改性鋼渣作水泥混合材的基礎性能研究

蔡振雷，張玉柱，龍躍，邢宏偉，田鐵磊

改性鋼渣作水泥混合材的基礎性能研究

蔡振雷，張玉柱，龍躍，邢宏偉，田鐵磊

采用高溫將粉煤灰和鋼渣熔融得到改性鋼渣，對摻加改性鋼渣后所得水泥的微觀結構和宏觀力學性能進行研究與分析。結果表明：添加改性鋼渣可降低改性鋼渣水泥中fCaO的含量；添加改性鋼渣水泥的強度比添加普通鋼渣水泥的強度略低，但仍可滿足P·SS32.5R級水泥強度的要求；改性鋼渣作水泥混合材是可行的。

粉煤灰；改性鋼渣；安定性；強度

1 引言

鋼渣是煉鋼生產的副產品，其礦相組成與硅酸鹽水泥熟料相似，可用作水泥混合材料。但鋼渣的易磨性差，fCaO含量高，對水泥的安定性有不良影響。粉煤灰是燃煤發電廠排出的工業廢渣，本身具有一定的火山灰性質，它可以作為活性混合材料用于水泥的生產，而目前鋼渣還不能大量運用到水泥的生產過程中，如果將這兩種廢渣結合起來，降低不利影響，廣泛應用于生產，在一定程度上可達到保護環境和資源再利用的目的。我們采用高溫熔融的方法，將這兩種物質熔融得到改性鋼渣。通過對添加改性鋼渣制備的水泥進行研究，探索改性鋼渣對制備水泥的影響機理。

2 試驗

2.1 試驗原材料

（1）水泥熟料

水泥熟料為唐山冀東水泥公司生產的普通硅酸鹽水泥熟料。粉磨前采用60mm×100mm顎式破碎機破碎。其化學成分見表1。

（2）改性鋼渣

普通鋼渣取自唐鋼中厚板材有限公司，采用顎式破碎機破碎至5mm以下備用，其化學成分見表1。普通鋼渣中加入15%的粉煤灰，混合后加入到氧化鎂坩堝中，再放進高溫加熱爐中加熱，按設定的升溫程序升至1350℃以上熔融得到改性鋼渣。

（3）粉煤灰

粉煤灰原料取自唐山西郊熱電廠，屬于二級粉煤灰，其化學成分見表1。

（4）石膏

石膏為天然二水石膏，SO3含量為39%。

2.2 試驗設備與方法

粉磨采用SM?500mm×500mm的實驗室小型球磨機，細度按GB/T1345-2005測定，安定性、標準稠度用水量、凝結時間按GB/T1346-2011測定，強度按GB/T17671-1999測定。

表1 鋼渣、水泥熟料和粉煤灰的化學成分，%

改性鋼渣作水泥摻和材料的配方如下：水泥熟料65%、改性鋼渣30%、石膏5%。將上述三種原料混磨，最后對制成的水泥作性能檢測。

表2 鋼渣水泥性能檢測結果

3 試驗結果與分析

3.1 性能檢測結果

試驗中添加普通鋼渣所得水泥記為P，添加改性鋼渣所得水泥記為F，其物理性能檢測結果見表2。

3.2 改性鋼渣水泥SEM微觀形貌分析

為進一步了解改性鋼渣水泥的水化產物和結構，分別對3d和28d的改性鋼渣水泥試樣進行掃描電鏡觀測，檢測結果如圖1和圖2所示。由圖1可以看出，水泥試樣有大量水化產物形成，且相互搭接、填充，伴有凝膠C-S-H、鈣礬石、未水化C3S及復雜的網狀結構。隨著時間的遷移，水化強度不斷增強，形成的水化產物不斷發生交織和連生，使得水泥的孔隙率降低，有利于水泥獲得較密實、堅固的結構（如圖2所示），從而使水泥具有較高的強度。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 摻加改性鋼渣水泥安定性分析

fCaO水化后形成Ca(OH)2易產生體積膨脹，這是導致水泥安定性不良的最主要的因素，fCaO含量越高對水泥安定性影響越大。可以通過摻加不同礦渣或者降低堿度的方法來達到降低fCaO含量的目的。由于粉煤灰中CaO含量很低，添加后在一定程度上可達到此目的。鋼渣摻加粉煤灰高溫重熔改性后其fCaO含量見表3。

由表3可知，鋼渣添加粉煤灰后fCaO的含量大大降低，其最大值為2.27%，最小值為1.46%，平均值為1.75%，fCaO的含量遠遠小于4.93%這一普通鋼渣中fCaO的含量。根據國家標準(GB/T20491-2006)中規定“用于水泥和混凝土的鋼渣微粉fCaO含量必須低于3%”。表3顯示fCaO含量完全能夠滿足用于制作水泥的要求。由此可以斷定添加改性鋼渣后的水泥安定性是合格的。

由表1可以發現粉煤灰和鋼渣中的MgO含量很高，而fMgO也是影響鋼渣水泥安定性的一個重要因素。fMgO對水泥的影響機理與fCaO相似，即水化膨脹。但MgO經過1350℃的高溫熔融，晶粒逐步發展粗大，結構變得致密，冷卻后成死燒狀態，此時MgO的水化速度非常緩慢，甚至1～2年時間內還不能完全水化，因此，對水泥的安定性沒有直接影響。此外，水泥熟料和二水石膏中都含有一定量的SO3，白波等人[4]的研究結果表明：摻入SO3組分后，熟料中fCaO含量增加，但加入MgO可減輕這種不利影響，間接地降低fCaO對鋼渣水泥安定性的不利影響。

3.3.2 摻加改性鋼渣水泥標準稠度用水量和凝結時間分析

由表2可知，改性鋼渣水泥的標準稠度用水量稍高于普通鋼渣的標準稠度用水量。粉煤灰顆粒本身是表面光滑的球形顆粒，這些光滑的粒子可以在水泥中滾動，使水泥-粉煤灰體系的流動性提高，降低用水量，同時粉煤灰顆粒有一定的潤滑作用，起到減水作用。然而，粉煤灰顆粒要比水泥顆粒小得多，用于包裹粉煤灰顆粒的水分會大大增加，包裹粉煤灰顆粒所需的水分大于上述減少的用水量，使得總體的標準稠度用水量略有增加[3]。

表3 添加粉煤灰改性后鋼渣中fCaO含量

凝結時間也是水泥中一項不可忽視的重要指標。影響水泥凝結時間的因素很多，主要包括水泥中的礦物組成和含量、水灰比、石膏加入量等。從試驗所得數據來看，改性鋼渣水泥的初凝時間比普通鋼渣水泥的初凝時間略短，而終凝時間明顯延長。水泥中的C3A溶解度較大，水化的速度很快，再加上改性鋼渣水泥的活性比普通鋼渣水泥要高，使得水泥的初凝時間縮短；鋼渣添加粉煤灰后，水泥熟料礦物所占比例會相應減少，導致有效水灰比增大，使得水泥的水化速率減慢，表現為水泥的終凝時間延長。

3.3.3 摻加改性鋼渣水泥強度分析

普通鋼渣水泥強度與改性鋼渣水泥強度對比見圖3和圖4。由圖可知，普通鋼渣水泥的強度總體上大于改性鋼渣水泥的強度。

由圖3可知普通鋼渣水泥的抗壓強度大于改性鋼渣水泥的抗壓強度。一方面，添加粉煤灰后，水泥的有效水灰比增大，溶液中Ca2+離子濃度降低，水泥-粉煤灰體系總的水化速度減慢，相應地降低了摻加改性鋼渣水泥的抗壓強度。另一方面，由于粉煤灰是高溫燃燒后的熔融產物，每個小顆粒的表面非常致密，與Ca(OH)2反應的速度非常緩慢。國內外大量資料研究表明[5]：粉煤灰的活性在3個月后才開始發揮，這使得大部分添加粉煤灰的水泥的早期強度偏低。而隨著粉煤灰活性的激發，改性鋼渣水泥的強度會不斷增強，這也是添加粉煤灰制備水泥的一個共性。

由圖4可見，改性鋼渣水泥的抗折強度與普通鋼渣水泥的抗折強度在水化前期相差不大，到了后期普通鋼渣水泥的抗折強度大于改性鋼渣水泥的抗折強度。金柏芳[2]研究表明：影響水泥抗折強度的主要因素首先是粒徑，其次是水灰比，而水泥的抗折強度會隨水灰比的增大而減小。試驗采用的是同種方式的混磨，因此所得水泥粒徑基本相同。在水泥粒徑相同情況下，水灰比就變成了最主要因素。由于添加粉煤灰后，改性鋼渣水泥的有效水灰比增大了，與之相反，它的抗折強度就減小了。

綜上所述，添加粉煤灰后，使得改性鋼渣水泥的整體強度比普通鋼渣水泥要低，但這一強度仍可滿足P·SS32.5R級水泥的強度要求。

4 經濟環保效益分析

生產改性鋼渣水泥所需成本低于普通鋼渣水泥。以唐山地區為例，水泥熟料的價格為320元/t，普通鋼渣250元/t，二級粉煤灰價格90元/t，按試驗所用配比計算每噸水泥的成本可降低8元，由此可產生巨大的經濟效益。同時，在生產過程中可充分利用普通鋼渣和粉煤灰兩種廢棄物，減少對環境的污染，還可減少治理這些污染所需的資金。

5 結論

（1）鋼渣添加粉煤灰高溫熔融后添加到水泥中，可有效減少水泥中fCaO的含量，降低對水泥安定性的影響。

（2）改性鋼渣水泥的標準稠度用水量、凝結時間等與普通鋼渣相差不大，可滿足制備鋼渣水泥的要求。

（3）改性鋼渣水泥的早期強度普遍低于普通鋼渣水泥的強度，但能滿足水泥的強度需要，隨著時間的遷移，粉煤灰的活性會逐步激發，改性鋼渣水泥的后期強度也會不斷增強。

（4）鋼渣添加粉煤灰高溫熔融后做水泥混合材料，可充分利用廢棄物，降低廢棄物對環境污染的不利影響。

[1]陳益民，張洪滔,等.磨細鋼渣粉做水泥高活性混合材料的研究[J].水泥，2001(5):1-4.

[2]金柏芳.水泥混凝土抗折強度影響因素的試驗分析[J].公路，2004-05(5):158-160.

[3]楊志賓，韓敏芳,等.高摻量粉煤灰水泥制備與性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2008-01,37:637-640.

[4]白波,等.MgO對水泥熟料煅燒的影響[J].水泥技術，2008-04:69-71.

[5]董剛.粉煤灰和礦渣在水泥漿體中的反應程度研究[D].北京：中國建筑材料科學研究總院，2008.

Research on Basic Properties of Cement by Adding Modified Steel Slag Mixed Fly Ash

CAI Zhen-lei,ZHANG Yu-zhu,LONG Yue,XING Hong-wei,TIAN Tie-lei
(Hebei United University,Tangshan 063009,China)

Modified steel slag was prepared by mixing molten fly ash and steel slag at high temperature.We have studied its microscopic structure and macroscopic mechanical properties.The results showed that:The content of the fCaO was decreased by adding modified steel slag;The strength of the modified steel slag cement is a little lower than the ordinary one,but the strength was still meeting the need of P·SS32.5R cement.It is feasible that modified steel slag can become one of the cement materials.

fly ash;modified steel slag;stability;strength

TQ172.44

A

1001-6171（2012）05-0028-03

通訊地址：河北聯合大學，河北 唐山 063009；

2012-02-08；

沈 穎

河北省應用基礎重點研究項目（10965633D）