張愛全

鋼渣性能及其在水泥中的應(yīng)用研究

張愛全

以日鋼熱燜鋼渣為研究對(duì)象，從實(shí)際應(yīng)用開發(fā)角度，通過研究鋼渣粉細(xì)度對(duì)其性能的影響，鋼渣粉摻量對(duì)水泥膠凝材料性能的影響，找到了鋼渣粉、礦渣粉復(fù)合應(yīng)用于不同強(qiáng)度等級(jí)水泥的適合配比，為鋼渣粉生產(chǎn)及其作為水泥混合材使用提供有益的參考。

熱燜鋼渣；活性指數(shù)；膠凝材料性能

鋼渣是煉鋼生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的冶煉廢渣，鋼渣中含有一定的活性組分如C3S、C2S、C3A及鐵鋁酸鹽等礦物[1]，因此鋼渣可作為水泥的活性材料使用。侯新凱等[2]以太鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣為研究對(duì)象，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能量色散譜儀，從微觀層面鑒定鋼渣礦物相并測(cè)定巖相的化學(xué)成分，轉(zhuǎn)爐鋼渣不含游離態(tài)的方鎂石，MgO與FeO、MnO形成連續(xù)固熔體RO相，fCaO相，硅酸鹽礦物相C2S、C3S，以及復(fù)雜的鐵鋁酸鈣固熔體等礦物相。張愛萍、李永鑫[3]通過試驗(yàn)得出，鋼渣：礦渣為3：7時(shí)，力學(xué)性能最好。唐衛(wèi)軍、任中興等[4]研究證實(shí)鋼渣-礦渣水泥混凝土的工作性能良好。

本文以日鋼熱燜鋼渣為研究對(duì)象，從實(shí)際應(yīng)用開發(fā)角度，研究鋼渣粉細(xì)度對(duì)其性能的影響，鋼渣粉摻量對(duì)水泥膠凝材料性能的影響，以及鋼渣粉、礦渣粉復(fù)合應(yīng)用于水泥的合適配比，為鋼渣粉生產(chǎn)及其作為水泥混合材使用提供有益的參考。

表1　鋼渣的化學(xué)成分，%

表2　高爐礦渣微粉理化指標(biāo)

1　試驗(yàn)材料

1.1鋼渣

以日鋼半液態(tài)鋼渣為原料，經(jīng)熱燜工藝處理，再經(jīng)破碎、磁選等工序加工制得鋼渣，然后經(jīng)臥輥磨系統(tǒng)粉磨制得鋼渣微粉，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2礦渣粉

以日鋼高爐礦渣微粉為原料，其理化指標(biāo)如表2所示。

1.3基準(zhǔn)水泥

以中國建筑材料科學(xué)研究總院水泥科學(xué)與新型建筑材料研究院用于?；郀t礦渣粉（GB/ T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》）活性指數(shù)及流動(dòng)度比檢驗(yàn)的對(duì)比水泥為基準(zhǔn)水泥。

1.4熟料粉

將水泥熟料、石膏及少量石灰石（≤5%）共同粉磨至比表面積為350± 10m2/kg，制得水泥熟料粉，SO3比例控制在（2.8±0.1）%。

表3　各批次鋼渣在不同比表面積下的活性

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1不同細(xì)度鋼渣粉活性試驗(yàn)

將熱燜處理后的3個(gè)批次鋼渣（尾渣）分別磨至比表面積為350± 10m2/kg、400±10m2/kg、450±10m2/kg、 500±10m2/kg，制成3d、7d、28d膠砂試件，與基準(zhǔn)水泥對(duì)比研究其活性變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

對(duì)表3數(shù)據(jù)按比表面積取均值并作圖（圖1、圖2）。

圖1　不同齡期活性隨比表面積變化曲線

圖2　不同比表面積活性隨齡期變化曲線

由表3數(shù)據(jù)輔以圖1、圖2可以看出，鋼渣粉活性指數(shù)隨著比表面積的提高表現(xiàn)出不同的增長規(guī)律，3d的活性指數(shù)隨比表面積升高略有降低，而7d和28d的活性指數(shù)總體隨比表面積升高而升高，但有峰值，在450m2/kg時(shí)達(dá)到峰值后開始降低。

這是因?yàn)?，隨著鋼渣粉比表面積的提高，鋼渣中的磷（主要以磷酸三鈣與硅酸二鈣形成的固熔體存在[5]）在早期水化時(shí)容易浸出，浸出的磷延緩了基準(zhǔn)水泥凝結(jié)硬化時(shí)間，對(duì)試塊早期強(qiáng)度不利，體現(xiàn)為鋼渣粉3d活性指數(shù)隨比表面積升高而降低；而到水化中后期，磷對(duì)試塊水化硬化的影響漸小，總體體現(xiàn)為鋼渣粉7d和28d的活性指數(shù)隨比表面積升高而升高。隨著鋼渣粉比表面積的提高，其需水量必然增加，當(dāng)比表面積提高到一定程度（本試驗(yàn)為450m2/kg），鋼渣粉活性絕對(duì)增量不足以抵消因其需水量增加引起的強(qiáng)度減量[6]時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)鋼渣粉活性指數(shù)的“峰值”。需要注意的是，此“峰值”是現(xiàn)有活性指數(shù)檢測(cè)方法的局限性所致，并非鋼渣粉活性指數(shù)的真正峰值。

2.2不同摻量鋼渣粉對(duì)膠凝材料影響試驗(yàn)

在基準(zhǔn)水泥中摻加10%～30%的鋼渣粉（比表面積400m2/kg），研究其凝結(jié)時(shí)間、沸煮安定性、壓蒸安定性和膠砂強(qiáng)度（3d、7d、28d）的變化規(guī)律。

2.2.1凝結(jié)時(shí)間

將鋼渣粉按照比例摻入基準(zhǔn)水泥中，測(cè)得凝結(jié)時(shí)間，見表4。

表4　鋼渣粉不同摻量時(shí)凝結(jié)時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果

表5　鋼渣粉不同摻量時(shí)安定性的試驗(yàn)結(jié)果*

根據(jù)表4繪制水泥凝結(jié)時(shí)間隨鋼渣粉摻量變化曲線圖（圖3）。

由表4和圖3可以看出，摻入鋼渣粉后，水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間會(huì)延長。鋼渣粉摻量由0%增加到30%，水泥凈漿的初凝時(shí)間由145min增加到295min，終凝時(shí)間由225min增加到525min。其中，鋼渣粉摻量由0%增至15%時(shí)，水泥凝結(jié)時(shí)間呈緩慢線性增長，初終凝時(shí)間增長幅度基本同步；鋼渣粉摻量由15%增至30%時(shí)水泥凝結(jié)時(shí)間增幅較大，且終凝時(shí)間增幅大于初凝時(shí)間。

2.2.2安定性試驗(yàn)

將鋼渣粉按照比例摻入基準(zhǔn)水泥中，測(cè)得安定性，見表5。

根據(jù)表5數(shù)據(jù)作安定性曲線圖（圖4、圖5）。

圖3　凝結(jié)時(shí)間隨鋼渣粉占比變化圖

圖4　沸煮安定性曲線

圖5　壓蒸安定性曲線

由表5數(shù)據(jù)輔以圖4、圖5可以看出，水泥的沸煮安定性和壓蒸安定性膨脹度隨鋼渣粉摻量的提高（由0%～40%）而增加，在30%范圍內(nèi)均合格；當(dāng)鋼渣粉摻量達(dá)到35%～40%時(shí)，壓蒸安定性合格，但沸煮安定性達(dá)到5mm，出現(xiàn)不合格。說明鋼渣雖經(jīng)熱燜穩(wěn)定化處理，但仍含有一定fCaO，鋼渣粉作水泥混合材使用時(shí)比例在30%以內(nèi)安定性良好。需要注意的是，該試驗(yàn)所用鋼渣為經(jīng)過熱燜穩(wěn)定化處理的鋼渣。

2.2.3力學(xué)性能試驗(yàn)

將鋼渣粉按照比例（由0%漸次提高到40%）摻入基準(zhǔn)水泥中，測(cè)得水泥膠砂強(qiáng)度，見表6。

表6　鋼渣粉不同摻量時(shí)膠砂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

表7　鋼渣粉和礦渣粉不同摻量時(shí)水泥膠砂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制抗壓強(qiáng)度曲線圖（圖6）。

圖6　抗壓強(qiáng)度曲線圖

由表6數(shù)據(jù)輔以圖6可以看出，隨著鋼渣粉摻量的增大，水泥強(qiáng)度基本呈直線降低趨勢(shì)，而早期強(qiáng)度特別是3d強(qiáng)度趨勢(shì)線斜率更大，說明鋼渣后期水硬性能較前期好，這也印證了鋼渣中C2S相對(duì)較高的有關(guān)論述[4]。需要注意的是，鋼渣粉摻入量達(dá)到20%以上時(shí)，膠砂試件需養(yǎng)護(hù)48h后脫模。

2.3鋼渣粉和礦渣粉復(fù)合性能研究

2.3.1鋼渣粉和礦渣粉對(duì)P·O42.5水泥的影響

通過調(diào)整鋼渣粉和礦渣粉比例，外摻到熟料粉中制備P·O42.5水泥，研究摻入不同比例的鋼渣粉、礦渣粉后對(duì)水泥性能的影響，確定鋼渣粉和礦渣粉的較佳配比。將各比例配料試樣做膠砂試塊，測(cè)得3d、7d、28d水泥強(qiáng)度見表7。

由表7中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)熟料粉比例在85%時(shí)，鋼渣粉的摻量為7%；礦渣粉為8%時(shí)與全部摻15%礦渣粉時(shí)的強(qiáng)度相差很小，而當(dāng)鋼渣粉全部取代15%的礦渣粉時(shí)，水泥強(qiáng)度降低較明顯；若提高水泥中熟料粉的比例至90%，增加鋼渣粉至10%，則3d強(qiáng)度相比熟料粉降低較少，但是28d強(qiáng)度偏低。為保證P·O42.5水泥具有足夠的后期富余強(qiáng)度，熟料粉的比例在85%，鋼渣粉的摻量在7%左右比較合適。需要注意的是，本試驗(yàn)所用熟料粉的后期強(qiáng)度偏低，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制水泥熟料粉的質(zhì)量，并根據(jù)水泥熟料粉的力學(xué)性能對(duì)鋼渣粉的摻量進(jìn)行調(diào)整。

2.3.2鋼渣粉和礦渣粉對(duì)P·C32.5R水泥的影響

通過改變鋼渣粉和礦渣粉比例，外摻到水泥熟料粉中制成P·C32.5R水泥，研究摻入不同比例時(shí)對(duì)水泥性能的影響，并找出鋼渣粉和礦渣粉在P·C32.5R水泥的較佳配比。將各比例配料試樣做膠砂試塊，測(cè)得3d、7d、28d水泥強(qiáng)度見表8。

根據(jù)表8中的數(shù)據(jù)，綜合考慮成本及P·C32.5R水泥的早期強(qiáng)度指標(biāo)及其富余強(qiáng)度要求，從以上方案中選出3號(hào)較佳配比，即熟料粉比例50%、鋼渣粉摻量15%，礦渣粉摻量35%。所選的配合比能夠滿足P·C32.5R水泥的指標(biāo)要求，且成本最低。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，為防止水泥熟料質(zhì)量波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制熟料粉的質(zhì)量，同時(shí)檢測(cè)鋼渣粉、礦渣粉的質(zhì)量，確保水泥產(chǎn)品質(zhì)量受控。

表8　鋼渣粉和礦渣粉不同摻量時(shí)水泥膠砂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)語

（1）鋼渣粉做水泥混合材使用時(shí)，比表面積控制在400～450m2/kg范圍內(nèi)比較適宜。

（2）鋼渣粉對(duì)水泥的凝結(jié)時(shí)間、安定性及強(qiáng)度均有一定影響，其中，鋼渣粉對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響為：摻量≤15%時(shí)影響不大，＞15%時(shí)則影響大幅增加。鋼渣粉對(duì)水泥安定性的影響為：摻量≤30%時(shí)沸煮及壓蒸安定性合格，＞30%時(shí)沸煮法出現(xiàn)不合格；鋼渣粉對(duì)強(qiáng)度的影響為：隨鋼渣粉摻量的增加，水泥強(qiáng)度呈線性下降趨勢(shì)。

（3）鋼渣粉和礦渣粉制備P·O42.5水泥，當(dāng)熟料粉為85%時(shí)，鋼渣粉與礦渣粉按7:8比例復(fù)合效果最佳；鋼渣粉和礦渣粉復(fù)合制備P·C32.5R水泥，當(dāng)熟料粉為50%時(shí)，鋼渣粉與礦渣粉按15:35比例復(fù)合效果最佳。

考慮到鋼渣成分波動(dòng)和熟料粉來源的變化可能會(huì)造成其產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中應(yīng)嚴(yán)格控制熟料粉的質(zhì)量，并對(duì)鋼渣粉質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，以保證水泥產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]張玉柱，雷云波，李俊國，等.鋼渣礦相組成及其顯微形貌分析[J].冶金分析，2011，31（9）：11-17.

[2]侯新凱，徐德龍，楊南如，李虎森.轉(zhuǎn)爐鋼渣礦物相分析和水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[J].冶金環(huán)境保護(hù)，2012，（1）：14-26.

[3]張愛萍，李永鑫.鋼渣復(fù)合摻合料配制混凝土的工作性能與力學(xué)性能研究[J].混凝土，2006,（6）：38-41.

[4]唐衛(wèi)軍，任中興，朱建輝.鋼渣礦渣微粉復(fù)合摻合料在混凝土中的應(yīng)用[J].中國廢鋼鐵，2006，3（6）：32-34.

[5]李遼沙，于學(xué)峰，余亮.轉(zhuǎn)爐鋼渣中磷元素的分布[D].中國科學(xué)院上海冶金研究所.材料物理與化學(xué)（專業(yè)）博士論文，2000.

[6]夏暉，雷娜，俞岳燦，賀烽.影響水泥需水量的主要因素和控制方法[J].水泥工程，2013，（3）：6-9.

Research on the Performance of Steel Slag and its Application in Cement

ZHANG Aiquan
(Rizhao Steel Co.,Ltd.Shandong,Rizhao,276806)

Taking the Rizhao Steel Co.,Ltd.heat-stewed pulverized steel slag as research object,study the affect of the performance of steel slag with different fineness to develop its application and the influence of steel slag powder content on the properties of cementitious materials,found the suitable composition of steel slag powder, slag powder applied to different strength grade cement.It＇s good for steel slag powder production and provides a beneficial reference using it as cement mixed material.

heat-stewed pulverized steel slag;active index;cementitious materials performance

TQ172.44

A

1001-6171（2016）05-0035-05

通訊地址：日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東日照276806；2016-04-01；編輯：趙蓮