熱燜鋼渣對水泥基本性能的影響

田爾布，連躍宗，瞿鑫鑫，張超杰

(三明學(xué)院，福建 三明 365004)

0 引言

鋼渣是由生鐵冶煉鋼鐵所產(chǎn)生的廢渣。我國鋼渣綜合利用率低于30%[1-2]，鋼渣作為廢棄物嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境。為了提高鋼渣利用率，研究人員嘗試并優(yōu)化各種處理工藝，主要有熱燜法、水淬法、風(fēng)淬法、熱潑法等[3-4]。

熱燜法是近十年國內(nèi)企業(yè)大力推廣的鋼渣處理工藝，該法是先將煉鋼爐渣冷卻至一定溫度(300～800 ℃)，再將鋼渣放入熱燜罐進(jìn)行噴水熱燜，使鋼渣龜裂破碎，同時(shí)利用f-CaO生成Ca(OH)2的過程產(chǎn)生膨脹應(yīng)力等自解原理使鋼渣粉化，其總體含量能夠小于2%，渣鐵分離好，可省去處理鋼渣過程中的多級破碎設(shè)備，減少設(shè)備的磨損率。在所有鋼渣處理技術(shù)中，只有熱燜技術(shù)不受鋼渣的流動(dòng)性限制[5-6]，且鋼渣在熱燜過程中，水蒸氣及高溫會(huì)使鋼渣中的膠凝成分發(fā)生水化反應(yīng)，影響鋼渣活性。

本文用鋼渣取代部分水泥，測試水泥漿液擴(kuò)展度、水泥膠砂強(qiáng)度等，分析熱燜鋼渣活性，為熱燜鋼渣的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 原材料

1.1 熱燜鋼渣

鋼渣經(jīng)過液態(tài)鋼渣、運(yùn)輸至熱燜車間、傾入熱燜罐(渣池)、封蓋灑水、熱燜、開蓋鏟運(yùn)至深加工車間等過程后，其化學(xué)成分主要為CaO、SiO2、A12O3、Fe2O3、FeO、MgO、MnO等，其組成礦物有C3S、C2S、C2F、CA組成的硅酸鈣相、鐵酸鈣相和RO相(由FeO、MgO、MnO、CaO形成固溶體)[7-9]。鋼渣含有膠凝性的C3S、C2S和鐵鋁酸鹽，但含量少，活性較低。

1.2 水泥

水泥為P.O 42.5R水泥，品牌分別為紅獅和三三，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1，化學(xué)成分見表2，礦物成分見表3。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

表2 化 學(xué) 成 分 %

表3 主要礦物組成 %

1.3 減水劑

試驗(yàn)所用的減水劑為廈門建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，其基本技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 減水劑基本技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

進(jìn)行水泥的流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)和膠砂力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，其主要內(nèi)容為：

1) 流動(dòng)性：流動(dòng)度試驗(yàn)參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2012)進(jìn)行，根據(jù)初試實(shí)驗(yàn)，選定水膠比為0.30，鋼渣和水泥的總質(zhì)量為300 g。

2)力學(xué)性能：抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)。水膠比為0.5，標(biāo)準(zhǔn)砂與膠凝材料比為3∶1，水泥與鋼渣摻量配比見表5。

表5 水泥與鋼渣摻量配比

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 聚羧酸減水劑相容性能

聚羧酸減水劑是第三代減水劑，由于生產(chǎn)減水劑的主要原材料種類多，因此減水劑的相容性差異很大，本文通過流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)(鋼渣摻量為0時(shí))檢查減水劑與水泥的相容性，結(jié)果見圖1。

圖1 水泥流動(dòng)性

根據(jù)圖1可知，鋼渣摻量為0時(shí)，隨著減水劑摻量增加，水泥凈漿的流動(dòng)性逐漸增大；當(dāng)減水劑摻量為0.9%時(shí)，水泥凈漿擴(kuò)展度達(dá)到突變，且隨著減水劑的增加，擴(kuò)展度增加不明顯。

3.2 鋼渣摻量對水泥的流動(dòng)性影響

3.2.1 鋼渣摻量對三三水泥的流動(dòng)性影響

如圖1所示，三三的流動(dòng)性曲線在圖中整體位于下方，隨著鋼渣摻量的增加，總體的流動(dòng)性變化不大，即表明鋼渣對水泥的流動(dòng)性影響不明顯，其減水劑最佳摻量為1.1%，此時(shí)流動(dòng)度在230～240 mm。

3.2.2 鋼渣摻量對紅獅水泥的流動(dòng)性影響

同樣如圖1所示，紅獅的流動(dòng)性曲線在圖中整體位于上方，與鋼渣摻量為0時(shí)相比，水泥凈漿的流動(dòng)性差異隨著鋼渣摻量增加變化不大，說明紅獅水泥的流動(dòng)性能不受鋼渣摻入量影響，其減水劑最佳摻量為1.2%，此時(shí)流動(dòng)度最高可達(dá)280 mm。

3.2.3 鋼渣對兩種水泥流動(dòng)性影響的對比分析

從圖1中可以看出鋼渣摻量對水泥漿的流動(dòng)性影響很小，說明鋼渣對減水劑的相容性表現(xiàn)良好，幾乎和水泥一樣。

在減水劑和鋼渣摻量都為0時(shí)，紅獅水泥流動(dòng)度整體較三三水泥稍大；水泥流動(dòng)性隨著減水劑摻量增加逐漸提高，當(dāng)減水劑摻量為0.7%時(shí)，摻了熱燜鋼渣的兩種水泥流動(dòng)度幾乎相同；當(dāng)減水劑摻量繼續(xù)增大，紅獅水泥的流動(dòng)性增大趨勢較三三水泥明顯，兩種水泥均在減水劑摻量為0.9%時(shí)產(chǎn)生突變；隨著減水劑摻量繼續(xù)增大，流動(dòng)度增大不明顯，并分別在減水劑為1.1%(三三水泥)和1.2%(紅獅水泥)時(shí)達(dá)到最佳。

從表3的礦物成分可知，三三水泥含有水泥化學(xué)反應(yīng)最快的C3A明顯高于紅獅水泥，且C3A水化需水量大，與高效減水劑的相容性差，對水泥凈漿流動(dòng)性不利[10]。由表1可知三三水泥較紅獅水泥更細(xì)。水泥太細(xì)對水泥凈漿的流動(dòng)度會(huì)有不利影響，因此，紅獅水泥流動(dòng)性優(yōu)于三三水泥。

3.3 水泥膠砂基本力學(xué)性能

不同鋼渣摻量下水泥抗壓及抗折性能如圖2所示。

圖2 膠砂強(qiáng)度

3.3.1 鋼渣對三三水泥的力學(xué)性能影響

從圖2可以看出，三三水泥膠砂28 d的抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣摻量增加而逐漸減小，趨勢明顯，同時(shí)抗折強(qiáng)度基本上也是隨著鋼渣摻量增加而降低，但是在鋼渣摻量25%范圍內(nèi)降低趨勢不是很明顯。究其原因，主要是鋼渣經(jīng)過熱燜后，C3S、C2S含量少，在水泥石體系中主要起填充作用，參與水化反應(yīng)相對較少。

3.3.2 鋼渣對紅獅水泥的力學(xué)性能影響

鋼渣對紅獅水泥膠砂力學(xué)性能影響的趨勢與三三水泥相近，抗折強(qiáng)度在鋼渣摻量10%范圍內(nèi)甚至有升高的趨勢，隨著摻量增加，總體仍是呈現(xiàn)降低趨勢。其原因仍是C3S和C2S含量少，在水泥石體系中主要起填充作用，參與水化反應(yīng)相對較少。

3.3.3 鋼渣對兩種水泥力學(xué)性能影響的對比分析

從圖2可以看出，在鋼渣摻量(0～30 %)相同時(shí)，紅獅水泥的膠砂強(qiáng)度高于三三水泥，體現(xiàn)出紅獅水泥整體品質(zhì)優(yōu)于三三水泥，這主要是由于紅獅水泥水泥熟料百分比高達(dá)92.09%，明顯高于三三水泥的86.9%，且C3S的含量為59.13%，同樣高于三三水泥51.14%的含量。

隨著鋼渣摻入，兩種水泥膠砂的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度整體趨勢是下降的，其下降速率基本相同，在鋼渣摻量30%范圍內(nèi)，強(qiáng)度下降在30%以內(nèi)。經(jīng)過熱燜后的鋼渣由于其C3S、C2S含量少，參與水化反應(yīng)少，對水泥膠砂強(qiáng)度形成影響甚微，因此，在水泥石體系中主要起填充作用。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)分析熱燜鋼渣對水泥漿的流動(dòng)性和水泥膠砂強(qiáng)度的影響，可得如下結(jié)論：

1) 三三水泥和紅獅水泥對聚羧酸減水劑相容性良好，鋼渣摻量對水泥漿的流動(dòng)性影響很小，熱燜鋼渣與減水劑的相容性良好，幾乎和水泥一樣。

2) 熱燜鋼渣在摻量0～30%范圍內(nèi)，減水劑的最佳摻量分別為為1.1%(三三水泥)和1.2%(紅獅水泥)。

3) 經(jīng)過熱燜后的鋼渣由于其C3S、C2S含量少，對水泥膠砂強(qiáng)度影響甚微，在水泥石體系中，主要起填充作用。

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