冶金渣制备生态型人工鱼礁混凝土的试验研究

　　矿渣和钢渣作为冶金工业的主要废渣，一直以来都是固体废弃物资源化研究的重点对象。近年来，的高性能矿渣粉在生产规模和装备水平上已处于国际前列，矿渣粉的生产也已经独立于传统的水泥行业，成为1个全新的绿色建材行业[1]。伴随钢铁产业的发展，钢渣的排放量也不断增加，但低利用率造成钢渣大量堆积，占用良田，污染环境，而且降低了钢铁企业的经济效益[2]，这就要求要利用现有的钢渣矿渣作为二次资源再利用，开发出高附加值的产品[3-4]。采用热闷法稳定化的钢渣颗粒作为混凝土骨料，可以使混凝土中钢渣成分的总量达到75%～85%，能将大量钢渣转化为工程材料[5-6]。

　　矿渣粉的胶凝性来源于玻璃体结构的解体，可以与水泥水化释放的Ca（OH）2反应从而促进水化，表现出很强的吸碱能力[7]，而钢渣中的f-CaO和RO相遇水后生成Ca（OH）2，使得混凝土体系的液相碱度提高，因此，适量掺入钢渣微粉的混凝土具有强度高的特性。钢渣和矿渣双掺可以在保证混凝土优良性能的同时，提高矿渣粉在混凝土中替代水泥的比例[8-9]。

　　人工鱼礁是以改善海域生态环境为目的，人为在海中设置的构造物，为鱼类等提供繁殖、生长、索饵和庇敌的场所，保护鱼类、促进鱼类增殖进而提高渔获量[10]。广泛开展了人工鱼礁的建设，进行近海海洋生物栖息地和渔场的修复，取得了较好的效果。日本、欧美等国的人工鱼礁起步早，近年来正在向大体积、大孔洞率、结构复杂的方向发展。日本已经建成多处钢结构高层鱼礁，结构高度超过70m[11]。建造人工鱼礁的材料多样，混凝土就是其中最重要的一种。混凝土人工鱼礁易于进行结构设计，适合制造出复杂的形状和孔洞结构，而且对鱼类的诱集性能也很好[12-13]。开发出C60以上的高强混凝土，可用于制备出大体积、大孔洞率和形状复杂的人工鱼礁，对于进一步提高投礁地区的海洋生物多样性，扩大海洋牧场范围和消纳大量钢渣都具有重要意义。

　　1试验原料与方法

　　1.1试验原料

　　1）胶凝材料原料

　　矿渣采用鞍钢集团矿渣开发公司的高炉矿渣粉。钢渣采用鞍钢集团矿渣开发公司的转炉钢渣经多段破碎和多段磁选后的尾渣，f-CaO含量为0.75%，TFe含量为28.62%，MFe含量为2.16%。水泥熟料采用河北唐山冀东水泥厂提供的普通硅酸盐水泥熟料，主要化学成分为CaO、SiO2和少量的Al2O3和Fe2O3。熟料中CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3不是以单独的氧化物存在的，而是2种或2种以上的氧化物经高温化学反应生成的多种矿物的集合体。主要矿物组成为硅酸三钙（3CaO·SiO2，C3S）、硅酸二钙（3CaO·SiO2，C2S）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3，C3A）和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，C4AF）[14]。脱硫石膏采用北京石景山热电厂提供的脱硫石膏。主要矿物成分为二水石膏（CaSO4·2H2O）[15]，含有少量其它杂质。

　　2）骨料

　　细骨料为鞍钢集团矿渣开发公司生产的钢渣砂，细度模数为3.12，含泥量<1.0%，密度3.39g·cm-3。粗骨料为鞍钢集团矿渣开发公司生产的钢渣颗粒，粒径为4.7～19mm，含泥量<0.3%，密度3.62g·cm-3。

　　3）外加剂

　　采用北京慕湖外加剂有限公司生产的聚羧酸高效减水剂PC（粉状）。

　　1.2试验方法

　　1）原料准备

　　将需要粉磨的各种物料烘至含水率小于1%后进行磨细，物料的磨细采用SMΦ500×500试验磨机，各物料的研磨过程是首先进行单独磨细然后再混合。物料单独磨细的细度为：脱硫石膏比表面积350m2·kg-1，矿渣比表面积480m2·kg-1，钢渣依不同的磨细时间有不同的比表面积。胶凝材料按试验设计的比例混合后，采用球磨机再混磨10min。混磨后的原料密封备用。

　　2）试块成型与养护

　　净浆试块：将预处理后的物料充分混合后，采用水泥净浆搅拌机，按照GB/T1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中水泥净浆的拌制相关规定进行搅拌，搅拌之后浇注在尺寸为30mm×30mm×50mm的模具中，振动成型。

　　混凝土试块：采用单卧轴强制式混凝土搅拌机搅拌物料，按照GB/T50107-2010《混凝土强度检验评定标准》中混凝土的拌制相关规定进行搅拌，搅拌之后浇注在尺寸为100mm×100mm×100mm的模具中，振动成型。

　　试块成型后的试件在20±1℃、不低于90%相对湿度的标准养护条件下养护至28d。

　　3）抗压强度测试

　　净浆试块参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》，混凝土试块按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行检测。

　　4）主要分析设备

　　利用DBT-127型勃氏透气比表面积仪测定物料的比表面积；利用日本玛珂科学仪器公司RigakuDMAX-RB型X射线衍射仪（Cu靶，λ=1.5406A，衍射角度：0～70°）进行物相分析；利用德国蔡司EVO18型扫描电镜进行微观形貌分析。

　　2胶凝材料配合比的确定

　　2.1抗压强度影响因素正交试验

　　试验因素和水平的确定：试验采用4个因素，按照3个水平进行正交试验设计，表2给出了各个影响因素及水平。

　　2.2正交试验结果分析

　　采用功效系数法对试验结果进行分析。功效系数法是一种在多指标等水平正交设计中，找出使各项指标都比较好的的实验条件的方法。设正交设计考察3个指标，功效系数为d，如第i个考核指标的效果最好，规定该指标的功效系数d=1；其余各考核指标的功效系数规定为该指标值与最好指标值的比值。3个考核指标的总功效系数d=。在多指标的正交设计中，只比较总功效系数可大大简化分析步骤。以试样3、7、28d的抗压强度作为考察指标，试验方案与功效系数法的分析结果见表3。

　　由表3可知，综合考虑3、7、28d的抗压强度3个指标，编号2（即矿钢渣比为7：1，钢渣粉磨时间为60min，水胶比为0.21，减水剂掺量为0.3%）试样的总功效系数d=0.99，其值最大，相应的试验条件是A1B2C2D2。由K值看出最好的试验条件是A1B2C3D1，又由极差R值的大小看出，对于总功效系数d，因素的主次顺序是A>D>B>C，即影响抗压强度的主要因素是矿渣与钢渣的比例和减水剂掺量，次要钢渣的粉磨时间因素是和水胶比。综上所述，优化出的试验条件是A1B2C3D1。即矿钢渣比为7：1，钢渣粉磨时间为60min（比表面积为

　　550m2·kg-1），水胶比为0.20，减水剂掺量为0.2%。由于这种配合比不在正交试验的1～9号试验方案中，故将这种配比定义为10号，进行后续平行试验。

　　2.3平行试验