用于水泥的電爐氧化鋼渣粉比表面積的優(yōu)化

張 輝

（秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)科研處， 河北 秦皇島 066100）

冶金廢渣的再生利用問(wèn)題一直是我國(guó)鋼鐵企業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題之一。鋼渣作為煉鋼產(chǎn)物的鋼渣，其產(chǎn)量占粗鋼的 20%左右。2012年，我國(guó)的粗鋼產(chǎn)量已超過(guò)7億t，其中電爐鋼產(chǎn)量的產(chǎn)量超過(guò)7000 萬(wàn)t，電爐氧化鋼渣的產(chǎn)量達(dá)到400 萬(wàn) t。隨著國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的提出，我國(guó)的粗鋼產(chǎn)量增速將會(huì)逐步放緩，鋼材蓄積量將會(huì)逐步增加，大量利用廢鋼的短流程電爐鋼和相應(yīng)排放的氧化渣量將會(huì)逐步增加。而國(guó)內(nèi)當(dāng)前對(duì)電爐鋼渣的再生利用尚無(wú)比較先進(jìn)的處理技術(shù)。近幾年，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者研究了鋼渣在水泥和混凝土中的應(yīng)用[1-8]，但關(guān)于電爐鋼渣在這方面應(yīng)用的研究還相對(duì)較少。

研究[2,8]表明，鋼渣粉的比表面積對(duì)水泥試件的力學(xué)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(shù)越大，水化和趨于穩(wěn)定的速度加快。反之，鋼渣粉的比表面積越小，其活性數(shù)變小，穩(wěn)定速度變慢。 然而，增大鋼渣粉的比表面積會(huì)造成生產(chǎn)成本的提高，因此，通過(guò)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(cè)試它們的力學(xué)性能，通過(guò)建立鋼渣粉的比表面積與試件力學(xué)性能之間的關(guān)系，尋找合適的鋼渣粉比表面積，為鋼渣粉在水泥中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

本試驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度要求為20±2 ℃，相對(duì)濕度大于50%。試件養(yǎng)護(hù)箱和養(yǎng)護(hù)箱水溫溫度要求均為20±1 ℃，相對(duì)濕度大于90%。

稱(chēng)好鋼渣粉135g、標(biāo)準(zhǔn)水泥（42.5）315 g、水225g、標(biāo)準(zhǔn)砂1350g，并將鋼渣粉和標(biāo)準(zhǔn)水泥混合均勻。先將水加入攪拌鍋內(nèi)，然后加入鋼渣粉和標(biāo)準(zhǔn)水泥混合物，低速攪拌30 s后，加入標(biāo)準(zhǔn)砂，再高速攪拌30 s。停機(jī)90 s后，在15 s內(nèi)將葉片和鍋壁上的膠砂刮入鍋中，再高速旋轉(zhuǎn)60 s。將攪拌好的膠砂裝入試件模中成型，將試模放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h，脫模后立即放在養(yǎng)護(hù)水中養(yǎng)護(hù)，制備出水泥試件樣品。試件齡期從水泥加水?dāng)嚢钑r(shí)開(kāi)始算起。

本試驗(yàn)選取5種電爐氧化鋼渣粉，比表面積（實(shí)測(cè)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)水泥對(duì)照樣，記為樣品6，其配料比例為水泥450 g、水225 g和標(biāo)準(zhǔn)砂1350 g，不含鋼渣粉。

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

首先進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，加荷圓柱的加載速度為50 ±10 N/s。再進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，加載速度為2400±200 N/s。活性指數(shù)按樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣抗壓強(qiáng)度的比值計(jì)算。每個(gè)樣品測(cè)試5次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

圖1 各試樣在7d和28d齡期的抗折強(qiáng)度

圖2 各試樣在7d和28d齡期的抗壓強(qiáng)度

圖3 各試樣在7d和28d齡期的活性指數(shù)

圖1和圖2分別顯示了各試樣在7d和28d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)樣相比（試樣6），摻雜了鋼渣粉的各試樣（試樣 1-5）的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均相對(duì)較低。這說(shuō)明在水泥中添加鋼渣粉會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能下降，這可能是因?yàn)殇撛鄣哪z凝水平比標(biāo)準(zhǔn)水泥低，在水泥中添加鋼渣粉導(dǎo)致整體膠凝水平下降。從兩圖中還可以看出，對(duì)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(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均高于7 d齡期。對(duì)于相同齡期的試樣，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(shù)，可以看出活性指數(shù)的變化情況與上述的力學(xué)性能分析一致。

由以上3圖可見(jiàn)，當(dāng)鋼渣粉的比表面積從319提高到369 m2/kg時(shí)，抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及活性指數(shù)均稍有提高；當(dāng)鋼渣粉的比表面積從369提高到412 m2/kg，這三項(xiàng)指標(biāo)均有顯著提高；當(dāng)鋼渣粉的比表面積從412提高到458和509 m2/kg時(shí)，這三項(xiàng)指標(biāo)的提高均不明顯。

GB-13950-2006《鋼渣硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)42.5水泥的要求是28 d齡期的抗折強(qiáng)度達(dá)到6.5 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到42.5 Mpa。本試驗(yàn)5個(gè)樣品的相關(guān)指標(biāo)均滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)要求，其中試驗(yàn)值最低的試樣1的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到7.3 和45.4 Mpa。

GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》對(duì)28 d齡期42.5水泥活性指數(shù)的要求為一級(jí)達(dá)到80%，二級(jí)達(dá)到65%。本試驗(yàn)5個(gè)樣品的活性指數(shù)均滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)要求，其中試驗(yàn)值最低的試樣1的活性指數(shù)為69.5%。

通過(guò)以上分析可以說(shuō)明，當(dāng)電爐氧化鋼渣粉的比表面積為412 m2/kg時(shí)較為合理，因?yàn)楫?dāng)比表面積從此值降到369 m2/kg時(shí)，試樣的各項(xiàng)性能指標(biāo)均會(huì)顯著下降，此外，GB-13950-2006《鋼渣硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼渣粉表面積的要求為不低于400 m2/kg。當(dāng)比表面積從此值繼續(xù)增加時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)增加均不再明顯，會(huì)造成為提高鋼渣粉比表面積而帶來(lái)的生產(chǎn)成本增加。

3 結(jié)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(duì)水泥試件性能的影響，結(jié)果顯示：試件的試樣的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及活性指數(shù)均隨鋼渣粉表面積的提高而提高。當(dāng)鋼渣粉的比表面積從319提高到369 m2/kg時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)稍有提高；當(dāng)比表面積從369提高到412 m2/kg時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)指標(biāo)有顯著提高；當(dāng)比表面積從412提高到458和509 m2/kg時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)提高不明顯。比較而言，當(dāng)鋼渣粉的比表面積為412 m2/kg時(shí)較為合理。