龍鋼高爐水渣混凝土磚的研究

王 軍 張朝暉 巨建濤

摘要:以龍鋼高爐水渣為主要原料,配以石灰和石膏為堿性激發劑,水泥作為交結劑,通過配料、輪碾、壓力成型,自然養護制成的MU10等級的免蒸高爐水渣混凝土磚,有較高的強度和耐久性。實驗結果表明:高爐水渣和堿性激發劑相結合作為膠凝材料可以部分或全部替代水泥,同時高爐水渣利用率達到85%以上,大大降低了生產成本,具有良好的社會效益、經濟效益和環境效益。

關鍵詞:高爐水渣;體積安定性 :堿性激發劑:抗壓強度

中圖分類號:X756 文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)20-0133-02

陜西龍門鋼鐵集團有限責任公司年產鋼400萬噸,年產高爐水渣40萬噸左右,目前有歷年堆積廢鋼渣200萬噸。龍鋼從1985年開始冶金渣的綜合利用工作,龍鋼環保公司投資建成了利用高爐水渣生產免燒磚2000萬塊的生產線,取得了社會、經濟雙重效益。利用高爐水渣生產免燒磚,它是以高爐水渣為集料,以水泥、石灰為交結料,配以各種外加劑而制成的承重和非承重磚體,它是開發渣山綜合利用的一項新途徑,既能合理利用高爐水渣,又能為建筑業提供經久耐用,價格低廉的材料。

1原料及其特性

①高爐水渣。本研究用的是龍鋼煉鐵廠的高爐水渣(以下簡稱水渣),水渣經磁選后通過3mm孔篩。水渣作建材用于生產水泥和混凝土,由于水渣具有潛在的水硬膠凝性能,在水泥熟料、石灰、石膏等激發劑作用下,可以作為優質的水泥原料,可制成:礦渣硅酸鹽水泥、石膏礦渣水泥、石灰礦渣水泥、礦渣磚、礦渣混凝土等[1,2]。該水渣的化學成分和礦物組成見表1。

②生石灰。細度要求為0.080mm方孔篩,篩余量不大于25%。生石灰要保證有效CaO含量不低于70%,有效CaO含量越高,其對高爐水渣的技法效果就越好。MgO含量要盡量控制,盡量小于4%,因為MgO會影響產品發生吸水反應,產生體積膨脹,使免燒磚炸裂,安定性不良,而且會延長反應時間。同時還會使磚坯在養護曬干過程中,還沒有形成一定強度就已經開裂,另外,石灰的含碳量、可溶性鹽類含量也會影響免燒磚的質量,因此,選用優質石灰十分重要。實踐表明, 生石灰摻量一般應控制在8 %～18 %。對生石灰的質量要求見表2。

③石膏。石膏也是免燒磚的重要原料之一。他用量雖然不大,但卻對高爐水渣的活性激發有很大影響。石膏的加入可以加速石灰與SiO2、Al2O3的化學作用,促進水化硅酸鈣、氯酸鈣的形成,并可加速膠凝物質的結晶過程。在免燒磚反應體系里,石膏起到的是促進劑的作用。他可以和石灰產生協同效應,是激發作用更好的發揮。同時石膏又可以與Al2O3反應,形成鋁硫酸鈣膠凝物質,對免燒磚的強度提高產生直接作用。另外,在免燒磚的配合料中加入相當于石灰用量的2%～3%的石膏,可以使石灰漿體的膨脹值控制在1%左右,有利于體系的安定性。同時,石膏對石灰有緩凝作用,可影響其消化速度,發揮了凝固調節效應,從而可以提高免燒磚的早期強度,尤其對免燒磚的抗折強度影響很大。為降低制品成本,也可以大量利用工業化學石膏。

④水泥。應優先選用高堿度的普通硅酸鹽水泥,盡量避免選用低堿度硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥以及低堿度硅酸鹽水泥。因為水泥的堿性有利于激發高爐水渣的活性,水泥既是交結料又是活性激發劑,其堿度高些,激發效果會更好。

⑤成型水。生產中用水量與水渣的含水量有關。混合料的水料比對制品強度會產生直接影響,水料比過大,坯體不能壓實, 會出現變形甚至倒塌, 成品的空隙率就大。水要預熱到60℃以上,使用熱水有利于提高拌合料的溫度,提高反應速率,縮短免燒磚的固化時間,克服其初期強度低的弊病。水料比如果小,混合料松散,成型性差,易出現分層和缺棱掉角現象。

2水渣不穩定性的機理[3,4]

影響水渣穩定性的因素很多,主要是由于水渣中的氧化鈣和氧化鎂不能和二氧化硅等成分充分反應而形成游離氧化鈣(f-CaO)和游離氧化鎂(f-Mgo)存在于渣中,在作建材或工程材料使用時遇水進行下列反應:

f-CaO+H2O→Ca(OH)2體積膨脹98%

f-MgO+H2O→Mg(OH)2體積膨脹148%

水渣吸水后,f-CaO要消解為Ca(OH)2,體積將膨脹,MgO會變成氫氧化鎂,體積也要膨脹,只有f-CaO、MgO消解完或含量很少時,才會穩定。尤其f-Mgo常溫下完全消解的時間可長達20年之久,由于上述原因導致道路、建材制品或建筑物的開裂而破壞。

水渣中含游離氧化鈣(f-CaO)、MgO、C3S、C2S等,這些組分在一定條件下都具有不穩定性。堿度高的熔渣在緩冷時,C3S會在l 250℃到1 100℃時緩慢分解為C2S和f-CaO;C2S在675℃時β—C2S要相變為y—C2S,并且發生體積膨脹,膨脹率達10%。

3水渣混凝土磚的生產

3.1水渣混凝土磚的生產工藝流程(圖1)

3.2原料配比

在水渣混凝土磚生產線上使用了如表3所示的配比。實際生產時,生產出強度等級不同(MU10～MU20)的轉產品。

3.3工藝參數

①要求水渣的粒度小于2 mm,其中5%～10%的水渣磨細至0.03 mm方孔篩篩余不大于15%。②石灰和石膏的細度要求為0.08 mm方孔篩,篩余不大于25%。③混合料的干混時間控制在2～3 min,濕混時間控制在1分鐘。④混合料的含水率冬季應控制在10%～12%之間,夏季12%～14%。⑤成型壓力為19 MPa。⑥自然養護28天后出廠。

4水渣混凝土磚的特點及技術性能

抽取按表3配比生產的(240mm×115mm×53mm)標準磚,經西安建筑科技大學材料學院實驗室按《氣體磚試驗方法》測試的結果分別見表4。

5結 語

①水渣在建材方面的應用必須解決的問題是提高水渣的體積安定性,使水渣產品達到應用領域的要求。水渣的穩定性決定了水渣能否在建材行業得到有效利用,水渣處理工藝的確定取決于水渣的利用途徑,所以水渣處理工藝是水渣實現資源化利用的前提條件。②通過對龍鋼水渣混凝土磚的研究表明:水渣具有較高的活性,在外加劑石灰、石膏的的催化作用下,可以部分取代水泥作為凝膠材料,既降低了成本又提高了產品的廢渣利用率。

參考文獻:

[1] 肖琪仲.鋼渣的膨脹破壞與抑制[J].硅酸鹽學報,1996,24(6): 635-637.