超細(xì)鋼渣粉與超細(xì)S95礦粉復(fù)和性能的研究

廖述聰，吳小緩，馬 黎，王雪蕊（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京100000）

0 引言

2019年我國(guó)的粗鋼產(chǎn)量為9.9億t[1]，以每生產(chǎn)10t粗鋼，約排放12%～20%的鋼渣計(jì)算，估計(jì)2019年我國(guó)排放鋼渣約1.2～2.0億t。如能將大量的鋼渣有效地利用，將大大緩解目前建材行業(yè)原材料短缺、價(jià)格高漲的境況。但因鋼渣普遍存在易磨性差、活性低、安定性不良等問(wèn)題，導(dǎo)致其在建材領(lǐng)域中的利用有限[2]。

眾所周知，鋼渣超細(xì)化是改善鋼渣性能的重要途徑，也一直是人們探索的方向，但大多工藝存在產(chǎn)量低、能耗高等問(wèn)題[3]，多年來(lái)一直未能實(shí)現(xiàn)鋼渣超細(xì)規(guī)模化生產(chǎn)。鑒于此，國(guó)家建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所/建筑材料行業(yè)工業(yè)固廢利用工程技術(shù)研究中心，經(jīng)過(guò)多年不懈努力，開(kāi)發(fā)出球磨超細(xì)粉磨專(zhuān)利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低電耗下大產(chǎn)量生產(chǎn)比表面積＞700 m2/kg的超細(xì)鋼渣粉的技術(shù)突破，并成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。以此技術(shù)生產(chǎn)的超細(xì)鋼渣粉各方面性能得到極大提升，與超細(xì)S95礦粉按一定質(zhì)量比復(fù)合，得到性能優(yōu)于S95礦粉的超細(xì)復(fù)合粉，能廣泛的應(yīng)用于水泥、混凝土生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了鋼渣在建材領(lǐng)域的高值化利用。本文以該超細(xì)粉磨工藝制備的超細(xì)鋼渣粉和超細(xì)S95礦粉為原材料，探究了不同復(fù)合比例的超細(xì)復(fù)合粉的活性指數(shù)、流動(dòng)度比、需水量比、初凝時(shí)間比、安定性，論證了超細(xì)復(fù)合粉相對(duì)于S95礦粉的優(yōu)勢(shì)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

鋼渣：吉林通鋼破碎后的鋼渣，河南某廠立磨粉磨后的鋼渣粉。礦粉：河北某廠的S95礦粉。水泥：混凝土外加劑檢驗(yàn)專(zhuān)用P·I42.5基準(zhǔn)水泥。標(biāo)準(zhǔn)砂：中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.2 超細(xì)粉制備

采用實(shí)驗(yàn)室Φ500mm×500mm標(biāo)準(zhǔn)磨機(jī)進(jìn)行超細(xì)粉磨，磨內(nèi)配備具有專(zhuān)利技術(shù)的特殊級(jí)配研磨體，單次粉磨5kg，粉磨時(shí)間為50min。超細(xì)粉磨鋼渣時(shí)需過(guò)0.2mm篩，S95礦粉直接粉磨。吉林鋼渣破碎后，先用球磨機(jī)粗粉磨，過(guò)篩后再超細(xì)粉磨；河南鋼渣粉直接過(guò)篩后超細(xì)粉磨。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）超細(xì)鋼渣粉粒度分布測(cè)試。使用歐美克公司生產(chǎn)的LS-909E高性能干法激光粒度分析儀對(duì)超細(xì)鋼渣粉進(jìn)行粒度分布測(cè)試。

（2）超細(xì)鋼渣粉活性、流動(dòng)度比、初凝時(shí)間比、體積安定性試驗(yàn)。超細(xì)鋼渣粉活性、流動(dòng)度比試驗(yàn)按照GBT 20497—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》進(jìn)行。試驗(yàn)配比見(jiàn)表1。

初凝時(shí)間比的測(cè)試方法參考GBT 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中粒化高爐礦渣粉》中的附錄A進(jìn)行。

表1 超細(xì)鋼渣粉活性試驗(yàn)配合比 g

安定性測(cè)試方法按照GBT 20497—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用沸煮法。其中鋼渣粉和基準(zhǔn)水泥按照質(zhì)量比3∶7混合制成。

（3）超細(xì)鋼渣粉與礦粉復(fù)配試驗(yàn)。復(fù)合超細(xì)粉需水量比試驗(yàn)參考GBT 18736—2017《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)配比及結(jié)果見(jiàn)表7。復(fù)合超細(xì)粉的活性指數(shù)和流動(dòng)度比參照GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》規(guī)定的方法測(cè)試，試驗(yàn)配比見(jiàn)表2。

表2 流動(dòng)度比及活性指數(shù)試驗(yàn)配合比 g

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超細(xì)鋼渣粉粒度分布測(cè)試

由表3和圖1，2可知，兩種鋼渣經(jīng)過(guò)超細(xì)粉磨后，超細(xì)鋼渣粉中位粒徑都遠(yuǎn)小于10 μm，微細(xì)粉含量高，且粒度分布均勻。

表3 超細(xì)鋼渣粉粒度分布

圖1 吉林超細(xì)鋼渣粉粒度分布圖

圖2 河南超細(xì)鋼渣粉粒度分布圖

這是由于該超細(xì)粉磨工藝對(duì)磨機(jī)和研磨體進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改造，相對(duì)普通球磨機(jī)，鋼渣一次受磨時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)、粉磨溫升低、微細(xì)粉不易結(jié)團(tuán)，所以超細(xì)鋼渣粉粒度較細(xì)，顆粒分布良好[4]。

2.2 超細(xì)鋼渣粉活性、流動(dòng)度、初凝時(shí)間、安定性試驗(yàn)

由表4可以看出，吉林和河南超細(xì)鋼渣粉的7d、28d活性指數(shù)分別都能超過(guò)90%、100%，流動(dòng)度比都能達(dá)到130%以上。7d、28d活性指數(shù)和流動(dòng)度比均遠(yuǎn)高于GB/T 20497—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》中Ⅰ級(jí)鋼渣粉的要求。

表4 超細(xì)鋼渣粉流動(dòng)度比、活性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

因?yàn)槌?xì)鋼渣粉顆粒比水泥要細(xì)很多，能填充于水泥顆粒之間的空隙中，密實(shí)了粉體結(jié)構(gòu)，減小了空隙率，則有一部分水因鋼渣粉的填充被替代出來(lái)，游離水增多，故流動(dòng)性增加。由于超細(xì)粉磨，破壞了鋼渣表面因高溫形成的鈍化層，提高了鋼渣粉的表面能，增加了鋼渣粉的反應(yīng)活性，同時(shí)由于顆粒間空隙率變小，漿體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度得到提高[5]。

由表5可知，超細(xì)鋼渣粉和超細(xì)S95礦粉質(zhì)量比7∶3的超細(xì)復(fù)合粉，其初凝時(shí)間比均小于200%，滿(mǎn)足GBT18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中的要求。

表5 初凝時(shí)間比結(jié)果 %

采用沸煮法測(cè)試吉林和河南的純超細(xì)鋼渣粉以及超細(xì)鋼渣粉與超細(xì)S95礦粉質(zhì)量比7∶3的超細(xì)復(fù)合粉體積安定性。由表6可知，沸煮結(jié)束后雷氏夾膨脹值均＜0.5，試餅均未發(fā)現(xiàn)裂縫，可以判定安定性合格。

因?yàn)殇撛捕ㄐ詥?wèn)題主要是由于鋼渣中含有f-CaO、f-MgO引起的。在鋼渣超細(xì)粉磨過(guò)程中，f-CaO、f-MgO得以均勻分散，水化初期遇水迅速充分反應(yīng)，避免了對(duì)安定性的不利影響[6]。

表6 體積安定性結(jié)果

2.3 超細(xì)鋼渣粉與礦粉復(fù)配試驗(yàn)

由表7可知，吉林超細(xì)鋼渣粉和超細(xì)S95礦粉質(zhì)量比7∶3的超細(xì)復(fù)合粉，河南超細(xì)鋼渣粉和超細(xì)S95礦粉質(zhì)量比6∶4的超細(xì)復(fù)合粉，需水量比都小于95%。因S95礦粉沒(méi)有需水量比的技術(shù)要求，故采用GB/T18736—2017《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》檢測(cè)，結(jié)果說(shuō)明超細(xì)復(fù)合粉需水量比滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ級(jí)磨細(xì)礦渣的要求。

表7 需水量比試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出，所有不同復(fù)合比例的超細(xì)復(fù)合粉的流動(dòng)度比均在120%～140%之間，滿(mǎn)足GBT 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣》中的要求。

表8 流動(dòng)度比試驗(yàn)結(jié)果

這是由于超細(xì)復(fù)合粉具有比水泥更高的比表面積，其填充效應(yīng)可減小膠凝體系的空隙率，使粉體結(jié)構(gòu)更密實(shí)，同時(shí)釋放出多余的水，使游離水增加，故流動(dòng)性提高、需水量比減小[7]。

由表9可知：隨著礦粉的用量增加，超細(xì)復(fù)合粉活性指數(shù)逐漸提高。所有不同復(fù)合比例的超細(xì)復(fù)合粉7d、28d活性指數(shù)均分別超過(guò)100%、95%，滿(mǎn)足GBT 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣》中S95礦粉的要求。

這是因?yàn)槌?xì)鋼渣粉和超細(xì)礦粉復(fù)合時(shí)可以較好地發(fā)揮超疊加效應(yīng)，在堿性環(huán)境下，其中硅、鋁組份溶出，并和鈣離子和氫氧根離子反應(yīng)生成C-S-H凝膠、Aft等水化產(chǎn)物，促進(jìn)強(qiáng)度的增長(zhǎng)。同時(shí)，超細(xì)鋼渣粉中的f-CaO水化生成CH，促進(jìn)了礦粉的水化反應(yīng)；超細(xì)復(fù)合粉在膠凝體系中起的物理填充密實(shí)作用，也使得強(qiáng)度得到較大提高[8]。

表9 活性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果 %

3 結(jié)論

（1）通過(guò)超細(xì)粉磨后的吉林鋼渣粉和河南鋼渣粉7d的活性分別達(dá)到97.2%、91.4%，28d活性指數(shù)分別達(dá)到108.7%、100.6%，流動(dòng)度比分別達(dá)到134.18%、137.38%，遠(yuǎn)超過(guò)Ⅰ級(jí)鋼渣粉的要求。

（2）吉林、河南超細(xì)鋼渣粉，以及超細(xì)鋼渣粉與超細(xì)S95礦粉質(zhì)量比7∶3的超細(xì)復(fù)合粉的體積安定性、初凝時(shí)間比以及需水量比，各項(xiàng)指標(biāo)均合格。

（3）吉林、河南超細(xì)鋼渣粉與超細(xì)S95礦粉分別按質(zhì)量比7∶3、6∶4、5∶5復(fù)合的超細(xì)復(fù)合粉，7d、28d活性指數(shù)分別超過(guò)100%、95%，需水量比均小于95%，流動(dòng)度比均大于120%，各復(fù)合比例的超細(xì)復(fù)合粉都能達(dá)到S95礦粉要求。