鋼渣性能及其在水泥中的應用研究

張愛全

鋼渣性能及其在水泥中的應用研究

張愛全

以日鋼熱燜鋼渣為研究對象，從實際應用開發角度，通過研究鋼渣粉細度對其性能的影響，鋼渣粉摻量對水泥膠凝材料性能的影響，找到了鋼渣粉、礦渣粉復合應用于不同強度等級水泥的適合配比，為鋼渣粉生產及其作為水泥混合材使用提供有益的參考。

熱燜鋼渣；活性指數；膠凝材料性能

鋼渣是煉鋼生產過程中產生的冶煉廢渣，鋼渣中含有一定的活性組分如C3S、C2S、C3A及鐵鋁酸鹽等礦物[1]，因此鋼渣可作為水泥的活性材料使用。侯新凱等[2]以太鋼轉爐鋼渣為研究對象，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能量色散譜儀，從微觀層面鑒定鋼渣礦物相并測定巖相的化學成分，轉爐鋼渣不含游離態的方鎂石，MgO與FeO、MnO形成連續固熔體RO相，fCaO相，硅酸鹽礦物相C2S、C3S，以及復雜的鐵鋁酸鈣固熔體等礦物相。張愛萍、李永鑫[3]通過試驗得出，鋼渣：礦渣為3：7時，力學性能最好。唐衛軍、任中興等[4]研究證實鋼渣-礦渣水泥混凝土的工作性能良好。

本文以日鋼熱燜鋼渣為研究對象，從實際應用開發角度，研究鋼渣粉細度對其性能的影響，鋼渣粉摻量對水泥膠凝材料性能的影響，以及鋼渣粉、礦渣粉復合應用于水泥的合適配比，為鋼渣粉生產及其作為水泥混合材使用提供有益的參考。

表1　鋼渣的化學成分，%

表2　高爐礦渣微粉理化指標

1　試驗材料

1.1鋼渣

以日鋼半液態鋼渣為原料，經熱燜工藝處理，再經破碎、磁選等工序加工制得鋼渣，然后經臥輥磨系統粉磨制得鋼渣微粉，其化學成分如表1所示。

1.2礦渣粉

以日鋼高爐礦渣微粉為原料，其理化指標如表2所示。

1.3基準水泥

以中國建筑材料科學研究總院水泥科學與新型建筑材料研究院用于?；郀t礦渣粉（GB/ T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》）活性指數及流動度比檢驗的對比水泥為基準水泥。

1.4熟料粉

將水泥熟料、石膏及少量石灰石（≤5%）共同粉磨至比表面積為350± 10m2/kg，制得水泥熟料粉，SO3比例控制在（2.8±0.1）%。

表3　各批次鋼渣在不同比表面積下的活性

2　試驗結果與討論

2.1不同細度鋼渣粉活性試驗

將熱燜處理后的3個批次鋼渣（尾渣）分別磨至比表面積為350± 10m2/kg、400±10m2/kg、450±10m2/kg、 500±10m2/kg，制成3d、7d、28d膠砂試件，與基準水泥對比研究其活性變化規律，試驗結果見表3。

對表3數據按比表面積取均值并作圖（圖1、圖2）。

圖1　不同齡期活性隨比表面積變化曲線

圖2　不同比表面積活性隨齡期變化曲線

由表3數據輔以圖1、圖2可以看出，鋼渣粉活性指數隨著比表面積的提高表現出不同的增長規律，3d的活性指數隨比表面積升高略有降低，而7d和28d的活性指數總體隨比表面積升高而升高，但有峰值，在450m2/kg時達到峰值后開始降低。

這是因為，隨著鋼渣粉比表面積的提高，鋼渣中的磷（主要以磷酸三鈣與硅酸二鈣形成的固熔體存在[5]）在早期水化時容易浸出，浸出的磷延緩了基準水泥凝結硬化時間，對試塊早期強度不利，體現為鋼渣粉3d活性指數隨比表面積升高而降低；而到水化中后期，磷對試塊水化硬化的影響漸小，總體體現為鋼渣粉7d和28d的活性指數隨比表面積升高而升高。隨著鋼渣粉比表面積的提高，其需水量必然增加，當比表面積提高到一定程度（本試驗為450m2/kg），鋼渣粉活性絕對增量不足以抵消因其需水量增加引起的強度減量[6]時，就會出現鋼渣粉活性指數的“峰值”。需要注意的是，此“峰值”是現有活性指數檢測方法的局限性所致，并非鋼渣粉活性指數的真正峰值。

2.2不同摻量鋼渣粉對膠凝材料影響試驗

在基準水泥中摻加10%～30%的鋼渣粉（比表面積400m2/kg），研究其凝結時間、沸煮安定性、壓蒸安定性和膠砂強度（3d、7d、28d）的變化規律。

2.2.1凝結時間

將鋼渣粉按照比例摻入基準水泥中，測得凝結時間，見表4。

表4　鋼渣粉不同摻量時凝結時間的試驗結果

表5　鋼渣粉不同摻量時安定性的試驗結果*

根據表4繪制水泥凝結時間隨鋼渣粉摻量變化曲線圖（圖3）。

由表4和圖3可以看出，摻入鋼渣粉后，水泥凈漿的凝結時間會延長。鋼渣粉摻量由0%增加到30%，水泥凈漿的初凝時間由145min增加到295min，終凝時間由225min增加到525min。其中，鋼渣粉摻量由0%增至15%時，水泥凝結時間呈緩慢線性增長，初終凝時間增長幅度基本同步；鋼渣粉摻量由15%增至30%時水泥凝結時間增幅較大，且終凝時間增幅大于初凝時間。

2.2.2安定性試驗

將鋼渣粉按照比例摻入基準水泥中，測得安定性，見表5。

根據表5數據作安定性曲線圖（圖4、圖5）。

圖3　凝結時間隨鋼渣粉占比變化圖

圖4　沸煮安定性曲線

圖5　壓蒸安定性曲線

由表5數據輔以圖4、圖5可以看出，水泥的沸煮安定性和壓蒸安定性膨脹度隨鋼渣粉摻量的提高（由0%～40%）而增加，在30%范圍內均合格；當鋼渣粉摻量達到35%～40%時，壓蒸安定性合格，但沸煮安定性達到5mm，出現不合格。說明鋼渣雖經熱燜穩定化處理，但仍含有一定fCaO，鋼渣粉作水泥混合材使用時比例在30%以內安定性良好。需要注意的是，該試驗所用鋼渣為經過熱燜穩定化處理的鋼渣。

2.2.3力學性能試驗

將鋼渣粉按照比例（由0%漸次提高到40%）摻入基準水泥中，測得水泥膠砂強度，見表6。

表6　鋼渣粉不同摻量時膠砂強度的試驗結果

表7　鋼渣粉和礦渣粉不同摻量時水泥膠砂強度的試驗結果

根據試驗結果繪制抗壓強度曲線圖（圖6）。

圖6　抗壓強度曲線圖

由表6數據輔以圖6可以看出，隨著鋼渣粉摻量的增大，水泥強度基本呈直線降低趨勢，而早期強度特別是3d強度趨勢線斜率更大，說明鋼渣后期水硬性能較前期好，這也印證了鋼渣中C2S相對較高的有關論述[4]。需要注意的是，鋼渣粉摻入量達到20%以上時，膠砂試件需養護48h后脫模。

2.3鋼渣粉和礦渣粉復合性能研究

2.3.1鋼渣粉和礦渣粉對P·O42.5水泥的影響

通過調整鋼渣粉和礦渣粉比例，外摻到熟料粉中制備P·O42.5水泥，研究摻入不同比例的鋼渣粉、礦渣粉后對水泥性能的影響，確定鋼渣粉和礦渣粉的較佳配比。將各比例配料試樣做膠砂試塊，測得3d、7d、28d水泥強度見表7。

由表7中的數據可以看出，當熟料粉比例在85%時，鋼渣粉的摻量為7%；礦渣粉為8%時與全部摻15%礦渣粉時的強度相差很小，而當鋼渣粉全部取代15%的礦渣粉時，水泥強度降低較明顯；若提高水泥中熟料粉的比例至90%，增加鋼渣粉至10%，則3d強度相比熟料粉降低較少，但是28d強度偏低。為保證P·O42.5水泥具有足夠的后期富余強度，熟料粉的比例在85%，鋼渣粉的摻量在7%左右比較合適。需要注意的是，本試驗所用熟料粉的后期強度偏低，實際生產中應嚴格控制水泥熟料粉的質量，并根據水泥熟料粉的力學性能對鋼渣粉的摻量進行調整。

2.3.2鋼渣粉和礦渣粉對P·C32.5R水泥的影響

通過改變鋼渣粉和礦渣粉比例，外摻到水泥熟料粉中制成P·C32.5R水泥，研究摻入不同比例時對水泥性能的影響，并找出鋼渣粉和礦渣粉在P·C32.5R水泥的較佳配比。將各比例配料試樣做膠砂試塊，測得3d、7d、28d水泥強度見表8。

根據表8中的數據，綜合考慮成本及P·C32.5R水泥的早期強度指標及其富余強度要求，從以上方案中選出3號較佳配比，即熟料粉比例50%、鋼渣粉摻量15%，礦渣粉摻量35%。所選的配合比能夠滿足P·C32.5R水泥的指標要求，且成本最低。實際生產時，為防止水泥熟料質量波動對產品質量的影響，應嚴格控制熟料粉的質量，同時檢測鋼渣粉、礦渣粉的質量，確保水泥產品質量受控。

表8　鋼渣粉和礦渣粉不同摻量時水泥膠砂強度的試驗結果

3　結語

（1）鋼渣粉做水泥混合材使用時，比表面積控制在400～450m2/kg范圍內比較適宜。

（2）鋼渣粉對水泥的凝結時間、安定性及強度均有一定影響，其中，鋼渣粉對凝結時間的影響為：摻量≤15%時影響不大，＞15%時則影響大幅增加。鋼渣粉對水泥安定性的影響為：摻量≤30%時沸煮及壓蒸安定性合格，＞30%時沸煮法出現不合格；鋼渣粉對強度的影響為：隨鋼渣粉摻量的增加，水泥強度呈線性下降趨勢。

（3）鋼渣粉和礦渣粉制備P·O42.5水泥，當熟料粉為85%時，鋼渣粉與礦渣粉按7:8比例復合效果最佳；鋼渣粉和礦渣粉復合制備P·C32.5R水泥，當熟料粉為50%時，鋼渣粉與礦渣粉按15:35比例復合效果最佳。

考慮到鋼渣成分波動和熟料粉來源的變化可能會造成其產品質量波動，在實際生產應用過程中應嚴格控制熟料粉的質量，并對鋼渣粉質量進行監控，以保證水泥產品質量。

[1]張玉柱，雷云波，李俊國，等.鋼渣礦相組成及其顯微形貌分析[J].冶金分析，2011，31（9）：11-17.

[2]侯新凱，徐德龍，楊南如，李虎森.轉爐鋼渣礦物相分析和水化反應動力學[J].冶金環境保護，2012，（1）：14-26.

[3]張愛萍，李永鑫.鋼渣復合摻合料配制混凝土的工作性能與力學性能研究[J].混凝土，2006,（6）：38-41.

[4]唐衛軍，任中興，朱建輝.鋼渣礦渣微粉復合摻合料在混凝土中的應用[J].中國廢鋼鐵，2006，3（6）：32-34.

[5]李遼沙，于學峰，余亮.轉爐鋼渣中磷元素的分布[D].中國科學院上海冶金研究所.材料物理與化學（專業）博士論文，2000.

[6]夏暉，雷娜，俞岳燦，賀烽.影響水泥需水量的主要因素和控制方法[J].水泥工程，2013，（3）：6-9.

Research on the Performance of Steel Slag and its Application in Cement

ZHANG Aiquan
(Rizhao Steel Co.,Ltd.Shandong,Rizhao,276806)

Taking the Rizhao Steel Co.,Ltd.heat-stewed pulverized steel slag as research object,study the affect of the performance of steel slag with different fineness to develop its application and the influence of steel slag powder content on the properties of cementitious materials,found the suitable composition of steel slag powder, slag powder applied to different strength grade cement.It＇s good for steel slag powder production and provides a beneficial reference using it as cement mixed material.

heat-stewed pulverized steel slag;active index;cementitious materials performance

TQ172.44

A

1001-6171（2016）05-0035-05

通訊地址：日照鋼鐵控股集團有限公司，山東日照276806；2016-04-01；編輯：趙蓮