脱硫石膏是燃煤电厂和钢铁企业在对含硫烟气或造渣材料脱硫过程中产生的工业副产石膏，排放量巨大，我国堆存量近３亿ｔ。在水泥砂浆中，脱硫石膏既可以激发水泥熟料矿物和其他掺合料的水化反应，也可以作为硫酸盐在水化过程中产生钙矾石（ＡＦｔ）起到填充支撑的作用。脱硫石膏对矿渣水泥砂浆的减缩与增强行为机制，研究表明3％～6％掺量的脱硫石膏参与水化反应，消耗了铝酸钙（ＣＡＳ）结晶过程产生的Ｃａ（ＯＨ）₂，促进了火山灰反应，从而提高了矿渣砂浆的强度；随着脱硫石膏掺量的增加，将ＣＡＳ晶体转化为ＡＦｔ，实现体积微膨胀，抑制收缩变形，同时产生结晶压力，矿渣砂浆的强度降低。目前，一般采用掺加无机掺合料对脱硫石膏进行改性处理，提高其力学强度。

钢渣是炼钢过程中产生的工业废弃物，因耐磨性良好、压碎值较高、各项物理力学性能良好等特点，可以代替骨料，薛刚等进行了钢渣细骨料对混凝土力学性能的研究，结果表明钢渣中含有的硅酸二钙（Ｃ_２Ｓ）和硅酸三钙（Ｃ_３Ｓ）具有一定的水化活性，可以提高砂浆基体的抗压强度。钢渣中存在的游离ＣａＯ（ｆ-ＣａＯ）会使砂浆出现体积安定性问题，史迪等研究发现钢渣碳化过程生成的ＣａＣＯ_３等反应产物对试样 具有填充孔隙、改善颗粒界面结构的作用，这是试件强度性能提高的主要原因。戎天任等利用钢渣微粉作为改性剂加入脱硫石膏中，研究发现钢渣微粉中含有一定量的Al（OH） ４^－和Ca^２＋，在钙矾石周围聚集填入脱硫石膏的框架当中，进而提高其致密度和抗压强度。本研究选择脱硫石膏替代部分水泥作胶凝材料，钢渣替代部分天然砂作骨料，研究脱硫石膏掺量分别对非碳化钢渣骨料水泥砂浆、碳化钢渣骨料水泥砂浆的力学性能的影响。

本试验采用等质量取代法，脱硫石膏替代水泥，钢渣骨料替代天然砂，以胶砂比为1∶3，水胶比为0.5制备砂浆。为保证脱硫石膏的高掺量和体系凝结时间在正常范围内，脱硫石膏掺量设为0％，10％，20％，30％。钢渣砂浆在钢渣掺量为15％时就出现裂纹、起皮和爆裂，但是试块完整；而当掺量大于15％时，钢渣砂浆皆被蒸碎，因此设置钢渣取代率为15％。

图1  脱硫石膏掺量对钢渣骨料水泥砂浆抗压强度的影响

脱硫石膏掺量对非碳化钢渣骨料水泥砂浆、碳化钢渣骨料水泥砂浆抗压强度的影响如图1所示。由图1可见，脱硫石膏掺入钢渣骨料水泥砂浆中皆降低了抗压强度，但各试块的28ｄ抗压强度均达到17ＭＰａ以上，且脱硫石膏掺量为10％时降低幅度最大，掺量为20％，30％时抗压强度降低幅度变缓。分析其原因是脱硫石膏掺量为10％时，脱硫石膏很快与Ｃ₃Ａ，Ｃａ（ＯＨ） ２作用生成ＡＦｔ晶体，晶体包裹在水泥颗粒表面，从而阻断了水泥颗粒的水化反应，水泥浆体水化产生的Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶也不断减少，孔隙率和连通性增强，抗压强度显著降低。脱硫石膏掺量为20％，30％时，钢渣中Al含量不足，过多的脱硫石膏起填充作用，不参与生成凝胶材料，因此随着脱硫石膏掺量的增加抗压强度缓慢降低。

由图1可见，养护龄期28ｄ时，相同掺量下Ｓ0－Ｓ3较ＣＳ０－ＣＳ３的抗压强度分别降低2.83％，6.37％，10.56％，6.76％。分析其原因：①砂浆的抗压强度与水泥的水化反应有关，非碳化钢渣中含有的ｆ－ＣａＯ参与水化反应生成大量的ＯＨ－，ｐＨ值不断增大，阻碍了水泥的水化反应，降低了钢渣砂浆试块抗压强度；而碳化钢渣中的ｆ－ＣａＯ经过碳化，不会对碳化钢渣砂浆抗压强度造成显著影响。②非碳化钢渣与水泥间的黏结力会影响钢渣砂浆的强度，而碳化钢渣较非碳化钢渣表面更加致密，与砂浆的黏结程度提高，碳化钢渣骨料水泥砂浆抗压强度提高。

来源：青岛理工大学学报

编辑整理：赵娇

审核：张欢、杨再银