凝土构件结构的致密性

16、出发，最佳颗出的对熟料粒度分布的要求。从混凝土构件结构的致密性出发，最佳颗粒组成应符合紧密堆积状态的粒组成应符合紧密堆积状态的Fuller曲线。曲线。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究水泥粒水泥粒径径/m3310103233232RRSB曲曲线线11.1424.2342.8067.0321.83Fuller曲曲线线22.5013.9221.5735.4942.01不同理论下的水泥最佳颗粒组成不同理论下的水泥最佳颗粒组成3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究 空隙率空隙率对混凝土强度影响很大，所有能够对混凝土强度影响很大，所有能够降低空隙率的措施都可以提高强度。如果尽量降低空隙率的措施都可以提高强度。如果尽

17、量提高水化前水泥颗粒的堆积密度（减小堆积空提高水化前水泥颗粒的堆积密度（减小堆积空隙率）可以降低用水量，从而降低水泥石的空隙率）可以降低用水量，从而降低水泥石的空隙率。同样可以减小空隙，提高混凝土的强度。隙率。同样可以减小空隙，提高混凝土的强度。 辅助胶凝材料辅助胶凝材料（SCMSCM）就是以工业固体废弃物（副产品）就是以工业固体废弃物（副产品）或天然矿物为原材料，掺适合的助磨剂磨细加工后，制成不同或天然矿物为原材料，掺适合的助磨剂磨细加工后，制成不同粒径分布范围的水泥混合材料或混凝土矿物掺合料。它能够使粒径分布范围的水泥混合材料或混凝土矿物掺合料。它能够使胶凝材料颗粒的级配在一定程度上接近紧

18、密堆积状态。胶凝材料颗粒的级配在一定程度上接近紧密堆积状态。 3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究粒度粒度 (m)矿矿渣渣钢钢渣渣抗抗压压抗折抗折抗抗压压抗折抗折3 d28 d3 d28 d3 d28 d3 d28 d4191.3145146.8178.3136107.584.491.348129.2156.888.2109.9-57.843.2-100.7-8.72445-8.3143.9-57.2122.928.944.1-64.08.5458013.2133.3-16.9105.4-359.4-49.423.9钢渣、矿渣相对于熟料的强度贡献率（钢渣、矿渣相对于熟料的强度贡献率（%）3、钢渣作为

19、辅助胶凝材料的研究 根据钢渣粉不同的粒径范围，可以分别作为高活性或低活性的根据钢渣粉不同的粒径范围，可以分别作为高活性或低活性的辅助胶凝材料，也可以作为混凝土紧密堆积的填充料，改善远期强辅助胶凝材料，也可以作为混凝土紧密堆积的填充料，改善远期强度。度。（1）细粒度区间钢渣、矿渣的胶凝能力和强度贡献均超过水泥熟）细粒度区间钢渣、矿渣的胶凝能力和强度贡献均超过水泥熟料的；但中、粗粒度区间料的；但中、粗粒度区间SCM的胶凝能力和强度贡献率均较低。的胶凝能力和强度贡献率均较低。（2）优化匹配原则：高活性）优化匹配原则：高活性SCM、水泥熟料及低活性、水泥熟料及低活性SCM应分别应分别置于复合水泥的细置

20、于复合水泥的细(24m)。 我们用我们用25%的掺石膏的熟料粉、的掺石膏的熟料粉、36%的掺助磨剂矿渣粉与的掺助磨剂矿渣粉与39%掺助磨剂掺助磨剂钢渣粉，配制成钢渣矿渣级配水泥，经检验，强度、凝结时间、需水性等接钢渣粉，配制成钢渣矿渣级配水泥，经检验，强度、凝结时间、需水性等接近近PO42.5级水泥；级水泥； 3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究试样试样标标准稠准稠度（度（%）凝凝结时间结时间（min）抗折强度（抗折强度（Mpa）抗抗压压强度（强度（Mpa）初凝初凝终终凝凝3天天28天天3天天28天天PO42.528.00 253 324 5.28.225.348.3试验样试验样27.90268 3

21、32 5.18.624.250.3采用沂东中联采用沂东中联PO42.5级普通硅酸盐水泥，辅助胶凝材料（级普通硅酸盐水泥，辅助胶凝材料（SCM）为矿渣粉：钢）为矿渣粉：钢渣粉渣粉=1:1复合而成。集料：细集料为天然河砂，表观密度为复合而成。集料：细集料为天然河砂，表观密度为2730kg/m3，堆积密，堆积密度为度为1500 kg/m3，吸水率，吸水率6.4%，细度模数，细度模数2.8。粗集料为临沂碎石，表观密度为。粗集料为临沂碎石，表观密度为2740kg/m3，堆积密度为，堆积密度为1600 kg/m3，525mm连续级配，做混凝土测试。连续级配，做混凝土测试。3、钢渣作为辅助胶凝材料的研究 并

22、委托省质监站，根据并委托省质监站，根据JGB/T193-2009混凝土耐久性检验评定标准混凝土耐久性检验评定标准进行了混凝土的抗冻性、抗水渗性、抗氯离子渗透性、抗碳化性、抗硫酸盐进行了混凝土的抗冻性、抗水渗性、抗氯离子渗透性、抗碳化性、抗硫酸盐性及抗裂性等性及抗裂性等6个耐久性项目检测，结果均优于个耐久性项目检测，结果均优于PO42.5级水泥；级水泥；试试件件编号编号混凝土配合比混凝土配合比/（kgm3）抗抗压压强度强度/MPa水泥水泥水水砂砂石石SCM外加外加剂剂7d28dS0490175770102004.941.550.9S13921727701020984.942.953.6S2245

23、17077010202454.940.648.7S3390170810101003.934.743.1S43121688101010783.936.546.9S519516581010101953.933.244.03、钢渣作为辅助胶凝材料的研究3.3 钢渣在混凝土中的应用前景钢渣在混凝土中的应用前景 钢渣是炼钢产生的固体废弃物，原料来源广，目前市场价值有待进一步钢渣是炼钢产生的固体废弃物，原料来源广，目前市场价值有待进一步开发，因此利用普通混凝土搅拌站，开发附加值相对较高的辅助胶凝材料及开发，因此利用普通混凝土搅拌站，开发附加值相对较高的辅助胶凝材料及混凝土掺合料，具有较高的经济价值和推广价值。混凝土掺合料，具有