鋼渣與礦渣對(duì)水泥性能影響的對(duì)比研究

宋子新

1 引言

鋼渣是煉鋼過程中用石灰石作為熔劑提取生鐵中的SiO2、Al2O3等雜質(zhì)而生成的以硅酸二鈣、硅酸三鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)冷卻后所得到的廢渣。隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，大量鋼渣排放，堆積如山，不僅占用了大量寶貴的土地，而且嚴(yán)重污染了周圍的環(huán)境。因?yàn)殇撛泻蠧2S、C3S等硬性礦物以及鋁硅玻璃體，因而具有一定的膠凝性能[1]。

本文研究了鋼渣及其制備的鋼渣粉用作水泥混合材時(shí)，對(duì)水泥性能的影響。選擇常規(guī)混合材礦渣粉進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，通過不同摻量鋼渣粉與礦渣粉水泥的性能對(duì)比試驗(yàn)，摸索其對(duì)水泥性能的影響規(guī)律，以期為更好地利用鋼渣奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：采用P·Ⅱ42.5硅酸鹽水泥，比表面積為400m2/kg。

鋼渣：取自唐山某鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的鋼渣，經(jīng)過破碎和除鐵。

礦渣粉：取自唐山某礦渣粉廠生產(chǎn)的礦渣粉，比表面積為440m2/kg。

各原材料的化學(xué)組成見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

將鋼渣采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小磨粉磨至比表面積為480m2/kg，按照不同的比例與硅酸鹽水泥充分混合，同時(shí)與礦渣粉進(jìn)行平行對(duì)比，具體方案如表2。

3 結(jié)果和討論

3.1 鋼渣粉對(duì)水泥稠度、凝結(jié)時(shí)間的影響

水泥稠度、凝結(jié)時(shí)間采用GB/T1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)（表3）。

從圖1看出，隨著鋼渣粉摻入比例的提高，水泥稠度降低；隨著礦渣粉摻入比例的提高，水泥稠度略提高；同比例摻入鋼渣粉與礦渣粉，鋼渣粉稠度低于礦渣粉稠度。

從圖2可以看出，隨著鋼渣粉、礦渣粉摻入比例的提高，水泥凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，同比例摻入鋼渣粉與礦渣粉，鋼渣粉延長(zhǎng)程度大于礦渣粉。

3.2 鋼渣粉對(duì)水泥安定性的影響

水泥的安定性是水泥的主要控制指標(biāo)之一。煉鋼過程中，石灰逐步加入，使鋼渣中不可避免地存在一定量的fCaO。唐明述教授[2]等發(fā)現(xiàn)造成鋼渣水泥安定性不良的主要因素是其中的fCaO，鋼渣中的fCaO在高溫液相中存在時(shí)間較長(zhǎng)，形成的晶粒比較大，晶格比較緊密，且固溶了許多其他的離子，使其水化活性顯著降低，水化速度變慢，在以后的繼續(xù)水化時(shí)就會(huì)發(fā)生膨脹，造成安定性不良。經(jīng)過長(zhǎng)期存放的鋼渣，其中CaO逐漸消解，并使鋼渣破碎和粉化。鋼渣中MgO存在的形態(tài)隨堿度不同而改變：堿度低時(shí)，MgO主要存在于CMS、C3MS2等惰性礦物中；隨著堿度的提高，CaO置換MgO形成C2S和C3S，MgO析出后，主要與FeO、MnO、CaO等二價(jià)金屬氧化物形成固溶體，稱為RO相。對(duì)存在于RO相中的MgO、CaO，是否會(huì)影響沸煮安定性和壓蒸安定性，必須進(jìn)行嚴(yán)格的安定性測(cè)試。通過生產(chǎn)實(shí)際跟蹤對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各廠鋼渣的成分差異較大。綜上，利用鋼渣制備水泥的體積安定性問題，必須引起充分重視，必須經(jīng)過嚴(yán)格、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)建立科學(xué)、有效的控制手段。

表1 原材料化學(xué)成分，%

表2 鋼渣粉、礦渣粉配料試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)沸煮安定性采用GB/T1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)，壓蒸安定性采用GB/T750-1992《水泥壓蒸安定性試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)。

從表4可以看出：試驗(yàn)用礦渣粉、鋼渣粉配制的水泥安定性合格。采用礦渣粉配制的水泥，隨著礦渣粉比例的增加，壓蒸安定性數(shù)值變化不大；采用鋼渣粉配制的水泥，隨著鋼渣粉比例的增加，壓蒸安定性數(shù)值呈增大趨勢(shì)。

表3 鋼渣粉、礦渣粉對(duì)水泥稠度、凝結(jié)時(shí)間的影響

表4 鋼渣粉、礦渣粉對(duì)水泥安定性的影響

圖1 鋼渣粉、礦渣粉對(duì)水泥稠度的影響

圖2 鋼渣粉、礦渣粉對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

表5 鋼渣粉、礦渣粉對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖3 鋼渣粉、礦渣粉對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度的影響

關(guān)于鋼渣粉摻入的安定性問題，有學(xué)者認(rèn)為：小摻量的鋼渣水泥不會(huì)存在安定性的問題[3]。磨細(xì)鋼渣粉在水泥砂漿或混凝土中使用無安定性問題。這可能是由于鋼渣經(jīng)粉磨達(dá)到一定細(xì)度后，游離的CaO和MgO被活化，在水泥水化時(shí)就參與反應(yīng)，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，雖然反應(yīng)產(chǎn)物體積大于反應(yīng)物，但此時(shí)混凝土還處于塑性狀態(tài)中，因此不會(huì)造成混凝土的結(jié)構(gòu)破壞。

3.3 鋼渣粉對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

鋼渣是具有水硬性的廢渣。它含有水硬性礦物C3S、C2S、鐵鋁酸鈣等，但含量較低，其活性必須通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

本實(shí)驗(yàn)水泥強(qiáng)度采用GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)。

由表5和圖3可以看出：

（1）隨鋼渣粉摻量的增加，3d、7d、28d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均下降，下降幅度隨著齡期的增加而降低，28d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度在5%、10%摻量時(shí)接近硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。

（2）隨著礦渣粉摻量的增加，3d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度下降，7d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度下降不明顯，28d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到或者已經(jīng)超過硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。

（3）鋼渣粉的活性不如礦渣粉。

4 結(jié)語

通過以上實(shí)驗(yàn)我們得到以下結(jié)論：

（1）鋼渣粉的摻入可降低水泥稠度，延長(zhǎng)水泥的凝結(jié)時(shí)間；同比例摻入鋼渣粉與礦渣粉，鋼渣粉延長(zhǎng)程度大于礦渣粉。

（2）本實(shí)驗(yàn)用鋼渣粉，摻量在0～15%內(nèi)，水泥體積安定性是合格的。但是各廠鋼渣的成分差異較大，利用鋼渣制備水泥的體積安定性問題，必須引起充分重視，必須經(jīng)過嚴(yán)格、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)建立科學(xué)、有效的控制手段。

（3）鋼渣粉的摻入降低水泥強(qiáng)度，下降幅度隨著齡期的增加而降低，28d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度在5%、10%摻量時(shí)接近硅酸鹽水泥的強(qiáng)度；鋼渣粉的活性不如礦渣粉。

[1]朱航，王林，劉彥君，等.鋼渣礦粉混凝土的物理力學(xué)性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,（1）.

[2]唐明述，等.鋼渣中MgO、FeO、MnO的結(jié)晶狀態(tài)與鋼渣的體積安定性[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1997，7（1）：35－45.

[3]趙三銀，趙旭光，李寧.高鋼渣摻量鋼礦水泥體積安定性的研究[J].水泥工程,2002（2）：7－9.■