鋼渣粉回收利用及對水泥強度的影響分析

劉奎

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司,湖南長沙 410011)

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鋼渣粉回收利用及對水泥強度的影響分析

劉奎

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司,湖南長沙 410011)

摘要:鋼渣的成分、性質與水泥熟料相似,它能以各種形式摻入水泥中用作水泥的生產原料,可節約資源和解決鋼渣堆積回收問題,但其易磨性、安定性和活性激發影響了鋼渣在水泥行業中的應用。文中通過試驗,分析鋼渣不同比表面積和不同摻入量對水泥強度的影響,找出適當的比表面積和摻入量,從而確定水泥生產中鋼渣配比方案。

關鍵詞:公路;鋼渣;比表面積;摻入量;配比方案

隨著人們環保意識的增強,廢棄鋼渣的綜合利用受到廣泛關注,并得到不同程度的開發和利用。鋼渣是繼礦渣、粉煤灰之后具有較大產量和利用價值的可回收資源,其回收利用需在分類處理、分級加工的基礎上進行,以降低成本或改善其性能。

1 鋼渣在水泥行業中的回收利用

研究鋼渣在水泥中的高效利用,有助于提高鋼渣的使用率和附加值,且能降低水泥成本,促進水泥行業的“綠色”發展。

(1)目前鋼渣摻量為20%～50%的鋼渣水泥可分為鋼渣沸石熟料、無熟料鋼渣礦渣水泥、礦渣硅酸鹽水泥、少熟料鋼渣礦渣水泥和鋼渣硅酸鹽水泥5類。鋼渣水泥具有耐磨、耐腐蝕性高,水熱化低,抗凍和后期強度高等一系列優點。

(2)在礦渣微粉被普遍應用之后,近年來鋼渣微粉的開發利用成為了熱門話題,無論是單純的鋼渣生產微粉,還是與其他礦渣的復合微粉都能對水泥生產中易磨性差異問題產生良好的消除作用。

(3)經穩定化處理的鋼渣能用作道路的墊層及基層,其強度、抗彎沉性、抗滲性都比天然石材好,但將鋼渣用作道路材料其附加值相對較低,無論是建筑企業還是鋼鐵企業對這方面都不是很重視。

(4)通過穩定化處理的鋼渣,可用作地面磚、免燒磚及砼預制件等建筑材料,其產量較大,高達60%,與黏土磚或粉煤灰磚相比其強度和耐久性都有優勢,可節約水泥及黏土。

2 影響鋼渣在水泥行業中應用的因素

鋼渣的物理、化學性質決定了其用于水泥行業時存在一定的缺陷,主要表現在:

(1)易磨性差。目前,大多認為鋼渣是一種難以被粉末的物料,這是生產中一個不可忽視的問題。主要是因為鋼渣粉中含有高達97%的幾乎不能磨細的金屬鐵。除硬度大外,韌性也是其易磨性差的原因之一。但隨著磁選技術的進步,剔除鋼渣中的鐵后其易磨性明顯上升。

(2)安定性差。在鋼渣應用于水泥、砼行業時,其體積安定性是不能忽視的一個重要因素。鋼渣的安定性不良是由其中氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵等造成的,尤其是容易發生體積膨脹的氧化鈣、氧化鎂水化反應,這是影響鋼渣安定性的最主要原因。

(3)活性激發低。硅酸鹽、鋁酸鹽等礦物使鋼渣具有膠凝性,這些礦物晶體完好、晶粒大,氧化鐵、氧化鎂也摻雜其中,在高溫、冷卻時產生大量介穩態的玻璃體,鋼渣活性降低,使得鋼渣作為混凝材料應用于水泥砼中受到限制。因此,需要激發鋼渣的活性。鋼渣活性激發方式包括化學激活法、機械激發法和熱力激發法。

3 鋼渣比表面積和摻量對水泥強度的影響

3.1 試驗原料

試驗原料包括比表面積分別為430、450、470、500 m2/kg的鋼渣(其化學成分見表1),石膏,水泥熟料(其化學成分見表2),ISO標準砂,自來水。

3.2 試驗方案

制作不同鋼渣比表面積和摻量的水泥試件,放入水環境中進行適當養護,測定其抗折強度和抗壓強度,分析鋼渣摻量和比表面積對水泥砼強度的影響。物料配比見表3。

表1 鋼渣的化學成分

表2 熟料和石膏的化學成分

表3 不同鋼渣比表面積摻入量下的物料配比

3.3 強度測定

按《鋼渣硅酸鹽水泥》的要求,分別測試試件3、28 d抗折強度和抗壓強度。

(1)抗折強度。分別對每個組不同齡期的5條試塊進行抗折強度測定。測定前擦去試件表面的水分和砂粒,清除夾具上圓柱表面粘著的雜物。試件放入抗折夾具內,使試件側面與夾具接觸。加荷速度為(50±10)N/s。以5個試件為一組,以其算術平均值作為抗折強度試驗結果(精確至0.1 MPa)。若5個強度值中有超出或低于平均值10%的,則將其刪除后取平均值作為抗折強度試驗結果。

(2)抗壓強度。抗折強度測定后立即測試抗壓強度。測定前清除試件受壓面與加壓板間的砂粒或雜物,用抗壓夾具(試件受壓面積為40 mm×40 mm)測定試件抗壓強度,受壓面是試件的側面。加荷速率為(2 400±200)N/s,均勻加荷直至破壞。以10個棱柱體為一組,取其平均值作為抗壓強度試驗結果(精確至0.1 MPa)。如果10個測定值中有1個超過或低于5個平均值的10%,則將其刪除,以剩下9個的平均值作為試驗結果。如果9個測定值中還有超出或低于其平均數10%的,則該組結果作廢。

3.4 試驗數據處理及分析

3.4.1 3 d強度

對試件3 d強度進行檢測,得到不同鋼渣比表面積和摻量時水泥的3 d強度,經統計后計算出均值,剔除不合格數據,得到圖1、圖2和表4。

圖1 鋼渣摻量和比表面積對水泥3 d抗折強度的影響

圖2 鋼渣摻量和比表面積對水泥3 d抗壓強度的影響

表4 鋼渣水泥3 d強度均值

由圖1可以看出:隨著鋼渣摻量的增加,水泥的3 d抗折強度減小;鋼渣比表面積增大時強度也增大。當比表面積為500 m2/kg,摻量由20%增加至30%時,抗折強度下降速度快;由30%增加至50% 時,抗折強度下降速度有所減緩。比表面積為470 m2/kg、摻量為20%～30%時,抗折強度變化不大;摻量為30%～50%時變化大,基本上呈直線。比表面積為450 m2/kg、摻量由30%增加至40%時,抗折強度下降幅度大,其余摻量時變化較小。比表面積為430 m2/kg時,抗折強度的數值變化比較平穩,基本上呈直線。

由圖2可知:隨著鋼渣摻量的增加,水泥的3 d抗壓強度減小;隨著比表面積的增大,抗壓強度增大。比表面積為500 m2/kg、摻量為30%～40%時,抗壓強度下降速度快,在其他摻量時抗壓強度下降速度有所減緩;比表面積為470 m2/kg、摻量為30% ～40%時,抗壓強度下降速度快,在其他摻量時抗壓強度下降速度有所減緩;比表面積為450 m2/kg、摻量為20%～30%時,抗壓強度變化不大,其他摻量時變化較大,基本上呈直線;比表面積為430 m2/kg 時,抗壓強度變化在摻量30%～40%時最平緩,其他摻量時變化快,尤其是在摻量為20%～30%時。

根據表4,對照現有相關標準,不同鋼渣摻量和比表面積的鋼渣水泥的強度達標情況見表5、表6。

表5 鋼渣水泥3 d抗折強度達標情況

表6 鋼渣水泥3 d抗壓強度達標情況

3.4.2 28 d強度

對試件28 d強度進行檢測,得到不同鋼渣比表面積和摻量時水泥的28 d強度值,經統計后計算出均值,剔除不合格數據,得到圖3、圖4和表7。

圖3 鋼渣摻量和比表面積對水泥28 d抗折強度的影響

圖4 鋼渣摻量和比表面積對水泥28 d抗壓強度的影響

表7 鋼渣水泥28 d強度均值

由圖3可知:隨著鋼渣摻量的增加,水泥的28 d抗折強度減小;隨著比表面積的增加,抗折強度增大。比表面積為500 m2/kg時,抗折強度變化較均勻,基本上呈直線;比表面積為470 m2/kg時,抗折強度在摻量為20%～40%時變化不大,但在40%～50%時變化較大;比表面積為450 m2/kg、摻量為20%～30%時變化較小,30%～50%時變化較大;比表面積為430 m2/kg,抗折強度變化在摻量為30% ～40%時最平緩,其他摻量時變化稍大,總體來說變化較為平緩。

由圖4可知:隨著鋼渣摻量的增加,水泥的28 d抗壓強度減小;隨著比表面積的增大,抗壓強度增大。比表面積為500 m2/kg、摻量為20%～30%時抗折強度變化不大,30%～50%時變化加大且為一條直線;比表面積為470 m2/kg時,抗壓強度在摻量為20%～30%時變化不大,30%～50%時減小速度加快;比表面積為450 m2/kg、摻量為30%～40%時抗壓強度變化不大,其他摻量時變化大;比表面積為430 m2/kg時,變化大小接近,呈一條直線。

根據表7,對照現有相關標準,不同鋼渣摻量和比表面積的鋼渣水泥的強度達標情況見表8、表9。

表8 鋼渣水泥28 d抗折強度達標情況

表9 鋼渣水泥28 d抗壓強度達標情況

根據表5、表6、表8、表9得出鋼渣水泥強度達標情況(見表10)。

表10 鋼渣水泥強度達標情況

4 結論

試驗證明鋼渣是一種很好的混合材料,加入適量的鋼渣能改變水泥的強度,其各項性能均滿足標準要求。其中:鋼渣比表面積450 m2/kg、摻量為20%時水泥能達標;鋼渣比表面積470 m2/kg,摻量為20%和30%時水泥能達標;鋼渣比表面積500 m2/kg、摻量為20%、30%、40%和50%時水泥能達標。據此確定以比表面積450 m2/kg、摻量20%的配比方案投入水泥生產。

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收稿日期:2015-12-07

中圖分類號:U416.216

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0105-04