含釩鋼渣微粉用作水泥混合材的性能研究

唐祁峰 ，敖進清，郭 彪，蔣 睿

(1.西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039;2.工業固態廢棄物土木工程綜合開發利用四川省高校重點實驗室，四川 攀枝花 617000)

我國是煉鋼和用鋼大國，每年因煉鋼產生了大量的鋼渣。這些鋼渣的堆放和處理對環境帶來了極大的負擔，而處理鋼渣的最有效途徑就是將鋼渣進行資源利用，變廢為寶[1-3]。水泥行業是鋼渣減量化利用的最大和最現實市場。我國自1974年開始研究鋼渣水泥，到目前已形成多品種、多標號的系列品種的鋼渣水泥[4-6]。攀枝花鋼鐵廠利用本地區豐富釩鈦磁鐵礦進行煉鋼，產生了大量的富含鈦、釩等元素的鋼渣[7-9]。同時，因川南地區有數個大型水電站在興建，成昆高速鐵路、麗攀高速等一批道路工程的開工，對水泥的需求顯著增加。因此，研究含釩鋼渣用作水泥混合材對于鋼渣的清潔高效利用具有重要意義。

本文以攀鋼的熱悶含釩鋼渣微粉作為混合材制備了鋼渣水泥，考察了不同鋼渣摻量對水泥的標準稠度用水量、凝結時間、安定性、強度和水化放熱量等性能的影響，以期為該地區鋼渣資源的綜合利用提供理論和應用支撐。

1 試驗原料及方法

試驗用水泥熟料由攀枝花瑞豐水泥廠提供；試驗用石膏為商品石膏，其SO3含量為34%。試驗用鋼渣為經熱悶處理后的含釩鋼渣，渣中游離CaO小于3%，化學成分見表1。該鋼渣被碾磨至45 μm以下，比表面積大于400 m2/kg。試驗配制了不同摻渣量的鋼渣硅酸鹽水泥，每份試樣為500 g，其成分見表2。

表1 含釩鋼渣的化學成分/%

表2 鋼渣硅酸鹽水泥配比

試驗按照國標《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T1346-2011)測試了鋼渣水泥的安定性；按照國標《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T17671)測試了鋼渣水泥的強度；通過SEM觀察了不同摻渣量下，鋼渣水泥在水化齡期28d后的微觀形貌；通過八通道微量量熱儀測定不同時間下鋼渣水泥的水化放熱量。

2 試驗結果及分析

2.1 摻渣量對水泥安定性的影響

表3是不同含量的鋼渣微粉對鋼渣硅酸鹽水泥的安定性能的影響。

由表3中結果可知，鋼渣硅酸鹽水泥的標準稠度用水量隨鋼渣微粉摻入量增加而降低，這是因為隨著鋼渣摻量增加，整個體系中能夠參與水化的物質總量減少，導致標準稠度用水量下降。沒有摻入鋼渣時為0.29，摻渣量為50%時，下降到0.25。

表3 鋼渣摻量對水泥安定性能的影響

鋼渣硅酸鹽水泥的凝結時間隨含釩鋼渣微粉摻入量增加而延長。這是因為鋼渣的活性比水泥低，隨著含釩鋼渣微粉摻入量增加，整個體系內的水泥熟料量減少，導致體系中水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣總量下降，體系形成空間網狀結構減少，最終導致凝結時間延長。當摻量達到50%時，鋼渣水泥的初凝時間為191 min。終凝時間為266 min。其初凝時間大于45 min，終凝時間低于600 min，符合《通用硅酸鹽水泥標準》要求。

在采用沸煮法測試鋼渣水泥的安定性能結果中顯示，當含釩鋼渣微粉摻量在30%以下，試樣沒有出現翹曲，也沒有開裂，安定性合格。而當把鋼渣摻量提高到50%時，試樣出現了翹曲，并伴有宏觀裂紋，其安定性不合格。這是因為鋼渣微粉中含有少量沒有被消解的f-CaO，會與水生成Ca(OH)2，導致體系體積膨脹。當鋼渣摻量較高時，水泥中的f-CaO總量高，整個體系膨脹量較大，超過強度極限后，試樣會變形，開裂。

綜合上述結果可知，含釩鋼渣復合微粉摻量在30%以下，試樣的安定性是合格的。

2.2 摻渣量對水泥強度的影響

表4是含釩鋼渣微粉摻量30%以下不同鋼渣摻量對鋼渣硅酸鹽水泥的強度的影響。

表4 鋼渣摻量對水泥強度的影響試驗結果

從表4的結果中可知，水泥的3d和28d的抗折強度和抗壓強度隨著鋼渣摻量增加而下降。當鋼渣摻量為20%時，水泥的3d和28d的抗壓強度分別為31.8 MPa和53.4 MPa，達到了52.5R水泥強度等級。而當鋼渣摻量增加到30%時，水泥的3d和28d的抗壓強度分別為20.2 MPa和47.1 MPa，達到了42.5R水泥強度等級。

圖1是不同鋼渣摻量下水泥水化齡期28d后的微觀形貌。

(a)S1水泥熟料

圖1(a)為水泥熟料水化28d后的微觀形貌。從中可以觀察到，試樣組織存在大量的水化硅酸鈣凝膠，似針狀的水化鋁酸鈣凝膠和結晶完好的Ca(OH)2，起膠結作用的水化產物較多，顆粒之間結合性好，組織較為致密[10-11]。宏觀表現就是強度較高，其水化28d后的抗折強度為9.1 MPa，抗壓強度為62.3 MPa。

圖1(b)為摻渣量為20%的水泥水化28d后的微觀形貌。從中可以觀察到，試樣中水化硅酸鈣凝膠有所減少，但針狀的水化鋁酸鈣凝膠減少較為明顯，且生成的Ca(OH)2晶體呈板狀，結構較水泥熟料試樣稍疏松。另外，摻入的鋼渣顆粒表面附著了一層水化產物，說明已發生二次水化反應，鋼渣顆粒與周邊水化產物結合較緊密，沒有明顯的空隙，這也是摻加鋼渣后試樣仍然具有一定強度的原因，其水化28d后的抗折強度為7.6 MPa，抗壓強度為53.4 MPa。

圖1(c)為摻渣量為30%的水泥水化28d后的微觀形貌。從中可以觀察到，隨著摻渣量繼續提高，體系中生成的水化產物和凝膠減少顯著，主要是少量的硅酸鈣凝膠和Ca(OH)2晶體，以及一些未水化大顆粒相互堆積在一起。硬化漿體中顆粒堆積不緊密，孔隙率較大，結構不密實。鋼渣顆粒水化程度很低，也沒有被水化產物很好的包裹和覆蓋，只是夾雜在大量未水化的顆粒中，與周圍顆粒粘結不牢固。這也是摻加30%鋼渣后試樣強度進一步降低的原因其水化28d后的抗折強度為6.8 MPa，抗壓強度為47.1 MPa。

2.3 摻渣量對水泥水化放熱的影響

表5是含釩鋼渣復合微粉摻量30%以下不同鋼渣摻量的鋼渣硅酸鹽水泥在1d、3d和7d下累計釋放的水化熱結果。

表5 鋼渣摻量對水泥水化放熱的影響試驗結果

從表5中可以看出隨著鋼渣摻量增加，鋼渣水泥不同天數后累積釋放的水化熱均逐漸減緩，放熱速率和放熱量逐漸降低。在沒有摻入鋼渣的水泥熟料中，其1d、3d、7d的累積釋放的水化熱分別為171.36 kJ/kg，270.42 kJ/kg和328.65 kJ/kg。而當摻渣量為30%時，該鋼渣水泥在1d、3d、7d的累積釋放的水化熱分別下降到138.43 kJ/kg，225.89 kJ/kg和274.61 kJ/kg。可見鋼渣的摻入能顯著降低水泥的水化放熱量，適于制備中熱、低熱水泥用于大體積施工。

3 結論

(1)試驗采用含釩鋼渣微粉制備了鋼渣硅酸鹽水泥。隨著鋼渣摻量增加，水泥的標準稠度用水量呈下降趨勢，凝結時間延長。摻渣量在30%以下，水泥的安定性合格。

(2)隨著鋼渣摻量增加，水泥中水化產物減少，結合性下降，強度降低。當鋼渣摻量為20%時，水泥達到52.5R強度等級；當鋼渣摻量為30%時，水泥達到42.5R強度等級。

(3)隨著鋼渣摻量增加，水泥的水化放熱量下降，適用于大體積建筑物施工。