利用轉爐鋼渣制備水泥砂漿試驗研究

朱祖煌，武艷萍，周小俊

(1.湖北武穴長江公路大橋有限公司，武穴 435400；2.湖北公路智能養護科技股份有限公司，武漢 430050；3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

據統計，2017年我國鋼鐵產量達到8.3億t，約有9 000萬t的鋼渣產生，但鋼渣的綜合利用率卻不到22%。過量堆棄的鋼渣不僅會占用大量的土地，而且對大氣和河流造成嚴重污染。因此提高鋼渣綜合利用率，不但能減緩其對環境的污染，還能變廢為寶，是我國資源與環境保護的雙重重大戰略需求。

因鋼渣存在體積穩定性不良、粉磨效率不高等問題，導致制成的水泥安定性不合格率高、強度較低，因此鋼渣在水泥基材料中的應用較少[1]。彭小芹[2]指出：鋼渣形成溫度達到1 650 ℃，經自然冷卻后形成，常溫活性較低，膠凝活性也較差。易龍生[3]研究發現：利用鋼渣粉制備鋼渣水泥砂漿，隨著比表面積增大，各齡期的抗壓、抗折強度都有不同程度的提高。朱伶俐[4]指明：石膏、硅酸鈉和生石灰的復合激發劑可提高鋼渣的水化活性，加快鋼渣微粉的水化反應速度。

利用XRF和XRD研究轉爐鋼渣化學成分與礦物成分，并將轉爐鋼渣分別制備成鋼渣粉和鋼渣砂以替代水泥砂漿的水泥和標準砂，探索由粗細轉爐鋼渣集料制備的鋼渣粉在不同摻量下對水泥砂漿強度的影響規律，研究不同摻量鋼渣砂(粒徑0～4.75 mm)制備的水泥砂漿強度。研究結果有望推動鋼渣在水泥基材料中的應用。

1 試 驗

1.1 原材料

1)轉爐鋼渣：廣西盛翔新材料有限公司轉爐鋼渣。

2)水泥：黃石華新PO42.5普通硅酸鹽水泥。

3)標準砂：廈門艾思歐標準砂。

4)外加劑：硅酸鈉、脫硫石膏(天大化學試劑廠)。

1.2 試驗設計

1.2.1 鋼渣預處理

將取樣轉爐鋼渣進行篩分處理，按粒徑分為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～16 mm四檔，每一檔轉爐鋼渣經球磨后過0.075 mm篩，取篩下部分得到鋼渣粉用于替代水泥制備水泥砂漿。取樣鋼渣過4.75 mm篩，取篩下部分作為鋼渣砂，取代標準砂制備水泥砂漿。

1.2.2 鋼渣水泥活性激發方案

鋼渣用于水泥的活性激發主要有物理激發和化學激發兩種方法。物理激發是指將鋼渣磨細，提高其細度和比表面積；化學激發是指添加外加劑提高鋼渣活性，主要為堿激發。試驗選用化學激發方法，所采用的激發劑為硅酸鈉(水玻璃)和脫硫石膏，堿激發劑摻量為外摻，硅酸鈉摻量為膠凝材料質量的3%，脫硫石膏摻量為膠凝材料質量的6%。將鋼渣粉和鋼渣砂分別等質量的替代水泥和標準砂，水灰比為0.5，制備水泥砂漿。

2 結果與討論

2.1 鋼渣細集料的化學成分和礦物成分

轉爐鋼渣的化學成分見表1，礦物成分見圖1。鋼渣粉的主要化學成分是CaO、Fe2O3、SiO2，這與水泥的主要化學成分基本一致。在轉爐鋼渣的水化反應中伴隨著玻璃體的解體和沸石類產物的形成，沸石類產物的形成需要消耗大量的Al2O3,由表1知轉爐鋼渣的Al2O3含量很低，導致轉爐鋼渣的水化反應不充分。由圖1 可知，硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)的衍射峰強度較弱，表明鋼渣細集料的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)含量較少，導致鋼渣粉的水化反應較弱。因此鋼渣粉替代水泥參與水化反應時，只能部分替代，保證硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)的含量充足，同時還應摻入堿激發劑激發鋼渣潛在活性物質。

表1 轉爐鋼渣化學成分

2.2 游離氧化鈣(f-CaO)含量對鋼渣水泥砂漿強度的影響

取樣轉爐鋼渣f-CaO含量見圖2。從圖2中可以看出，取樣轉爐鋼渣的粒徑越小，其f-CaO含量越高，這可能與轉爐鋼渣的比表面積有關，粒徑小的比表面積大，f-CaO能夠更好的附著在鋼渣的表面上。圖3是不同粒徑轉爐鋼渣球磨35 min后50%替代水泥制備的砂漿的強度，粒徑越大的鋼渣球磨后制備的水泥砂漿，7 d和28 d的抗壓抗折強度越大。這是由于轉爐鋼渣中f-CaO的存在使得鋼渣存在體積穩定性不良的問題[5]，鋼渣水泥的水化膨脹也因此發生，f-CaO含量越高，膨脹率越大，導致鋼渣水泥砂漿抗壓抗折強度減弱[6]。

2.3 鋼渣粉不同摻量對水泥砂漿強度的影響

選取粒徑在5～10 mm的轉爐鋼渣，球磨至勃氏比表面積400 m2/kg左右，按質量的0、30%、40%、50%替代水泥，制備水泥砂漿，編號分別為1#、2#、3#、4#。砂漿的抗折抗壓強度測試結果表明，隨著鋼渣粉摻量的增加，砂漿的3 d、7 d、28 d的抗折抗壓強度均降低，試驗鋼渣粉的最佳摻量為30%，此時鋼渣水泥具有較好的膠凝活性，鋼渣粉的7 d活性指數為67%，28 d活性指數達到了71%。由圖4、圖5可以看出，鋼渣粉對試件前期的抗折強度的促進更明顯，后期的抗折強度促進較弱；而對試件后期的抗壓強度促進作用更大。

2.4 鋼渣砂不同摻量對水泥砂漿強度的影響

表2給出了不同配比鋼渣砂替代標準砂的砂漿強度和安定性，發現鋼渣砂全部替代標準砂時，試件安定性不合格。鋼渣砂的吸水率遠大于標準砂的吸水率，造成體系缺水，嚴重影響了水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)生成的反應速率，膠凝材料無法凝結硬化。鋼渣砂的細度模數也會影響到水化反應的需水量，細度模數應與標準砂保持一致，細度直接影響到水、膠凝材料與鋼渣砂的接觸面積，細度越細接觸面積越大，水與鋼渣砂更快的結合與吸附，導致砂漿流動度下降[7]。與標準砂制備的砂漿相比，50%和20%摻量的鋼渣砂其7 d、28 d抗壓強度均有所提高，抗折強度略低于標準砂砂漿。

表2 鋼渣砂不同配比的砂漿強度和安定性

3 結 論

a.轉爐鋼渣具有與水泥相似的化學和礦物成分，鋼渣微粉可以替代水泥，但鋼渣水泥砂漿強度較低；可通過物理和化學活性激發使轉爐鋼渣具有水化活性，達到增強鋼渣水泥砂漿抗壓抗折強度的目的。

b.轉爐鋼渣粒徑越大，f-CaO含量越少。用大粒徑轉爐鋼渣研磨至一定細度的鋼渣粉，部分取代水泥制備水泥砂漿，具有比小粒徑轉爐鋼渣更好的抗壓抗折強度。在堿激發條件下用鋼渣粉制備水泥砂漿，鋼渣粉的最佳摻量為30%， 7 d活性指數為67%，28 d活性指數為71%。

c.鋼渣砂(粒徑0～4.75 mm)可以部分取代標準砂制備水泥砂漿，砂漿的抗壓強度均高于純標準砂制備的水泥砂漿，而抗折強度略低于純標準砂制備的水泥砂漿。