用于水泥的電爐氧化鋼渣粉比表面積的優化

張 輝

（秦皇島職業技術學院 教務科研處， 河北 秦皇島 066100）

冶金廢渣的再生利用問題一直是我國鋼鐵企業發展的核心問題之一。鋼渣作為煉鋼產物的鋼渣，其產量占粗鋼的 20%左右。2012年，我國的粗鋼產量已超過7億t，其中電爐鋼產量的產量超過7000 萬t，電爐氧化鋼渣的產量達到400 萬 t。隨著國家供給側結構性改革的提出，我國的粗鋼產量增速將會逐步放緩，鋼材蓄積量將會逐步增加，大量利用廢鋼的短流程電爐鋼和相應排放的氧化渣量將會逐步增加。而國內當前對電爐鋼渣的再生利用尚無比較先進的處理技術。近幾年，國內一些學者研究了鋼渣在水泥和混凝土中的應用[1-8]，但關于電爐鋼渣在這方面應用的研究還相對較少。

研究[2,8]表明，鋼渣粉的比表面積對水泥試件的力學性能具有重要影響，隨著鋼渣粉的比表面積的增大，其活性數越大，水化和趨于穩定的速度加快。反之，鋼渣粉的比表面積越小，其活性數變小，穩定速度變慢。 然而，增大鋼渣粉的比表面積會造成生產成本的提高，因此，通過研究，尋找合適的鋼渣粉比表面積具有重要意義。

本文研究將5種具有不同比表面積的電爐氧化鋼渣粉用于水泥中，制成摻鋼渣粉的水泥試件，測試它們的力學性能，通過建立鋼渣粉的比表面積與試件力學性能之間的關系，尋找合適的鋼渣粉比表面積，為鋼渣粉在水泥中的應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 樣品制備

本試驗對實驗室環境溫度要求為20±2 ℃，相對濕度大于50%。試件養護箱和養護箱水溫溫度要求均為20±1 ℃，相對濕度大于90%。

稱好鋼渣粉135g、標準水泥（42.5）315 g、水225g、標準砂1350g，并將鋼渣粉和標準水泥混合均勻。先將水加入攪拌鍋內，然后加入鋼渣粉和標準水泥混合物，低速攪拌30 s后，加入標準砂，再高速攪拌30 s。停機90 s后，在15 s內將葉片和鍋壁上的膠砂刮入鍋中，再高速旋轉60 s。將攪拌好的膠砂裝入試件模中成型，將試模放入養護箱養護24 h，脫模后立即放在養護水中養護，制備出水泥試件樣品。試件齡期從水泥加水攪拌時開始算起。

本試驗選取5種電爐氧化鋼渣粉，比表面積（實測結果）分別為315、369、412、458和509 m2/kg，將制成的水泥試樣分別記為樣品1、2、3、4和5。另備標準水泥對照樣，記為樣品6，其配料比例為水泥450 g、水225 g和標準砂1350 g，不含鋼渣粉。

1.2 力學性能測試

首先進行抗折強度試驗，加荷圓柱的加載速度為50 ±10 N/s。再進行抗壓試驗，加載速度為2400±200 N/s。活性指數按樣品與標準樣抗壓強度的比值計算。每個樣品測試5次，取平均值作為試驗結果。

2 結果與討論

圖1 各試樣在7d和28d齡期的抗折強度

圖2 各試樣在7d和28d齡期的抗壓強度

圖3 各試樣在7d和28d齡期的活性指數

圖1和圖2分別顯示了各試樣在7d和28d齡期的抗折強度和抗壓強度。可以看出，與標準樣相比（試樣6），摻雜了鋼渣粉的各試樣（試樣 1-5）的抗折強度和抗壓強度均相對較低。這說明在水泥中添加鋼渣粉會導致力學性能下降，這可能是因為鋼渣粉的膠凝水平比標準水泥低，在水泥中添加鋼渣粉導致整體膠凝水平下降。從兩圖中還可以看出，對于具有相同比表面積摻雜鋼渣制成的試樣，28 d齡期的抗折強度和抗壓強度均高于7 d齡期。對于相同齡期的試樣，抗折強度和抗壓強度均隨摻雜鋼渣的表面積增大而增大。圖3顯示了各試樣在7d和28d齡期的活性指數，可以看出活性指數的變化情況與上述的力學性能分析一致。

由以上3圖可見，當鋼渣粉的比表面積從319提高到369 m2/kg時，抗折強度、抗壓強度及活性指數均稍有提高；當鋼渣粉的比表面積從369提高到412 m2/kg，這三項指標均有顯著提高；當鋼渣粉的比表面積從412提高到458和509 m2/kg時，這三項指標的提高均不明顯。

GB-13950-2006《鋼渣硅酸鹽水泥》標準對42.5水泥的要求是28 d齡期的抗折強度達到6.5 MPa，抗壓強度達到42.5 Mpa。本試驗5個樣品的相關指標均滿足該標準要求，其中試驗值最低的試樣1的抗折強度和抗壓強度分別達到7.3 和45.4 Mpa。

GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》對28 d齡期42.5水泥活性指數的要求為一級達到80%，二級達到65%。本試驗5個樣品的活性指數均滿足該標準二級要求，其中試驗值最低的試樣1的活性指數為69.5%。

通過以上分析可以說明，當電爐氧化鋼渣粉的比表面積為412 m2/kg時較為合理，因為當比表面積從此值降到369 m2/kg時，試樣的各項性能指標均會顯著下降，此外，GB-13950-2006《鋼渣硅酸鹽水泥》標準對鋼渣粉表面積的要求為不低于400 m2/kg。當比表面積從此值繼續增加時，各項性能指標增加均不再明顯，會造成為提高鋼渣粉比表面積而帶來的生產成本增加。

3 結論

本文研究了用于水泥中的電爐氧化鋼渣粉的比表面積對水泥試件性能的影響，結果顯示：試件的試樣的抗折強度、抗壓強度及活性指數均隨鋼渣粉表面積的提高而提高。當鋼渣粉的比表面積從319提高到369 m2/kg時，各項性能指標稍有提高；當比表面積從369提高到412 m2/kg時，各項性能指標指標有顯著提高；當比表面積從412提高到458和509 m2/kg時，各項性能指標提高不明顯。比較而言，當鋼渣粉的比表面積為412 m2/kg時較為合理。