攀鋼鋼渣細粉對水泥膠凝性能的影響

石 巖 王 佳 陳海焱 馮啟明 黃 陽

(1.固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室，四川綿陽621010;2.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽621010)

鋼渣是煉鋼過程中排出的廢渣，約占鋼產量的15%。作為世界第一產鋼大國，我國2013年的鋼產量達7.79億t。據(jù)此推算，我國目前年產鋼渣達1億t以上，而實際利用率卻只有20%左右，遠低于歐美國家65%以上的水平，因而我國鋼渣可謂堆積如山，這不僅污染環(huán)境、而且占用寶貴的土地資源［1-3］。

雖是煉鋼廢渣，鋼渣仍有著廣闊的應用領域，國內外專家學者對鋼渣的資源化利用進行了大量的研究［4-9］。用于建材行業(yè)是鋼渣的主要用途之一，但也存在一些問題，如其中的硅酸鹽礦物結晶完整不利于水化、f－CaO會導致鋼渣水泥的安定性不良等［10-12］。研究表明，細磨是激發(fā)鋼渣活性和鋼渣水泥安定性的有效手段［13］，因此，鋼渣的利用正朝粉末化的方向發(fā)展。本試驗研究了鋼渣細粉的粒度和摻量對水泥膠凝性能的影響。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料及加工

1.1.1 試驗原料

試驗所用轉爐鋼渣來自攀鋼集團成都鋼鐵有限責任公司，水泥熟料(用于制作P.Ⅰ42.5型水泥)由四川峨勝水泥集團股份有限公司提供。鋼渣和水泥的主要化學成分見表1，鋼渣XRD分析結果見圖1。

表1 鋼渣及水泥的主要化學成分分析結果Table 1 Main chemical composition analysis of steel slag and cement

圖1 鋼渣的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of steel slag

由表1可見，鋼渣和水泥熟料的主要化學成分相似，均以 CaO、SiO2、Al2O3和 Fe2O3為主，水泥和鋼渣中這4種成分的總含量分別為96.58%和81.04%。鋼渣的堿度系數(shù)為1.97(即CaO的含量與SiO2和P2O5含量和之比)，屬中等堿度鋼渣。

由圖1可見，鋼渣中的主要礦物有黑鈣鐵礦、氫氧鈣石、硅酸三鈣和錳鋁礦等。

1.1.2 原料加工

試驗用1#鋼渣細粉由鋼渣原料經過顎式破碎機和對輥式破碎機破碎、球磨機磨礦制得;2#、3#鋼渣細粉是將1#鋼渣細粉進行超細粉碎，由氣流粉碎機制得，制作2#、3#鋼渣細粉時氣流粉碎機的分級機轉速分別為600、1 500 r/min;4#為水泥熟料，經球磨機粉碎制得。各樣品粒度特性見表2。

表2 各樣品粒度特性分析結果Table 2 Characteristics analysis of particle size of different samples μm

1.2 試驗方法

(1)摻鋼渣細粉的水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性試驗按照《GB/T1346—2001 水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行。

(2)摻鋼渣細粉的水泥膠砂強度試驗按照《GB/T17671—1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行，測定3、7和28 d的強度。

(3)鋼渣細粉活性指數(shù)的測定按照《GB/T20491—2006 用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》進行，分別測試不同粒度鋼渣細粉的活性指數(shù)。

2 試驗結果及分析

2.1 不同粒度鋼渣細粉對水泥標準稠度需水量、凝結時間和安定性的影響

1#、2#、3#樣分別與 4#樣按質量比 30∶70 制成水泥凈漿，測定各凈漿的標準稠度用水量、凝結時間和安定性，并與單一4#樣的水泥凈漿性能指標進行比較，結果見表3。

表3 鋼渣細粉粒度對水泥標準稠度需水量、凝結時間及體積安定性的影響Table 3 The effects of steel slag particle size on the water requirement of normal consistency，setting time and soundness of cement

由表3可知，摻入的鋼渣細粉粒度越細，水泥的標準稠度需水量增大，這是因為鋼渣細粉粒度越細、比表面積越大、需要用來包裹它的水越多［14］;摻入的鋼渣細粉粒度越細，初凝和終凝時間越長，但均滿足初凝時間＞45 min，終凝時間＜390 min的水泥規(guī)范要求;煮沸法檢驗表明，摻鋼渣細粉的水泥體積安定性合格。摻入鋼渣細粉的水泥標準稠度需水量、凝結時間與普通硅酸鹽水泥的性能指標非常接近。

2.2 不同粒度鋼渣對水泥膠砂強度的影響

試驗分別對1#、2#、3#樣與 4#樣按質量比 30∶70制成的水泥膠砂強度與單一4#樣的水泥膠砂強度進行了比較，結果見表4。

表4 鋼渣細粉粒度對水泥膠砂強度的影響Table 4 Effect of particle size of steel slag on strength of cement mortar

由表4可知，在鋼渣細粉摻量一定的情況下，摻入的鋼渣細粉粒度越細，水泥膠砂的強度和活性指數(shù)越高;對應的2#、3#鋼渣細粉7 d的活性指數(shù)均大于75%，28 d活性指數(shù)均大于80%，滿足一級鋼渣細粉的技術要求;摻加2#、3#鋼渣細粉的水泥28 d抗壓強度和抗折強度滿足P.S.A 32.5級水泥的抗壓強度要求，可廣泛用于建材行業(yè)。

摻入的鋼渣細粉粒度越細，水泥膠砂的強度越高，這是因為經超細粉碎后的鋼渣，粒度越細，比表面積越大，活性越高，越容易發(fā)生水化反應生成大量的水化產物，從而提高硬化漿體的致密度和強度［15］。

2.3 鋼渣摻量對水泥膠砂強度的影響

用2#鋼渣細粉替代10%、20%、30%、40%、50%的4#樣與不摻加鋼渣的4#樣進行水泥膠砂強度對比，結果見圖2、圖3。

圖2 鋼渣摻入量對水泥抗壓強度的影響Fig.2 Effect of mixing amount of steel slag on compressive strength of cement mortar

圖3 鋼渣摻入量對水泥抗折強度的影響Fig.3 Effect of mixing amount of steel slag on flexural strength of cement mortar

由圖2、圖3可知，隨著鋼渣細粉摻入量的增加，水泥砂漿的抗壓強度和抗折強度不斷下降。當鋼渣細粉的摻量超過30%后，水泥砂漿的抗壓強度和抗折強度加速下降。由于鋼渣細粉的水化活性比水泥熟料低，鋼渣細粉摻入量的增加、水泥熟料質量分數(shù)的下降，必然導致水泥砂漿膠凝性水化產物生成量減少，硬化漿體的孔隙率上升，致密度下降，因此水泥膠砂試塊的強度降低［16］。

3 結論

(1)鋼渣細粉粒度越細，水泥的標準稠度需水量越大，初凝和終凝時間越長。

(2)摻入一定量的鋼渣，細粉粒度越細，水泥膠砂的強度和活性指數(shù)越高;D50=6.21μm和D50=3.17μm的鋼渣細粉按30%取代水泥時，鋼渣復合水泥的強度和安定性均滿足國家P.S.A 32.5級水泥標準要求。

(3)向水泥中摻加粒度一定的鋼渣細粉，水泥膠砂的強度隨鋼渣細粉摻入量的增大而下降，當鋼渣細粉的摻量超過30%以后，水泥膠砂的強度加速下降。

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