蔡基偉,劉新陽*,孫玉,張文,尚廣浩
(1. 河南大學循環(huán)與功能建材實驗室,河南 開封 475004;2. 河北智琢新型建材有限公司,河北 邯鄲056200;3. 河南金匯不銹鋼產業(yè)集團有限公司,河南 長葛 461507)
鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢棄物,其產生量為粗鋼產量的 10%~15%。2017 年,全國冶金渣產生量為 3.94 億噸,其中鋼渣產生量為 1.08 億噸,同比增長300 萬噸,但綜合利用率卻很低,轉爐鋼渣的利用率僅為 10%~20%。而在發(fā)達國家,鋼渣的利用率已經超過了 95%[1],而且大都將鋼渣用于土木工程和道路工程。此外,日本還將鋼渣作為營養(yǎng)貧瘠化海域的基質材料和肥料,制造海藻場,改善海底質量[2]。
鋼渣主要化學成分為 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO 和少量 f-CaO、MnO、FeO、P2O5及金屬 Fe 組成,成分與水泥相似[3],是一種富有潛在利用價值的資源。但是鋼渣活性低、雜質含量高,導致其利用率很低。
目前,鋼渣活性激發(fā)方式分為機械激發(fā)、化學激發(fā)和熱力激發(fā)三種。機械激發(fā)一般是通過磨細的方式,增大鋼渣的比表面積,加速水化,提高鋼渣的活性。用粒徑大于 61μm 的粗鋼渣磨細和原樣鋼渣對比,早期和后期水化活性都有所增長,但激發(fā)效果不明顯[4]。化學激發(fā)主要是通過在鋼渣加入激發(fā)劑,在激發(fā)劑形成的堿性環(huán)境中與溶液中的 OH-、Ca2+和 Na+相互反應,使玻璃體瓦解[5]。試驗表明,堿激發(fā)劑能夠有效提高摻鋼渣水泥的強度[6,7]。熱力激發(fā)通過提高鋼渣的水化溫度,使Si-O 鍵和 Al-O 鍵更易斷裂,促進鋼渣玻璃體的瓦解,激發(fā)鋼渣活性。經 100℃ 蒸壓處理的鋼渣—粉煤灰—石膏體系,預處理料摻量為 35% 和 40% 時,強度仍可達到 42.5 級水泥標準[8]。
硅酸三鈣(C3S)是硅酸鹽水泥熟料的主要礦物。C3S 在低于 1250℃ 會分解為硅酸二鈣(C2S),C2S 有多種晶型,主要為 α-C2S、β-C2S 和 γ-C2S 等。α-C2S 在630~680℃ 轉變?yōu)?β 型,溫度降至 500℃ 以下,β-C2S轉變?yōu)?γ-C2S。β-C2S 在常溫下是介穩(wěn)的高溫型礦物,具有較高的活性[9]。所以通過在高溫下與校正料拌合然后急冷的方式以獲得大量的 β-C2S,以此達到提高鋼渣活性的目的。
(1)試驗所用鋼渣為不銹鋼渣,其主要化學成分見表1。
表1 不銹鋼渣化學成分
(2)試驗所用水泥為 P·I 52.5R 硅酸鹽水泥,密度為 3.15g/cm3,比表面積為 301m2/kg;28d 抗壓強度為55.2MPa,其它性能指標詳見表3 中的0# 樣。
(3)試驗所用石膏為濕式脫硫二水石膏。
在煉鋼車間剛剛排出的熔融態(tài)不銹鋼渣中,分別添加鈣質(1#)、硅質(2#)和硅鋁質(3#)校正料,趁熱(約 1300℃)拌合、急冷。(注:由于涉及專利內容,本文三種校正料分別用 1#、2#、3# 表示)
將冷卻后的鋼渣磨成比表面積 450m2/kg 的鋼渣粉,按標準 GB/T 20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》[10]和GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》[11]測試相關性能與活性指數,具體試驗方案見表2。
表2 鋼渣粉活性指數測試試驗方案
按照標準方法,分別測定膠砂流動度和膠砂強度,計算流動度比和活性指數,試驗結果如表3 所示。
表3 膠砂性能結果
通過摻鋼渣粉膠砂試樣的流動度與基準樣的流動度比(見圖1)可以看出,1# 樣和 2# 樣流動度略大于基準樣,3# 樣流動度比最大,1# 樣流動度比最小。各試樣流動度相對于基準樣都有所提高,說明摻入比水泥細的鋼渣對水泥的流動性是有利的,且硅鋁質校正料效果最為明顯。
圖1 摻鋼渣粉膠砂的流動度比
對比各齡期抗折強度(見圖2),3d 強度最高為基準樣(0#),其次是添加硅質校正料的試樣(2#),添加硅鋁質校正料者(3#)最低;28d 強度最高為添加鈣質校正料者(1#),其次為基準樣,說明添加鈣質校正料無助于提高膠砂的早期強度,但有利于后期強度的增長。在鋼渣中添加鈣質校正料能夠促進體系中 C2S 的生成,提高膠凝材料的活性。當體系中 C2S 含量較高時,水化反應速度較慢,所以早期強度較低;隨著養(yǎng)護時間的增加,C2S 的水化越來越完全,膠砂試件后期強度增長較多。
圖2 膠砂的抗折強度
對比各齡期抗壓強度(見圖3),3d 強度最高為基準樣,其次為添加鈣質校正料的試樣(1#),最低為添加硅鋁質校正料者(3#);28d 強度最高為添加鈣質校正料者(1#),其次為添加硅質校正料者(2#),最低為添加硅鋁質校正料者(3#)。說明鋼渣添加鈣質和硅質校正料后,作為混合材制作的膠砂試件早期強度比較低,但后期強度增長多,且能超過基準樣的強度。
各齡期的活性指數變化趨勢(見圖4)與抗折強度、抗壓強度的變化趨勢相同,添加鈣質校正料者(1#)和添加硅質校正料者(2#)早期活性指數較低,而 28d 活性指數均超過了 100%。
圖3 膠砂的抗壓強度
圖4 鋼渣粉活性指數
在添加校正料的各試樣中,各齡期抗壓強度最高均為添加鈣質校正料者,而且活性指數在各齡期也是最高。在高溫下鈣質校正料與鋼渣發(fā)生反應,體系中生成了較多的 C2S,而且在水化過程中,體系的堿度(pH值)提高,表現為體系中 OH-離子的增多,促進了鋼渣玻璃體的解體,從而激發(fā)了活性。
與添加鈣質校正料者相比,添加硅質校正料者抗壓強度與活性指數雖然略低,但 28d 強度與活性指數均超過了基準樣,說明在高溫下添加硅質校正料也能部分解體鋼渣中的非活性成分,從而提高鋼渣的膠凝活性。
(1)鋼渣本身具有一定膠凝活性,但由于活性成分被非活性成分包裹,致使鋼渣活性較低。
(2)在爐前添加鈣質、硅質或硅鋁質校正料,鋼渣試樣的流動度比均大于 100%,其中添加硅鋁質校正料者流動度比最大,說明比水泥顆粒細的鋼渣摻入水泥中能提高膠砂的流動性。
(3)在熔融態(tài)鋼渣中添加鈣質校正料有利于生成更多的 C2S,添加硅質校正料有利于解體鋼渣中的非活性成分,這兩種校正料均能提高鋼渣活性。由于 C2S 水化速率慢,膠砂試件的早期抗折強度、抗壓強度和活性指數都低于基準樣,隨著 C2S 不斷水化,添加鈣質或硅質校正料的鋼渣按 30% 摻入水泥之后, 28d 抗折強度、抗壓強度與活性指數均有大幅提高。
(4)在爐前添加校正料對鋼渣活性的改善,有效地利用鋼渣余熱,同時促進鋼渣的有效利用,減少鋼渣排放對環(huán)境的污染,具有重大的低碳環(huán)保意義。