多固废耦合水泥制备 C30 混凝土性能研究

引言

中国力求在 2030 年前和 2060 年前分别实现碳达峰与碳中和，这是一项重大战略决策。火力发电的CO ₂  排放量约占全国碳排放的 40%，位居行业第一，并且产生大量粉煤灰和脱硫石膏等副产物需要消纳；钢铁企业的 CO ₂ 排放量约占全国碳排放的 18%，位居行业第二，生产过程中产生大量水渣、钢渣等固体废弃物；水泥行业的 CO ₂ 排放量占全国碳排放总量的 13%~14%，位居行业第三。 

据统计 2020 年全国粗钢产量为 10.5 亿吨，每冶炼一吨粗钢产生 0.10~0.15 吨的钢渣，由此计算可知2020 年全国产生 1.1 亿~1.5 亿吨钢渣，数量如此之大，如不加以合理利用，不仅会占用大量耕地、造成环境污染，而且还是对资源的巨大浪费。钢渣由于自身存在成分波动大、安定性差、粉磨成本高和活性指数低等问题，其利用率不足 30%。目前关于钢渣磨细粉用于制备胶凝材料成为了新的研究热点，该胶凝材料用于混凝土的制备，能够替代部分水泥用量，不仅节约了天然材料，而且降低了能耗和碳排放，符合国家绿色低碳的发展道路。彭鹏飞等研究了钢渣、水渣、水泥熟料掺量比为 40%、45%和 15%时可达到 S95级复合矿粉要求；刘轩等发现钢渣、矿渣和脱硫石膏比例分别为 25%、63%和 12%时，可制备出 28d 强度为 55.97MPa 的无熟料混凝土。徐东等以碱渣 30%、矿渣 45%、钢渣 15%、脱硫石膏 10%的配比作为胶凝材料制备混凝土，28d 抗压强度可达 38.33MPa，经分析该胶凝材料中各原料在协同作用下的水化产生C-S-H 凝胶、钙矾石和 Friedel 盐，从而获得胶结强度。李颖等发现矿渣、钢渣及石膏能够产生以生成钙矾石为驱动力的协同作用，主要水化产物是钙矾石和 C-S-H 凝胶。但是针对所研发胶凝材料本身物化性能是否符合相应标准和所制备净浆、胶砂、混凝土等试块性能系统分析的研究较为鲜见。

本文将钢渣、水渣和脱硫石膏按质量分数为 35:55:10 的比例进行复掺混磨，混磨成比表面积为400m ² /kg 以上的复掺粉作为复合胶凝材料。按照 JG/T 486《混凝土用复合掺合料》标准对复合胶凝材料进行了系统的性能研究分析；通过净浆实验研究了复合胶凝材料与水泥不同比例对标准稠度用水量、初凝和终凝时间的影响；通过复合胶凝材料替代水泥制备 C30 混凝土实验，系统的研究了复合胶凝材料对混凝土各龄期的抗压强度和抗水渗透性的影响。 

1   实验原料及表征

1.1  实验原料 

本实验制备 C30 混凝土需要的原料包括国内某大型钢厂提供的水渣、钢渣、脱硫石膏制备的复合胶凝材料和国内某搅拌站提供的 PO  42.5 水泥、粉煤灰、建筑砟、砂、水、减水剂，以上原料均符合相关质量标准。

1.2  物化性能表征 

通过 XRF 对复合胶凝材料和粉煤灰样品进行检测，复合胶凝材料的主要含有 CaO、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、MgO 等，粉煤灰主要包含 SiO ₂ 和 Al ₂ O ₃  等。 

采用激光粒度分析仪对复合胶凝材料进行粒度分布表征，经测定其颗粒组成特征值为：d30=7.79μm、d60=21.71μm、中值粒径 d50=16.24μm。按照 GB 5085.3《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》 国家标准对无机元素及化合物的要求，对复合胶凝材料进行了浸出毒性检测。从实验结果来看，复合胶凝材料浸出液中的总铬、铜、锌、砷、铅等元素的含量均远低于标准值，其余镍、镉、汞、无机氟化物、氰化物等元素未检测到，表明复合胶凝材料符合固体废物毒性浸出的标准要求。 

2   实验方法 

2.1  复合胶凝材料的标准性能检测方法 

按照 JG/T 486-2015《混凝土用复合掺合料》标准规定的相关检测标准，在复合胶凝材料掺量为 30%的情况下，对细度、活性指数、三氧化硫含量、安定性、放射性等性能指标进行了系统的性能检测。

2.2 混凝土性能测试方法 

本实验制备 C30 混凝土进行试验采用配合比为某搅拌站提供的常用 C30 混凝土的配合比，每立方混凝土包括水泥 240 kg、矿粉 60 kg、粉煤灰 80 kg、砂 850 kg、石子 991 kg、减水剂 9.0 kg、水 170 kg。本实验使用复合胶凝材料取代现有矿渣，并逐步取代水泥进行实验研究，具体实验配比方案设计如表 4 所示。

按照实验配比，将原料进行混料、浇筑、振实等步骤，制备成边长为 100mm 的立方体混凝土试块，在标准条件下养护至 3d、7d、14d、28d 龄期，按照 GB/T 50081《混凝土物理力学性能试验方法标准》的规定进行抗压强度测试。 

混凝土抗水渗透性能试件在标准条件下养护27天取出，并擦拭干净晾干，第28天按照GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中逐级加压法进行试验时抗水渗透性能测试。