煤矸石改性鋼渣對水泥基材料性能的影響

翟紅俠, 侯克偉, 荊 喆, 楊啟安

(安徽建筑大學 材料與化學工程學院,安徽 合肥 230601)

煤矸石改性鋼渣對水泥基材料性能的影響

翟紅俠, 侯克偉, 荊 喆, 楊啟安

(安徽建筑大學 材料與化學工程學院,安徽 合肥 230601)

文章通過對煤矸石與鋼渣粉原材料機理分析,將2種固體廢棄物進行混合熱處理制備活性混合料,分析鋼渣中游離氧化鈣質量分數的變化,探討該熱處理混合料對水泥基材料性能的影響,試驗結果表明:煤矸石對鋼渣中的游離氧化鈣有顯著降低作用;隨著熱處理混合料摻量的增加,水泥石體積補償收縮效果明顯;當摻入20%煤矸石與鋼渣粉混合，其強度比單摻鋼渣粉有顯著提高。

鋼渣粉;煤矸石;熱處理;游離氧化鈣;體積穩定性;力學性能

0 引 言

鋼渣是煉鋼時產生的廢渣,其主要礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣以及其礦物的固溶體。2015年1-3月全國粗鋼產量20 010.34萬噸,平均日產粗鋼222.34萬噸[1],鋼渣的日產量約占22.234萬噸。2015年,按照安徽省鋼鐵產業發展目標,鋼產量要達到3 000萬～3 500萬噸[2],我省2015年的鋼渣產量為300萬～350萬噸。鋼渣的排放不僅占用土地空間,對環境、人的身體健康等都有一定的影響。

美國及歐洲等發達國家對鋼渣的利用率基本上達到了98%以上,他們將鋼渣主要用于修路、農肥、內部循環重新利用[3-4]。我國的鋼渣利用率較低,其中少部分用于筑路建材,返回冶金重新利用,大部分主要用于混凝土摻合料[5]。但由于鋼渣的成分波動性比較大,游離氧化鈣較多,膠凝性較低等原因,使其在混凝土摻合料方面的應用也受到很大的限制。

煤矸石作為工業廢渣其排放量截止目前已達到45億噸,占全國工業廢渣的25%[6],一般每生產1 t煤炭,會產生0.15～0.2 t煤矸石[7]。煤矸石的大量堆放帶來了非常嚴重的社會、環境和經濟問題。研究[8]表明:煅燒可以破壞煤矸石中牢固的Si-O和Al-O鍵結構,形成具有活性的SiO2和Al2O3。本文主要考慮煤矸石作為硅質材與鈣質材鋼渣在化學成分上的互補及煤矸石熱處理后產生的活性硅鋁,擬用煤矸石與鋼渣共混熱處理,制備活性混合料,探究2種廢渣混合后對水泥基材料性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥為巢湖威力水泥廠生產的PO42.5普通硅酸鹽水泥。

標準砂由廈門艾思歐標準砂有限公司生產。

鋼渣粉由馬鋼提供,密度為3.26 g/cm3,比表面積為519.7 m2/kg。

煤矸石由淮北礦務局提供。

鋼渣粉與煤矸石的化學成分見表1所列,礦物組成如圖1、圖2所示。

表1 原材料化學成分分析 %

圖1 鋼渣粉XRD圖譜

圖2 煤矸石XRD圖

1.2 試驗方法

本文主要采用不同質量分數的煤矸石與鋼渣共混熱處理,對混合料游離氧化鈣質量分數進行分析,以熟料中游離氧化鈣質量分數限制為參照,選取游離氧化鈣合適的一組,研究混合料對水泥基材料體積穩定性與力學性能的影響。鋼渣與煤矸石化學成分采用CIT-3000SMD型能量色散X熒光分析儀分析,礦物組成采用D8 ADVANCE X-射線衍射儀(X-ray ditfraction,XRD)進行分析。熱處理采用SRJX型箱式電阻爐。游離氧化鈣含量的測定按GB/T176-2008水泥化學分析方法進行。水泥強度測定按GB/T17671-2007水泥膠砂強度檢驗進行。體積安定性試驗按GB/T 1346-2011水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法進行。體積穩定性測定按GB/T 29417-2012水泥砂漿和混凝土干燥收縮開裂性能試驗方法進行。

2 試驗結果及分析

2.1 鋼渣粉與煤矸石的混合熱處理

鋼渣粉與煤矸石不同配比熱處理后游離氧化鈣的質量分數見表2所列。

表2 摻入不同質量分數煤矸石對鋼渣中游離氧化鈣質量分數的影響 %

由表2可知,隨混合料中煤矸石的相對質量分數增加,熱處理后,對混合料中游離氧化鈣質量分數降低效果提高。煤矸石摻量為40%時,熱處理過后的混合料游離氧化鈣質量分數為1.12%,符合熟料中游離氧化鈣的規定。故以煤矸石質量分數40%配制混合料用于探討其對水泥基材料性能的影響,采用此配比熱處理過后的化學組成見表3所列,礦物組成如圖3所示。

表3 煤矸石與鋼渣共混熱處理后化學組成 %

圖3 混合料熱處理與未熱處理礦物的XRD圖

由表3可知，鋼渣化學成分鈣多硅少,煤矸石化學成分硅多鈣少,2種固體廢棄物在共混熱處理后既彌補鋼渣中硅的不足,也彌補煤矸石中鈣的不足。

由圖3可知，混合料在熱處理過之后固溶體的峰基本消失,出現新峰,初步判斷可能是硅鐵鈣化合物和鐵鋁酸鈣礦物。

2.2 混合料對水泥體積穩定性影響

混合料對水泥安定性的影響見表4所列。

熱處理與未熱處理混合料對水泥早期和后期的體積穩定性影響如圖4所示。早期水養,后期標準條件下養護。

表4 混合料對水泥安定性的影響 mm

由表4可知,加入40%混合料和鋼渣的膨脹值都符合水泥安定性標準的規定,加40%混合料和鋼渣試件的膨脹值高于純水泥,表明混合料和鋼渣對水泥具有一定的補償收縮效應,混合料效果更佳。

由圖4可知,在水化早期,隨熱處理與未熱處理混合料摻量的增加,水泥石自由膨脹率提高。水化后期隨著水泥石中內部化學減縮作用與水分的蒸發,水泥石體積開始收縮,未熱處理混合料對水泥石體積穩定性基本無影響。熱處理混合料在摻量大于20%時,對水泥石的體積收縮有一定的抑制效果。這是由于已部分消解的鋼渣,在熱處理后氫氧化鈣分解導致游離氧化鈣有所提高,游離氧化鈣重新水化,產生體積膨脹,從而在一定程度上抑制水泥石體積收縮。

圖4 混合料對水泥石早期、后期體積穩定性影響

2.3 混合料對水泥基材料力學性能的影響

熱處理的混合料與未熱處理的混合料對水泥基材料力學性能的影響如圖5所示,抗折強度見表5所列。圖5中，0代表空白樣；1代表10%未燒混合料；2代表20%未燒混合料；3代表30%未燒混合料；4代表10%煅燒混合料；5代表20%煅燒混合料；6代表30%煅燒混合料；7代表20%鋼渣。

由圖5、表5可知,熱處理混合料與未熱處理混合料隨著摻量增大,水泥的抗壓強度與抗折強度均降低。摻20%混合料的水泥后期抗壓強度都高于單摻20%鋼渣粉的,熱處理混合料的水泥后期抗壓強度高于摻相同含量未熱處理的。這是由于煤矸石與鋼渣的共混熱處理可能出現了具有膠凝性的礦物,煤矸石本身在高溫煅燒的情況下也能分解出活性硅鋁,致使水泥強度增加;未處理混合料中的煤矸石也受到水泥水化的堿性條件激發下,后期強度也有所增加。

混合料

物 料混合料摻量/%抗折強度/MPa3d7d28d純水泥04.56.58.0104.46.18.0未處理混合料203.14.47.1302.13.46.5103.75.37.9處理混合料203.24.67.2301.63.16.6

3 結 論

(1) 通過煤矸石與鋼渣共混熱處理,鋼渣中游離氧化鈣的質量分數明顯降低。

(2) 摻加20%熱處理的鋼渣粉混合料與單摻20%鋼渣粉相比,水泥基材料后期力學性能有所提高。

(3) 煤矸石與鋼渣熱處理混合料對水泥石的體積收縮有補償效應,該材料有利于減少水泥混凝土早期開裂現象。

[1] 佚名.每月情況通報(2015年3月份)[J].中國鋼鐵業,2015(5):1.

[2] 顧建國,蘇世懷,吳結才.發揮馬鋼帶動作用促進安徽鋼鐵產業集群發展[C]//2008年促進中部崛起專家論壇論文集.合肥:安徽省科學技術協會,2008:427-432.

[3] 李景云.提高鋼渣資源化利用的探討[J].冶金經濟與管理,2013(3):17-20.

[4] 陳邦.從國家中長期人才發展戰略規劃看鋼渣利用專業人才培養[J].中國廢鋼鐵,2010(5):33-34.

[5] 劉瑛,方宏輝,盧麗君.鋼渣處理與綜合利用技術研究進展[J].化學工程與裝備,2014(9):190-192.

[6] 王斌,張冬健,谷林,等.煤矸石綜合利用的研究概述[J].煤炭加工與綜合利用,2013(3):77-80.

[7] ZHOU S.Study on the reaction degree of calcined coal gangue powder in blended cement by selective solution method[J]. Procedia Earth and Planetary Science，2009,1(1):634-639.

[8] 宮晨琛,宋旭艷,李東旭.煅燒活化煤矸石的機理探討[J].材料科學與工程學報,2005，23(1):88-91.

(責任編輯 閆杏麗)

Effect of steel slag modified by coal gangue on the performance of cement-based materials

ZHAI Hongxia, HOU Kewei, JING Zhe, YANG Qi’an

(School of Materials and Chemical Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

Based on the mechanism analysis of coal waste and slag powder raw material， two kinds of solid wastes were mixed and heated to prepare active mixtures， and the content of free calcium oxide in steel slag was studied. The effect of the mixtures on the performance of cement-based materials was analyzed. The results showed that the content of free calcium oxide in steel slag was significantly reduced by coal gangue. With the increase of the content of the mixtures， the volume shrinkage compensation effect of the cement stone was obviously improved. The strength of the cement stone mixed with 20% coal gangue and steel slag was better than that of the cement stone just mixed with steel slag.

steel slag; coal gangue; heat treatment; free calcium oxide; volume stability; mechanical property

2015-11-10；

2016-02-29

安徽省科技攻關計劃資助項目(1301042127)

翟紅俠(1962-),女,安徽界首人,安徽建筑大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.019

TQ172.718

A

1003-5060(2017)08-1106-04