利用鋼渣制備水泥熟料及性能研究

劉晶晶，何春艷，宋杰光,2，龐才良，李婧，王瓊，陳光林，陳平

利用鋼渣制備水泥熟料及性能研究

劉晶晶1，何春艷1，宋杰光1,2，龐才良1，李婧1，王瓊1，陳光林3，陳平4

（1. 萍鄉(xiāng)學(xué)院海綿城市研究院，江西 萍鄉(xiāng) 337000；2. 萍鄉(xiāng)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000；3. 江西博泓新材料科技有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337004；4. 桂林理工大學(xué)廣西廢渣建材資源利用工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林 541004）

煉鋼廠電弧爐產(chǎn)生的鋼渣中化學(xué)成分與水泥原料的化學(xué)成分相似，利用鋼渣作為水泥原料之一，可用來制備水泥熟料。水泥的主要原料是石灰石、頁巖、河沙、鋼渣，通過破碎礦物球磨制取原料的粉末、篩選、配比、混料、煅燒、破碎、球磨、混合、成型及性能的測試分析，可得出如下結(jié)論：水泥熟料會隨鋼渣摻入量增多出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，鋼渣摻入量最大值會因溫度升高而降低，越大粘鍋現(xiàn)象越嚴(yán)重；空冷方式優(yōu)于爐冷方式，空冷得到的熟料硬化后幾乎無開裂；15％的鋼渣摻入量在1300℃煅燒，保溫2 h，500℃取出空冷能得到性能最佳的水泥熟料，水泥水化硬化后不出現(xiàn)裂紋，硬度較高，密度最大，球磨后粒度較好。

鋼渣；水泥熟料；煅燒；摻入量

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，水泥在國民經(jīng)濟建設(shè)中需求量越來越大。水泥行業(yè)的發(fā)展雖然加快了我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進度，但同時也給我們帶來了諸多的“困擾”，如原材料的大量開采對環(huán)境造成了極大的破壞。我國鋼鐵行業(yè)每年會產(chǎn)生大量的鋼渣廢棄材料，而這些鋼渣的化學(xué)成分與水泥原料的化學(xué)成分相似，因此，我們想嘗試?yán)娩撹F廠產(chǎn)生的廢棄鋼渣，代替部分水泥的生產(chǎn)原料制作水泥[1~3]。

在國內(nèi)，鋼渣一般是選擇堆棄在戶外的土地上，許多有害物質(zhì)會擴散到周圍環(huán)境中，對周邊居民、建筑造成不良影響，也是一種安全隱患。如何最簡單地處理鋼渣，使鋼渣的處理過程能耗低、可操作性強，提高利用率等問題，成為工程應(yīng)用的研究熱點[4~6]。作為可以代替水泥部分原料的鋼渣[7~8]，探究鋼渣摻量的控制和制作工藝也顯得格外重要。

本研究所用的水泥的主要原料是石灰石、頁巖、河沙、鋼渣，本文通過破碎礦物球磨制取原料的粉末，篩選、配比、混料、煅燒、破碎、球磨、混合、成型并對性能進行測試分析，對配比、煅燒溫度、冷卻方式影響水泥性能的因素進行研究，為優(yōu)化水泥性能提供參考。

1 實驗方法及設(shè)備

將鋼渣原料用破碎，再過200目的篩子，選出細(xì)的粉體。將原料的粉體經(jīng)過EDS能譜儀測試出石灰石碳酸鈣的含量、砂巖中二氧化硅的含量、頁巖中二氧化硅的量和氧化鋁的量，以及鋼渣中各化學(xué)成分（如表1所示）。根據(jù)原料的化學(xué)組成和煅燒時會發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，計算出原料中石灰石、砂巖、頁巖大致的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及加入鋼渣的量，如表2所示。

表1 鋼渣的化學(xué)成分

表2 水泥的原料配比

將混合好的料裝剛玉坩堝中，置于SMF1700-40箱式高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)煅燒。煅燒后的水泥熟料塊體用錘子破碎后，再用球磨機粉磨。取少量細(xì)磨后的粉體進行XRD檢測和粒度分析。磨細(xì)的水泥粉體加入河砂、水后混合，泥︰沙︰水=8︰3︰4，做成混凝土試樣。觀察試樣凝結(jié)過程，凝結(jié)時開裂情況，經(jīng)過凝結(jié)之后，測試其性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鋼渣摻入量影響水泥熟料的性能

由圖1可以看出，煅燒后水泥熟料的外觀隨鋼渣摻入量由5 wt％增至20 wt％的變化，收縮量變大、形成的塊體越來越大且硬度也越高、越明顯說明水泥熟料塊體的硬度變大。由此可以斷定，鋼渣的摻入量必有上限值。隨鋼渣摻入量增多，收縮量和融化的越多，一方面，可能是因為煅燒溫度過高，其中鋼渣中金屬元素融化導(dǎo)致熟料的燒結(jié)現(xiàn)象，硬度極高；另一方面，在冷卻過程中，受溫度的影響，只有少量的熔劑礦物形成晶體析出，其他大部分來不及析晶以玻璃態(tài)存在，產(chǎn)生大量的玻璃相[9~10]。鋼渣摻入量多會造成煅燒后塊體空隙增多，使熟料熔點降低，出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象、硬度變大越明顯。

圖1 不同摻量相同條件煅燒后的水泥熟料圖

由圖2知，煅燒的溫度也受鋼渣摻量的影響，相同溫度煅燒下不同摻量，鋼渣量增多煅燒后水泥熟料塊提越來越硬，甚至出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象。當(dāng)超過一個值時，煅燒時將會產(chǎn)生玻璃相，這些相的生成使熟料用錘子也無法破碎。通過多組實驗，在確保煅燒后水泥熟料內(nèi)生成有效成分硅酸二鈣、三鈣的情況下，在不同煅燒的溫度和不同的冷卻方式下，進行實驗探究，發(fā)現(xiàn)溫度和冷卻方式都與鋼渣摻量存一定關(guān)系，每降低50℃的溫度鋼渣最大摻量就會增多，煅燒溫度過低產(chǎn)生的水泥有效成分減少，出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，在1250℃以上才開始生成硅酸二鈣、三鈣，所以溫度過低可能得不到水泥的主要成分。經(jīng)過一些交叉的實驗論證，得出一些溫度下鋼渣摻量最值的范圍，如表3所示。

圖2 鋼渣摻入量對熟料破碎性能影響

表3 不同溫度/冷卻方式下水泥中鋼渣摻入最大量

2.2 煅燒后冷卻條件的不同對水泥熟料制作成混凝土的影響

查閱文獻(xiàn)中得知水泥熟料的冷卻過程也很關(guān)鍵。首先C2S在＜500℃時，由β-C2S轉(zhuǎn)變?yōu)棣?C2S，密度會減小而使體積增大大約10%，從而使水泥熟料塊變成粉末狀，粉化后的γ-C2S與水反應(yīng)，幾乎沒有了水硬性，因此在小于500℃時應(yīng)急冷。如表4所示，為了方便后續(xù)實驗的標(biāo)記和記錄，暫且稱爐冷和空冷這兩種冷卻方式。

表4 煅燒時不同的冷卻方式

圖3 混凝土試樣的養(yǎng)護凝結(jié)形貌圖

2.3 鋼渣水泥的性能評價

2.3.1 水泥熟料物相分析

圖4 鋼渣摻入量對水泥熟料XRD圖譜影響

2.3.2 鋼渣水泥水化試樣的密度分析

鋼渣水泥水化試樣的密度分析如表5所示。

表5 不同鋼渣含量的水泥水化后的密度變化

隨鋼渣摻入量的增加，密度先增大后減小，因為鋼渣中氧化鐵、四氧化三鐵等的密度遠(yuǎn)大于石灰石、頁巖中的化學(xué)成分，鋼渣增大，可改善水泥的流動性，使得熟料煅燒時鋼渣填補其他生料間隙，生料形成一種合理的級配，在煅燒后隨著鋼渣摻入量的增加，水泥熟料塊體收縮增大，但是會有一個最大值，在最大值之前，隨鋼渣摻量增多，在水泥凈漿中具有軸承效果，可改善了水泥攪拌時的流動性，使密度增大；超過最大值之后，隨鋼渣增多，水泥熟料出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，一些塊體無法細(xì)磨，使密度降低。硬化后密度越大的混凝土試樣越致密，性能也越優(yōu)化。在一定范圍內(nèi)，鋼渣摻入會使水泥性能有所改善，因此，綜合考慮從而選取最優(yōu)的鋼渣摻入配比，即15%鋼渣摻入量。

2.3.3 水泥熟料的粒度

圖5 水泥熟料粒度及粒度分布

結(jié)論

通過破碎礦物球磨制取原料的粉末，篩選、配比、混料、煅燒、破碎、球磨、混合、成型并對其性能的進行測試分析，可得出如下結(jié)論：水泥熟料會隨鋼渣摻入量增多出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，鋼渣摻入量最大值會因溫度升高而降低，越大粘鍋現(xiàn)象越嚴(yán)重。空冷方式優(yōu)于爐冷方式，空冷得到的熟料硬化后幾乎無開裂。15％的鋼渣摻入量在1300℃煅燒，保溫2 h，500℃取出空冷，能得到性能最佳的水泥熟料，水泥水化硬化后不出現(xiàn)裂紋，硬度較高，密度最大，球磨后粒度較好。

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Study on the Preparation and Performance of Cement Clinker Made of Steel Slag

LIU Jing-jing1, HE Chun-yan1, SONG Jie-guang1,2, PANG Cai-liang1, LI Jing1, WANG Qiong1, CHEN Guang-lin3, CHEN Ping4

(1. Sponge City Research Institute, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000; 2. School of Materials and Chemical Engineering, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000; 3. Bohong New Material Technology Co., Ltd. of Jiangxi Province, Pingxiang Jiangxi 337004; 4. Engineering Technology Research Center for Waste Residue Building Materials Resource Utilization of Guangxi, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541004, China)

Steel mills produce nearly trillion tons of steel slag waste annually, and the chemical composition of steel slag provided by the electric arc furnace in steel mills is similar to that required for cement raw materials. The steel slag is used as one of the cement raw materials to prepare cement clinker and the performance is researched. The main raw materials of cement are limestone, shale, river sand, and steel slag, of which the powder is obtained by ball milling of crushed minerals, screening, proportioning, mixing, calcining, crushing, ball milling, mixing, molding and testing performance. It can be concluded that cement clinker will be sintered with the increase of steel slag mixture, and the maximum amount of steel slag mixture will be decreased by the rise of temperature, and sticky pan phenomenon gets more serious with the increase of steel slag mixture steel slag mixture. Air-cooling is better than furnace-cooling since the clinker obtained by air-cooling has almost no cracking after hardening. With 15% of steel slag calcined at 1300℃, insulated for 2 hours, and air-cooled at 500℃, the clinker obtained has the best performance for there is no cracking after hardening, with high hardness, highest density, and good particle size by ball milling.

steel slag; cement clinker; calcination; the volume of steel slag added

2020-03-15

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201910895010）；江西省教育廳科技項目（GJJ191159）；江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目（JXJG-18-22-2）；萍鄉(xiāng)學(xué)院科技基金項目（2019D0201）

劉晶晶（1998—），女，江西贛州人，無機非金屬材料工程專業(yè)2018級本科學(xué)生。

宋杰光（1977—），男，四川廣安人，教授，博士，研究方向：海綿工程材料研究，E-mail: sjg825@163.com。

TU528

A

2095-9249（2020）03-0111-06

〔責(zé)任編校：吳侃民〕