煤矸石改性鋼渣對(duì)水泥基材料性能的影響

翟紅俠, 侯克偉, 荊 喆, 楊啟安

(安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

煤矸石改性鋼渣對(duì)水泥基材料性能的影響

翟紅俠, 侯克偉, 荊 喆, 楊啟安

(安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

文章通過(guò)對(duì)煤矸石與鋼渣粉原材料機(jī)理分析,將2種固體廢棄物進(jìn)行混合熱處理制備活性混合料,分析鋼渣中游離氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化,探討該熱處理混合料對(duì)水泥基材料性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:煤矸石對(duì)鋼渣中的游離氧化鈣有顯著降低作用;隨著熱處理混合料摻量的增加,水泥石體積補(bǔ)償收縮效果明顯;當(dāng)摻入20%煤矸石與鋼渣粉混合，其強(qiáng)度比單摻鋼渣粉有顯著提高。

鋼渣粉;煤矸石;熱處理;游離氧化鈣;體積穩(wěn)定性;力學(xué)性能

0 引 言

鋼渣是煉鋼時(shí)產(chǎn)生的廢渣,其主要礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣以及其礦物的固溶體。2015年1-3月全國(guó)粗鋼產(chǎn)量20 010.34萬(wàn)噸,平均日產(chǎn)粗鋼222.34萬(wàn)噸[1],鋼渣的日產(chǎn)量約占22.234萬(wàn)噸。2015年,按照安徽省鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo),鋼產(chǎn)量要達(dá)到3 000萬(wàn)～3 500萬(wàn)噸[2],我省2015年的鋼渣產(chǎn)量為300萬(wàn)～350萬(wàn)噸。鋼渣的排放不僅占用土地空間,對(duì)環(huán)境、人的身體健康等都有一定的影響。

美國(guó)及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鋼渣的利用率基本上達(dá)到了98%以上,他們將鋼渣主要用于修路、農(nóng)肥、內(nèi)部循環(huán)重新利用[3-4]。我國(guó)的鋼渣利用率較低,其中少部分用于筑路建材,返回冶金重新利用,大部分主要用于混凝土摻合料[5]。但由于鋼渣的成分波動(dòng)性比較大,游離氧化鈣較多,膠凝性較低等原因,使其在混凝土摻合料方面的應(yīng)用也受到很大的限制。

煤矸石作為工業(yè)廢渣其排放量截止目前已達(dá)到45億噸,占全國(guó)工業(yè)廢渣的25%[6],一般每生產(chǎn)1 t煤炭,會(huì)產(chǎn)生0.15～0.2 t煤矸石[7]。煤矸石的大量堆放帶來(lái)了非常嚴(yán)重的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。研究[8]表明:煅燒可以破壞煤矸石中牢固的Si-O和Al-O鍵結(jié)構(gòu),形成具有活性的SiO2和Al2O3。本文主要考慮煤矸石作為硅質(zhì)材與鈣質(zhì)材鋼渣在化學(xué)成分上的互補(bǔ)及煤矸石熱處理后產(chǎn)生的活性硅鋁,擬用煤矸石與鋼渣共混熱處理,制備活性混合料,探究2種廢渣混合后對(duì)水泥基材料性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為巢湖威力水泥廠生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥。

標(biāo)準(zhǔn)砂由廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)。

鋼渣粉由馬鋼提供,密度為3.26 g/cm3,比表面積為519.7 m2/kg。

煤矸石由淮北礦務(wù)局提供。

鋼渣粉與煤矸石的化學(xué)成分見(jiàn)表1所列,礦物組成如圖1、圖2所示。

表1 原材料化學(xué)成分分析 %

圖1 鋼渣粉XRD圖譜

圖2 煤矸石XRD圖

1.2 試驗(yàn)方法

本文主要采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的煤矸石與鋼渣共混熱處理,對(duì)混合料游離氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析,以熟料中游離氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制為參照,選取游離氧化鈣合適的一組,研究混合料對(duì)水泥基材料體積穩(wěn)定性與力學(xué)性能的影響。鋼渣與煤矸石化學(xué)成分采用CIT-3000SMD型能量色散X熒光分析儀分析,礦物組成采用D8 ADVANCE X-射線衍射儀(X-ray ditfraction,XRD)進(jìn)行分析。熱處理采用SRJX型箱式電阻爐。游離氧化鈣含量的測(cè)定按GB/T176-2008水泥化學(xué)分析方法進(jìn)行。水泥強(qiáng)度測(cè)定按GB/T17671-2007水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)進(jìn)行。體積安定性試驗(yàn)按GB/T 1346-2011水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法進(jìn)行。體積穩(wěn)定性測(cè)定按GB/T 29417-2012水泥砂漿和混凝土干燥收縮開(kāi)裂性能試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋼渣粉與煤矸石的混合熱處理

鋼渣粉與煤矸石不同配比熱處理后游離氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2所列。

表2 摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤矸石對(duì)鋼渣中游離氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 %

由表2可知,隨混合料中煤矸石的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,熱處理后,對(duì)混合料中游離氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低效果提高。煤矸石摻量為40%時(shí),熱處理過(guò)后的混合料游離氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.12%,符合熟料中游離氧化鈣的規(guī)定。故以煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%配制混合料用于探討其對(duì)水泥基材料性能的影響,采用此配比熱處理過(guò)后的化學(xué)組成見(jiàn)表3所列,礦物組成如圖3所示。

表3 煤矸石與鋼渣共混熱處理后化學(xué)組成 %

圖3 混合料熱處理與未熱處理礦物的XRD圖

由表3可知，鋼渣化學(xué)成分鈣多硅少,煤矸石化學(xué)成分硅多鈣少,2種固體廢棄物在共混熱處理后既彌補(bǔ)鋼渣中硅的不足,也彌補(bǔ)煤矸石中鈣的不足。

由圖3可知，混合料在熱處理過(guò)之后固溶體的峰基本消失,出現(xiàn)新峰,初步判斷可能是硅鐵鈣化合物和鐵鋁酸鈣礦物。

2.2 混合料對(duì)水泥體積穩(wěn)定性影響

混合料對(duì)水泥安定性的影響見(jiàn)表4所列。

熱處理與未熱處理混合料對(duì)水泥早期和后期的體積穩(wěn)定性影響如圖4所示。早期水養(yǎng),后期標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)。

表4 混合料對(duì)水泥安定性的影響 mm

由表4可知,加入40%混合料和鋼渣的膨脹值都符合水泥安定性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,加40%混合料和鋼渣試件的膨脹值高于純水泥,表明混合料和鋼渣對(duì)水泥具有一定的補(bǔ)償收縮效應(yīng),混合料效果更佳。

由圖4可知,在水化早期,隨熱處理與未熱處理混合料摻量的增加,水泥石自由膨脹率提高。水化后期隨著水泥石中內(nèi)部化學(xué)減縮作用與水分的蒸發(fā),水泥石體積開(kāi)始收縮,未熱處理混合料對(duì)水泥石體積穩(wěn)定性基本無(wú)影響。熱處理混合料在摻量大于20%時(shí),對(duì)水泥石的體積收縮有一定的抑制效果。這是由于已部分消解的鋼渣,在熱處理后氫氧化鈣分解導(dǎo)致游離氧化鈣有所提高,游離氧化鈣重新水化,產(chǎn)生體積膨脹,從而在一定程度上抑制水泥石體積收縮。

圖4 混合料對(duì)水泥石早期、后期體積穩(wěn)定性影響

2.3 混合料對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響

熱處理的混合料與未熱處理的混合料對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響如圖5所示,抗折強(qiáng)度見(jiàn)表5所列。圖5中，0代表空白樣；1代表10%未燒混合料；2代表20%未燒混合料；3代表30%未燒混合料；4代表10%煅燒混合料；5代表20%煅燒混合料；6代表30%煅燒混合料；7代表20%鋼渣。

由圖5、表5可知,熱處理混合料與未熱處理混合料隨著摻量增大,水泥的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均降低。摻20%混合料的水泥后期抗壓強(qiáng)度都高于單摻20%鋼渣粉的,熱處理混合料的水泥后期抗壓強(qiáng)度高于摻相同含量未熱處理的。這是由于煤矸石與鋼渣的共混熱處理可能出現(xiàn)了具有膠凝性的礦物,煤矸石本身在高溫煅燒的情況下也能分解出活性硅鋁,致使水泥強(qiáng)度增加;未處理混合料中的煤矸石也受到水泥水化的堿性條件激發(fā)下,后期強(qiáng)度也有所增加。

混合料

物 料混合料摻量/%抗折強(qiáng)度/MPa3d7d28d純水泥04.56.58.0104.46.18.0未處理混合料203.14.47.1302.13.46.5103.75.37.9處理混合料203.24.67.2301.63.16.6

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)煤矸石與鋼渣共混熱處理,鋼渣中游離氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低。

(2) 摻加20%熱處理的鋼渣粉混合料與單摻20%鋼渣粉相比,水泥基材料后期力學(xué)性能有所提高。

(3) 煤矸石與鋼渣熱處理混合料對(duì)水泥石的體積收縮有補(bǔ)償效應(yīng),該材料有利于減少水泥混凝土早期開(kāi)裂現(xiàn)象。

[1] 佚名.每月情況通報(bào)(2015年3月份)[J].中國(guó)鋼鐵業(yè),2015(5):1.

[2] 顧建國(guó),蘇世懷,吳結(jié)才.發(fā)揮馬鋼帶動(dòng)作用促進(jìn)安徽鋼鐵產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展[C]//2008年促進(jìn)中部崛起專家論壇論文集.合肥:安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì),2008:427-432.

[3] 李景云.提高鋼渣資源化利用的探討[J].冶金經(jīng)濟(jì)與管理,2013(3):17-20.

[4] 陳邦.從國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃看鋼渣利用專業(yè)人才培養(yǎng)[J].中國(guó)廢鋼鐵,2010(5):33-34.

[5] 劉瑛,方宏輝,盧麗君.鋼渣處理與綜合利用技術(shù)研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程與裝備,2014(9):190-192.

[6] 王斌,張冬健,谷林,等.煤矸石綜合利用的研究概述[J].煤炭加工與綜合利用,2013(3):77-80.

[7] ZHOU S.Study on the reaction degree of calcined coal gangue powder in blended cement by selective solution method[J]. Procedia Earth and Planetary Science，2009,1(1):634-639.

[8] 宮晨琛,宋旭艷,李東旭.煅燒活化煤矸石的機(jī)理探討[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005，23(1):88-91.

(責(zé)任編輯 閆杏麗)

Effect of steel slag modified by coal gangue on the performance of cement-based materials

ZHAI Hongxia, HOU Kewei, JING Zhe, YANG Qi’an

(School of Materials and Chemical Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

Based on the mechanism analysis of coal waste and slag powder raw material， two kinds of solid wastes were mixed and heated to prepare active mixtures， and the content of free calcium oxide in steel slag was studied. The effect of the mixtures on the performance of cement-based materials was analyzed. The results showed that the content of free calcium oxide in steel slag was significantly reduced by coal gangue. With the increase of the content of the mixtures， the volume shrinkage compensation effect of the cement stone was obviously improved. The strength of the cement stone mixed with 20% coal gangue and steel slag was better than that of the cement stone just mixed with steel slag.

steel slag; coal gangue; heat treatment; free calcium oxide; volume stability; mechanical property

2015-11-10；

2016-02-29

安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(1301042127)

翟紅俠(1962-),女,安徽界首人,安徽建筑大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.019

TQ172.718

A

1003-5060(2017)08-1106-04