摘要
研究了转炉钢渣粉和电炉渣粉、钢渣和高炉矿渣双掺粉的活性及渣粉掺量与混凝土性能的关系。钢渣粉的比表面积增大，其渣粉活性提高。钢渣粉可作为混凝土掺合料。钢渣粉与矿渣粉复合使用，效果更好，活性指数可达S95等级要求。因此钢渣粉和矿渣粉复合使用是钢渣高价值利用的最佳途径。
研究了转炉钢渣粉和电炉渣粉、钢渣和高炉矿渣双掺粉的活性及渣粉掺量与混凝土性能的关系。钢渣粉的比表面积增大，其渣粉活性提高。钢渣粉可作为混凝土掺合料。钢渣粉与矿渣粉复合使用，效果更好，活性指数可达S95等级要求。因此钢渣粉和矿渣粉复合使用是钢渣高价值利用的最佳途径。
关健词: 钢渣粉 混凝土 掺合料
1 引言
中国每年排出钢渣量约1900万吨，有效利用率约为50%1982年中国推出了钢渣矿渣水泥品种，生产使用至今己有近三十年历史。尔后，作者重点研究了钢渣和矿渣的机械激发活性的机理，并用于生产。1999年在北京召开的冶金渣处理利用国际研讨会上，笔者发表了高标号钢渣水泥和钢渣粉、矿渣粉作水泥和混凝土掺合料的技术报告，并提出这是钢渣高价值利用的发展方向。近两年来对国内外20余个钢铁厂的钢铁渣进行了成分、活性及作水泥、混凝土掺合料的试验研究。为钢铁企业建设渣粉厂提供技术依据。这对实现钢铁企业钢渣零排放、促进企业可持续发展、保护环境、为建筑工程提供优质建材都有一定意义。
2 试验原材料及方法
2.1 钢渣
2.1.1 钢渣的化学成分
采用荷兰菲利浦PW1 400X-荧光光谱分析测定试验用钢渣的化学成分，结果见表1。
表1 钢渣的化学成分
|
种类 |
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
Fe2O3 |
FeO |
MnO |
TiO2 |
P2O5 |
K2O |
Na02 |
|
转炉渣 |
11.03 |
2.78 |
46.89 |
8.97 |
13.82 |
9.84 |
0.43 |
0.82 |
1.29 |
0.07 |
-- |
|
电炉渣 |
16.17 |
2.75 |
35.73 |
6.45 |
8.42 |
23.62 |
3.91 |
0.55 |
1.10 |
0.03 |
0.01 |
转炉钢渣碱度B=CaO/(SiO2+P205) =3.81，属高碱度钢渣。
2.1.2 钢渣的矿物组成
钢渣的矿物组成与其碱度Ca0/(Si02+P205)有关。电炉钢渣的B= CaO/(SiO2+P205)=2.07，属中碱度钢渣。在冶炼过程中，碱度逐渐提高，则依次发生下列取代反应:
CaO+RO+SiO2→CaO.R0.SiO22(CaO.R0.SiO2)→3CaO.R0.2SiO2+R03CaO.R0.2SiO2+CaO→2CaO.Si02+RO2CaO.Si02 +CaO→3CaO.Si02
式中 RO 代表二价金属(一般为Mg+2、Fe+2、Mn+2) 氧化物的连续固熔体。
钢渣中含有硅酸盐水泥熟料相似的硅酸二钙(C2S )和硅酸三钙(C3S)，高碱度转炉钢渣中其两者含量在50%以上，中、低碱度的钢渣中主要为C2S，电炉钢渣中硅酸盐矿物含量略低。钢渣的生成温度为1560℃以上，而硅酸盐水泥熟料的烧成温度在1400℃左右。钢渣中的生成温度高，其结晶致密，晶粒较大，水化速度缓慢。因此将钢渣又称为过烧硅酸盐水泥熟料。
2.2 粒化高炉矿渣粉
粒化高炉矿渣的化学成分见表2,
表2 矿渣的化学成分 %
|
SiO2 |
TiO2 |
AlO2 |
Fe2O3 |
MnO |
CaO |
MgO |
K2O |
Na02 |
|
33.25 |
1.62 |
14.36 |
1.73 |
0.41 |
35.85 |
10.67 |
0.80 |
/ |
CaO+MgO+Al2O3
高炉矿渣的质量系数K= ----------------------- =1.73
Si02+MnO+TiO2
2.3 试验用强度等级为52.5硅酸盐水泥，性能见表3.
表3 水泥性能
|
比表面积m2/kg |
凝结时间 h:min |
安定性 |
扰折强度MPa |
抗压强度MPa | |||||
|
初凝 |
终凝 |
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d | ||
|
300 |
2:08 |
3:46 |
合格 |
6.4 |
7.6 |
8.9 |
29.0 |
41.2 |
55.8 |
2.4 骨料
细骨料为北京龙凤山中砂，细度模数为2.85，含泥1.0%，表观密度2.62g/cm3堆积密度为1555kg/m3粗骨用河北沙河碎石，粒径为5~20mm，含泥量0.3%，针片状含量4.8%，表现密度2.75g/cm3，堆积密度1464kg/m3
2.5 外加剂
采用 JG- 2高效减水剂，减水率在20%以上。
(1) 渣粉比表面积按GB/T8074进行。
(2 ) 渣粉的活性指数及流动度按GB/T18046-2000进行。
(3 )混凝土的强度和坍落度按GBJ81及GBJ80进行。
3 试验结果与分析
3.1不同比表面积钢渣粉的活性指数
为了测定钢渣粉的活性，参照GB/T18046的方法，分别作了比表面积为358. 452. 556. 631m2/kg电炉钢渣粉和比表面为356. 456, 558, 654m2/kg转炉的钢渣粉的活性指数试验(ISO法)，结果列于表4
表4 钢渣粉活性指数
|
样品名称 |
比表面积m2/kg |
抗压强度MPa |
活性指数 |
级别 | ||
|
7d |
28d |
7d |
28d | |||
|
对比样 |
300 |
41.2 |
55.8 |
100 |
100 |
-- |
|
电炉钢渣 |
358 |
23.4 |
39.7 |
57 |
71 |
-- |
|
电炉钢渣 |
452 |
24.9 |
42.6 |
60 |
76 |
S75 |
|
电炉钢渣 |
556 |
25.1 |
43.5 |
60 |
78 |
S75 |
|
电炉钢渣 |
631 |
25.2 |
48.7 |
61 |
87 |
S75 |
|
转炉钢渣 |
356 |
28.6 |
42.7 |
70 |
77 |
S75 |
|
转炉钢渣 |
456 |
28.7 |
43.8 |
70 |
78 |
S75 |
|
转炉钢渣 |
558 |
29.2 |
45.9 |
71 |
82 |
S75 |
|
转炉钢渣 |
654 |
30.1 |
49.1 |
73 |
88 |
S75 |
从表4试验结果可以看出:纯钢渣粉的活性指数比较低。随着钢渣粉与表面积的增大，活性指数提高。转炉钢渣粉比电炉钢渣粉的活性高。电炉钢渣粉比表面为358M2/kg 时，达不到GB/T18046的技术要求，比表面积大于452M2/kg 时，可达到S75级别指标。转炉钢渣粉比表面积在356M2/kg 以上，均可达到S75级别指标。
3.2 不同比表面积钢渣粉的流动度
流动度比是试验样品的流动度和对比样品的流动度之比。试验结果列于表5。
表5 钢渣粉的流动度比
|
样品名称 |
对比样 |
电炉钢渣 |
转炉钢渣 | ||||||
|
比表面积m2/kg |
300 |
358 |
452 |
556 |
631 |
356 |
456 |
558 |
654 |
|
流动度mm |
180 |
182 |
185 |
189 |
189 |
180 |
184 |
184 |
187 |
|
流动度比% |
100 |
101 |
103 |
105 |
105 |
100 |
102 |
102 |
104 |
从表 5试验结果可知，钢渣粉具有良好的流动度，随着渣细度大，流动度值增大。
3.3 钢渣粉推f与混凝性能的关系
钢渣粉取代部分水泥的混凝土性能试验结果见表6
表6 钢渣粉掺量与混凝土性能的关系
|
渣粉品种 |
电炉钢渣粉(452m2/kg) |
转炉钢渣粉(558 m2/kg) | |||||||||
|
渣粉取代量% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 | |
|
抗压强度MPa |
R7 |
56.7 |
53.4 |
52.2 |
48.1 |
36.6 |
56.7 |
53.6 |
52.8 |
51.8 |
40.4 |
|
R28 |
68.6 |
68.7 |
61.4 |
58.8 |
45.6 |
68.6 |
68.9 |
63.4 |
61.1 |
56.1 | |
|
坍落度mm |
4.5 |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
4.5 |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
2.5 | |
注: 每m 3混凝土材料用量(kg): 胶材总量400，水152，砂795，石子1053， JG-2减水剂1.0%，水胶比38%，砂率43%
表 6可知 :钢渣粉取代水泥量为10%时，混凝土的7天强度降低、28天强度提高。渣粉取代量为20%-40%,随着掺量的增加，混凝土强度随之降低。混凝土的坍落度没有改善。
3.4 钢泣和矿泣双扮粉的活性指致和流动度
目前我国钢渣和高炉矿渣的产量比约为3:7.钢渣和矿渣双掺粉中两者质量比按此比例设计。双掺渣粉活性指数和流动度比试验结果列于表7
表7 双掺渣粉活性指数和流动度比
|
样品名称 |
抗压强度MPa |
活性指数% |
流动度mm |
流动度比% |
级别 | ||
|
7d |
28d |
7d |
28d | ||||
|
对比样 |
41.2 |
55.8 |
100 |
100 |
106 |
100 |
--- |
|
电炉钢渣 |
31.7 |
53.1 |
79 |
95 |
120 |
113 |
S95 |
|
转炉钢渣 |
33.0 |
58.0 |
80 |
104 |
113 |
107 |
S95 |
注:钢渣粉与矿渣粉的比表面积均为465m2/kg
从表 7可知:30%的钢渣粉与70%的矿渣粉复合，其活性指数可达S95等级，且流动度良好。
3.5 钢渣和矿渣双掺粉与混凝土性能的关系
钢渣粉与矿渣粉的质量比为3:7 ，分别取代水泥量的10%, 20%, 30%, 40%,进行混凝土性能试验，混凝土配合比与表6相同，结果列于表8
表 8 双掺粉(465 m2/kg)的掺量与混凝土性能的关系
|
渣粉取代水泥量% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 | |
|
抗压强度MPa |
R7 |
56.7 |
55.0 |
54.4 |
52.7 |
48.6 |
|
R28 |
68.6 |
69.7 |
68.9 |
67.2 |
63.3 | |
|
坍落度mm |
4.5 |
6.0 |
12.0 |
13.0 |
15.0 | |
从表 8试 验结果可知:钢渣与矿渣双掺粉取代水泥量为10%~20%时，混凝土的强度提高，取代量大于加20%，强度下降。掺入渣粉后7天强度均降低。双掺渣粉取代水泥量的10%~30%与不掺渣粉相同均可配制C60的混凝土。双掺渣粉混凝土的坍落度增大。
4 结论
(1 )钢渣中含有硅酸二钙(C2S),具有一定水硬活性。钢渣粉的比表面积在452m2/kg以上时.按GB/T18064的方法测定，可达到S75等级技术指标。
(2) 钢渣粉可作混凝土掺合料使用。胶材总量为400kg/m3,钢渣粉等量取代10%水泥与不掺渣粉相同，也可配制C60的混凝土。取代量为20%~40%,混凝土强度下降。钢渣粉对混凝土的坍落度影响不大。
(3 )钢渣粉与矿渣粉按质量比3:7制成双掺渣粉，比表面积为465 m2/kg，可达到S95等级技术指标。
(4) 胶材总量为400kg/m3，双掺渣粉等量取代水泥10%和20%,混凝土28天强度提高。取代量为30%, 28天强度略降低。取代水泥量10%~20%，与不掺渣粉相同，也可配制C60的混凝土。双掺渣粉可增大混凝土的坍落度。
(5 )钢渣粉与矿渣粉复合制成双掺粉，等量取代水泥，可提高混凝土28天强度，改善流动度，是钢铁渣高价值利用的重要途径。
参 考 文 献
1 朱桂林 孙树杉，中国钢铁渣利用的现状和发展方向，冶金渣处理与利用国际研讨会论文集，中国金属学会，1999.11,P9-14
2 朱桂林等，利用钢渣制造水泥的研究，地球环境与钢铁工业国际研讨会论文集，中国金属学会，1998.4.P264-268.
3 朱桂林 孙树杉，炼钢炉渣在建筑材料工业中应用，台湾工业废弃物资源比技术国际研讨会文集，1999.4，第四分册P1-14
4 朱桂林等，钢渣道路水泥，中国科学技术协会第二届青年学会会议论文集，中国技出版社，1995.6, P397-402
5 朱桂林 孙树杉 赵群，冶金渣资源化利用的现状和发展趋势, 2001年冶金能源环保技术会议文集，中国金属学会，2001.6. P234-246
