攀西鋼渣作為水泥混合材的應用

錢 強

（攀枝花鋼城集團有限公司，四川 攀枝花 617022）

0 前 言

攀西地區(qū)擁有寶貴的釩、鈦資源，經(jīng)鋼鐵冶煉提取后產(chǎn)生大量的含釩鋼渣，其硬度大造成易磨性較差，成分復雜無法實現(xiàn)單一的替代[1，2]。經(jīng)國內(nèi)外大量的研究利用，已逐步在路面工程、冶金輔料等方面有所突破，但限于成本因素無法大規(guī)模應用，例如在上海稀缺建筑材料的地方也只能用于路面材料，因此必須尋求一種低成本、高效用途的方式，徹底解決大量廢棄鋼渣的堆置，實現(xiàn)環(huán)境保護與生產(chǎn)經(jīng)營的和諧發(fā)展[3，4]。

1 原材料和實驗方法

1.1 原料成分分析

由表1可知，鋼渣的主要成分是CaO、Fe2O3，其中MgO含量較高，達到12.23%，f-CaO含量為4.35%，可能對其安定性產(chǎn)生影響，需進行安定性測定，這將在壓蒸實驗中得到驗證。

1.2 鋼渣粉X射線衍射分析

圖1是對鋼渣粉的X射線衍射分析，可知鋼渣的主要礦物組成為硅酸三鈣（C3S）和硅酸二鈣（C2S）、RO相、鐵鋁相（C11A7·CaF2）、鈣鎂橄欖石（CaMgSiO4）以及少量的CaO、Ca（OH）2等?？芍撛闹饕V物組成硅酸三鈣、硅酸二鈣，硅酸鹽礦物大量存在，說明鋼渣礦物組成確實類似于硅酸鹽水泥熟料礦物組成，理論上可以作為硅酸鹽水泥混合材替代水泥熟料。但是鋼渣中礦物活性較低，較難激發(fā)，必須粉磨到一定細度或者采用化學激發(fā)劑等來激發(fā)其活性，其應用一直存在一定問題。本試驗采用物理、化學激發(fā)相結合的方法。

表1 含釩鈦鋼渣、粉煤灰化學成分分析結果（%）

1.3 水泥配合比設計

鋼渣混合材實驗主要分兩個階段，故采用了兩組配合比，如表2所示。分別采用陜西秀山水泥有限公司和江南小野田水泥廠的525水泥熟料，摻加不同比例的攀鋼鋼渣和粉煤灰，混合材為第一批攀鋼原料，二水石膏摻量固定為5%。其中，鋼渣比表面積420m2/kg，粉煤灰360m2/kg，熟料350m2/kg。

圖1 鋼渣的X射線衍射分析圖

表2 鋼渣粉煤灰水泥試驗配合比（第一、二期）（%）

表3 陜西秀山水泥熟料混合材砂漿強度測試

二期實驗是攀鋼第2批鋼渣粉煤灰原料，熟料采用小野田水泥熟料。實驗中將采用三種鋼渣粉比表面積，其中352m2/kg、395m2/kg、445m2/kg，按照表2中的配合比配料，探討鋼渣比表面積與鋼渣水泥強度的關系。

1.4 力學性能測試

1.4.1 陜西秀山水泥廠熟料試驗（一期試驗，見表3）

從各配比砂漿28d強度來看，由于水泥熟料本身強度較低，28d強度僅為49.5MPa，故摻加混合材復合水泥強度也相對較低，整體上隨混合材摻量的增加強度呈下降趨勢，其中摻加15%鋼渣組分（S2）的28d抗壓強度達到了46.5MPa，為空白樣強度的93.9%。S6組（25%鋼渣+25%粉煤灰）強度明顯下降很多，僅為33.8MPa。但是，S4和S5組配比28d抗壓和抗折強度都達到了S1強度的80%以上，說明摻加20%的鋼渣和10%～20%的粉煤灰可以制備鋼渣復合水泥。由于陜西熟料強度較低，故隨后的試驗采用強度較高的小野田水泥作為基準。

復合摻雜對水泥強度的貢獻并不等同于混合材各自作用效果的簡單疊加，而是有利于各自強度的發(fā)揮，存在強度的超疊加效應。不同水化特點、不同結構特征的混合材復合有利于相互激發(fā)水化活性和提高水泥漿體的密實度。因此，鋼渣粉煤灰復合雙摻可以有效提高復合水泥強度，達到綜合高效利用廢渣的目的。

1.4.2 不同細度鋼渣混合材試驗（二期實驗，見表4）

鋼渣在小磨中分別球磨40min，48min，55min，過0.9mm篩后測得比表面積分別為352m2/kg、395m2/kg、445m2/kg。80μm篩余分別為21.09%、19.18%、15.7%，可見篩余量比較大，這一方面與鋼渣的難磨性有一定關系，另一方面與小磨自身的問題有關，在實際生產(chǎn)的大磨中粉磨效果會更好一點。

將上述不同細度混合材按照比表面積從小到大的順序依次編號為1，2，3組，對應的配比分別為11、12、…25、26、…38、39，按照相關標準進行混合材水泥膠砂試驗，并測定不同配比的標準稠度、凝結時間和安定性?；旌喜乃娩撛勖夯业仍鲜桥输摰?批原料，熟料采用小野田水泥熟料。

表4 配比鋼渣混合材膠砂實驗強度測試（第1組、第2組、第3組）

從表4可以看出，28d抗壓抗折強度隨著鋼渣比表面積的增加而逐漸增大，這也符合混合材水泥的一般規(guī)律，即在一定的摻量范圍內(nèi)，混合材細度越大，水泥強度越高。其中前5個配比的3d、28d強度都達到了國家標準，根據(jù)國標GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準規(guī)定，42.5復合硅酸鹽水泥3d抗折強度≥3.5MPa、抗壓強度≥15.0MPa，28d抗折強度≥6.5MPa、抗壓強度≥42.5MPa。配比4中單摻30%鋼渣（14、24、34）配比的28d抗壓強度分別為44.8MPa、46.2MPa和44.3MPa，都達到了425水泥的國家標準，可見摻加30%的鋼渣是可行的。單摻25%鋼渣（13、23、33）的配比的28d抗壓強度分別43.5MPa、46.5MPa、47.8MPa，也符合425水泥的標準。配比5復摻20%鋼渣、10%粉煤灰的組分強度跟配比4單摻30%鋼渣效果相當，也滿足425水泥標準。

同時可知2、3組兩組的膠砂強度相差不大，這可能與3組成型時間較晚，鄰近冬季養(yǎng)護溫度較低有關，也與鋼渣活性沒有隨著比表面積的增大而被相應激發(fā)有關。

1.5 水泥凈漿膨脹率試驗

參照GB/T750-92進行水泥凈漿壓蒸膨脹試驗。將6組凈漿試樣（J1-J6）在標準養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護，然后對水泥凈漿膨脹率進行評價。試件采用10mm×10mm×60mm三聯(lián)試模成型（每組6條試件），試模兩端裝有測頭。水灰比按照標準稠度用水量。試件成型后經(jīng)標準養(yǎng)護24h±2h后脫模，測定其初始長度（L0）。試驗是將試件放入80℃水中養(yǎng)護至預定齡期后，測定試件長度（L1）。試件的膨脹率按照下式計算：

式中：LA—試件的膨脹率，%；

L0—試件脫模后的初始長度，mm；

L1—試件標準養(yǎng)護或在80℃養(yǎng)護至一定齡期時的長度，mm。

試驗中測定了試樣在7d、14d、28d、60d的線膨脹率，試驗結果表明，無論是在標準養(yǎng)護還是80℃水中養(yǎng)護時，各配比試樣的線膨脹率都沒有超過0.1%，沒有收縮現(xiàn)象發(fā)生，鋼渣復合水泥的體積穩(wěn)定性較好，見表5。

1.6 標準稠度、凝結時間和安定性的測定

1.6.1 標準稠度和凝結時間（一期試驗）

參照GB/T1346-2001《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》對鋼渣粉煤灰復合水泥進行檢驗，見表6。

表5 標準養(yǎng)護凈漿線膨脹率

表6 標準稠度、凝結時間和安定性測定

標準稠度用水量，在混合材含量低于30%（1～4組）時，隨鋼渣摻量增加而降低，但是混合材含量高于30%（5～6組）之后，隨著混合材量的增加，標準稠度用水量又隨之增加。

凝結時間隨著混合材摻量的增加，整體上呈增加趨勢，其中5、6組（S5、S6）初凝和終凝時間增加明顯，終凝時間都達到了200min以上，說明高摻量鋼渣粉煤灰水泥的凝結時間較長，故而早期強度較低。其中J組數(shù)據(jù)明顯更有規(guī)律性，反映了鋼渣粉煤灰等混合材對水泥水化凝結時間的影響。

1.6.2 標準稠度、凝結時間和安定性的測定（二期試驗）

本試驗安定性測試采用試餅法。將制好的標準稠度凈漿取出一部分分成兩等份，使之成球形，做成邊緣漸薄，表面光滑的試餅，標準養(yǎng)護24h后于沸煮箱內(nèi)沸煮210min。對三組不同粒度鋼渣混合材水泥的標準稠度、凝結時間和安定性進行了測定，見表7。

從表7中3個的標準稠度和凝結時間可以看出，隨著混合材摻量的增加，總體上標準稠度用水量和凝結時間呈上升趨勢。符合《通用硅酸鹽水泥標準》規(guī)定的初凝時間＞45min，終凝時間不超過600min的標準，故但從凝結時間來考慮的話，上述各種混合材水泥都是合格的。另外，各組試樣的安定性也合格。

表7 1組、2組、3組標準稠度、凝結時間和安定性測定

1.7 鋼渣粉磨與活性關系、活性指數(shù)評定

鋼渣在小磨中分別球磨40min，48min，55min，過0.9mm篩后測得比表面積分別為352m2/kg、395m2/kg、445m2/kg。80μm篩余分別為21.09%、19.18%、15.7%，可見篩余量比較大，這一方面與鋼渣的難磨性有一定關系，另一方面與小磨自身的問題有關，在實際生產(chǎn)的大磨中粉磨效果會更好一點

根據(jù)國標GB/T 20491-2006，鋼渣各齡期的活性指數(shù)按下式（A，1）計算，

式中：A—鋼渣的活性指數(shù)，%；

Rt—受檢膠砂相應齡期的強度，MPa；

R0—比對膠砂相應齡期的強度，MPa。

鋼渣摻量30%。

鋼渣的活性指數(shù)規(guī)定見表8。

表8 鋼渣活性指數(shù)標準（%）

三種比表面積鋼渣活性指數(shù)見表9。

表9 三種比表面積鋼渣粉活性指數(shù)（%）

從表9中可以看出，7d的活性指數(shù)稍微低于一級鋼渣粉的65%的標準，遠高于55%的二級標準，28d指數(shù)基本高于一級鋼渣粉要求的80%的標準?；具_到了一級鋼渣粉的要求，其活性還是比較高的。實驗結果表明，三種鋼渣比表面積對鋼渣活性指數(shù)變化影響不大，可見在一定細度范圍內(nèi)，鋼渣活性相差不大。

2 結 論

（1）采用鋼渣摻量20%，粉煤灰摻量10%～20%，鋼渣復合水泥28d抗壓、抗折強度都達到了純水泥熟料強度的80%以上，復合摻雜有利于水泥強度發(fā)展。鋼渣的最佳摻加量為20%。

（2）單摻15%鋼渣達到了52.5強度等級水泥標準；復合摻加20%鋼渣、10%粉煤灰符合42.5強度等級水泥標準；摻加25%鋼渣、25%粉煤灰接近42.5強度等級水泥標準。鋼渣水泥漿體線膨脹率很小，無收縮，體積穩(wěn)定性良好。

（3）凝結時間隨鋼渣粉煤灰量增加而增加，其中大摻量鋼渣粉煤灰水泥（25%鋼渣水泥、25%粉煤灰）安定性合格。各個配比的鋼渣粉煤灰水泥的安定性合格，凝結時間符合國家標準要求。

（4）鋼渣三種不同細度的活性指數(shù)分別為80.4、82.9和79.5，達到了一級鋼渣粉的要求。三種鋼渣比表面積對鋼渣活性指數(shù)變化影響不大，可見在一定細度范圍內(nèi)，鋼渣活性相差不大。