石 巖 王 佳 陳海焱 馮啟明 黃 陽

(1.固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽621010;2.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010)

鋼渣是煉鋼過程中排出的廢渣，約占鋼產(chǎn)量的15%。作為世界第一產(chǎn)鋼大國，我國2013年的鋼產(chǎn)量達(dá)7.79億t。據(jù)此推算，我國目前年產(chǎn)鋼渣達(dá)1億t以上，而實(shí)際利用率卻只有20%左右，遠(yuǎn)低于歐美國家65%以上的水平，因而我國鋼渣可謂堆積如山，這不僅污染環(huán)境、而且占用寶貴的土地資源［1-3］。

雖是煉鋼廢渣，鋼渣仍有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)鋼渣的資源化利用進(jìn)行了大量的研究［4-9］。用于建材行業(yè)是鋼渣的主要用途之一，但也存在一些問題，如其中的硅酸鹽礦物結(jié)晶完整不利于水化、f－CaO會(huì)導(dǎo)致鋼渣水泥的安定性不良等［10-12］。研究表明，細(xì)磨是激發(fā)鋼渣活性和鋼渣水泥安定性的有效手段［13］，因此，鋼渣的利用正朝粉末化的方向發(fā)展。本試驗(yàn)研究了鋼渣細(xì)粉的粒度和摻量對(duì)水泥膠凝性能的影響。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料及加工

1.1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用轉(zhuǎn)爐鋼渣來自攀鋼集團(tuán)成都鋼鐵有限責(zé)任公司，水泥熟料(用于制作P.Ⅰ42.5型水泥)由四川峨勝水泥集團(tuán)股份有限公司提供。鋼渣和水泥的主要化學(xué)成分見表1，鋼渣XRD分析結(jié)果見圖1。

表1 鋼渣及水泥的主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Main chemical composition analysis of steel slag and cement

圖1 鋼渣的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of steel slag

由表1可見，鋼渣和水泥熟料的主要化學(xué)成分相似，均以 CaO、SiO2、Al2O3和 Fe2O3為主，水泥和鋼渣中這4種成分的總含量分別為96.58%和81.04%。鋼渣的堿度系數(shù)為1.97(即CaO的含量與SiO2和P2O5含量和之比)，屬中等堿度鋼渣。

由圖1可見，鋼渣中的主要礦物有黑鈣鐵礦、氫氧鈣石、硅酸三鈣和錳鋁礦等。

1.1.2 原料加工

試驗(yàn)用1#鋼渣細(xì)粉由鋼渣原料經(jīng)過顎式破碎機(jī)和對(duì)輥式破碎機(jī)破碎、球磨機(jī)磨礦制得;2#、3#鋼渣細(xì)粉是將1#鋼渣細(xì)粉進(jìn)行超細(xì)粉碎，由氣流粉碎機(jī)制得，制作2#、3#鋼渣細(xì)粉時(shí)氣流粉碎機(jī)的分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為600、1 500 r/min;4#為水泥熟料，經(jīng)球磨機(jī)粉碎制得。各樣品粒度特性見表2。

表2 各樣品粒度特性分析結(jié)果Table 2 Characteristics analysis of particle size of different samples μm

1.2 試驗(yàn)方法

(1)摻鋼渣細(xì)粉的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性試驗(yàn)按照《GB/T1346—2001 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行。

(2)摻鋼渣細(xì)粉的水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)按照《GB/T17671—1999 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行，測定3、7和28 d的強(qiáng)度。

(3)鋼渣細(xì)粉活性指數(shù)的測定按照《GB/T20491—2006 用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》進(jìn)行，分別測試不同粒度鋼渣細(xì)粉的活性指數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同粒度鋼渣細(xì)粉對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時(shí)間和安定性的影響

1#、2#、3#樣分別與 4#樣按質(zhì)量比 30∶70 制成水泥凈漿，測定各凈漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間和安定性，并與單一4#樣的水泥凈漿性能指標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

表3 鋼渣細(xì)粉粒度對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時(shí)間及體積安定性的影響Table 3 The effects of steel slag particle size on the water requirement of normal consistency，setting time and soundness of cement

由表3可知，摻入的鋼渣細(xì)粉粒度越細(xì)，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增大，這是因?yàn)殇撛?xì)粉粒度越細(xì)、比表面積越大、需要用來包裹它的水越多［14］;摻入的鋼渣細(xì)粉粒度越細(xì)，初凝和終凝時(shí)間越長，但均滿足初凝時(shí)間＞45 min，終凝時(shí)間＜390 min的水泥規(guī)范要求;煮沸法檢驗(yàn)表明，摻鋼渣細(xì)粉的水泥體積安定性合格。摻入鋼渣細(xì)粉的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時(shí)間與普通硅酸鹽水泥的性能指標(biāo)非常接近。

2.2 不同粒度鋼渣對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)分別對(duì)1#、2#、3#樣與 4#樣按質(zhì)量比 30∶70制成的水泥膠砂強(qiáng)度與單一4#樣的水泥膠砂強(qiáng)度進(jìn)行了比較，結(jié)果見表4。

表4 鋼渣細(xì)粉粒度對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響Table 4 Effect of particle size of steel slag on strength of cement mortar

由表4可知，在鋼渣細(xì)粉摻量一定的情況下，摻入的鋼渣細(xì)粉粒度越細(xì)，水泥膠砂的強(qiáng)度和活性指數(shù)越高;對(duì)應(yīng)的2#、3#鋼渣細(xì)粉7 d的活性指數(shù)均大于75%，28 d活性指數(shù)均大于80%，滿足一級(jí)鋼渣細(xì)粉的技術(shù)要求;摻加2#、3#鋼渣細(xì)粉的水泥28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度滿足P.S.A 32.5級(jí)水泥的抗壓強(qiáng)度要求，可廣泛用于建材行業(yè)。

摻入的鋼渣細(xì)粉粒度越細(xì)，水泥膠砂的強(qiáng)度越高，這是因?yàn)榻?jīng)超細(xì)粉碎后的鋼渣，粒度越細(xì)，比表面積越大，活性越高，越容易發(fā)生水化反應(yīng)生成大量的水化產(chǎn)物，從而提高硬化漿體的致密度和強(qiáng)度［15］。

2.3 鋼渣摻量對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

用2#鋼渣細(xì)粉替代10%、20%、30%、40%、50%的4#樣與不摻加鋼渣的4#樣進(jìn)行水泥膠砂強(qiáng)度對(duì)比，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 鋼渣摻入量對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of mixing amount of steel slag on compressive strength of cement mortar

圖3 鋼渣摻入量對(duì)水泥抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of mixing amount of steel slag on flexural strength of cement mortar

由圖2、圖3可知，隨著鋼渣細(xì)粉摻入量的增加，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度不斷下降。當(dāng)鋼渣細(xì)粉的摻量超過30%后，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度加速下降。由于鋼渣細(xì)粉的水化活性比水泥熟料低，鋼渣細(xì)粉摻入量的增加、水泥熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降，必然導(dǎo)致水泥砂漿膠凝性水化產(chǎn)物生成量減少，硬化漿體的孔隙率上升，致密度下降，因此水泥膠砂試塊的強(qiáng)度降低［16］。

3 結(jié)論

(1)鋼渣細(xì)粉粒度越細(xì)，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越大，初凝和終凝時(shí)間越長。

(2)摻入一定量的鋼渣，細(xì)粉粒度越細(xì)，水泥膠砂的強(qiáng)度和活性指數(shù)越高;D50=6.21μm和D50=3.17μm的鋼渣細(xì)粉按30%取代水泥時(shí)，鋼渣復(fù)合水泥的強(qiáng)度和安定性均滿足國家P.S.A 32.5級(jí)水泥標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)向水泥中摻加粒度一定的鋼渣細(xì)粉，水泥膠砂的強(qiáng)度隨鋼渣細(xì)粉摻入量的增大而下降，當(dāng)鋼渣細(xì)粉的摻量超過30%以后，水泥膠砂的強(qiáng)度加速下降。

［1］ 舒型武.鋼渣特性及其綜合利用技術(shù)［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2007(5):31-34.Shu Xingwu.Steel slag characteristics and comprehensive utilization technology［J］.Nonferrous Metals Engineering ＆ Research，2007(5):31-34.

［2］ Motz H，Geiseler J.Products of steel slags an opportunity to save natural resources［J］.Waste Management，2001(21):285-293.

［3］ 涂文懋，魏 茂.鋼渣顯微構(gòu)造和特性及其在混凝土中的應(yīng)用研究［J］.混凝土，2007(11):77-79.Tu Wenmao，Wei Mao.Microstructures and characteristics of steel slag and its application to concrete［J］.Concrete，2007(11):77-79.

［4］ 易龍生，溫 建，汪 洲，等.鋼渣粒度分布對(duì)鋼渣水泥膠凝性能的影響［J］.金屬礦山，2013(6):165-167.Yi Longsheng，Wen Jian，Wang Zhou，et al.Influences of the particle size distribution on the cementing properties of steel slag cement［J］.Metal Mine，2013(6):165-167.

［5］ Perrine C，Jerome R，Valerie B.Environmental impacts of steel slag reused in road construction acrystallographic and molecular(XANES)approach［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，18:231-238.

［6］ Altun A，Yilmaz I.Study on steel furnace slags with high MgO as additive in Portland cement［J］.Cement Concrete Research，2002，32(8):1247-1249.

［7］ Tsakiridis P E，Papadimitriou G D，Tsivilis S，et al.Utilization of steel slag for Portland cement clinker production［J］.Journal of Hazardous Materials，2008，152(2):805-811.

［8］ 胡曙光，彭艷周，陳 凱，等.摻鋼渣活性粉末混凝土的制備及其變形性能［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(1):26-29.Hu Shuguang，Peng Yanzhou，Chen Kai，et al.Preparation and deformation performance of reactive powder concrete with steel slag powder［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2009，31(1):26-29.

［9］ Qasrawi H，Shalabi F，Asi I.Use of low CaO unprocessed steel slag in concrete as fine aggregate［J］.Construction and Building Materials，2009，23(2):1118-1125.

［10］ 劉紀(jì)生，劉瑞杰.我國鋼渣綜合利用技術(shù)亟待突破［N］.中國冶金報(bào)，2008-06-28(B03).Liu Jisheng，Liu Ruijie.Chinese comprehensive utilization technology of steel slag was badly in need of a breakthrough［N］.China Metallurgical News，2008-06-28(B03).

［11］ 相會(huì)強(qiáng)，王 林，劉彥君，等.鋼渣在建筑領(lǐng)域的綜合利用及展望［J］.中國冶金，2005(9):49-51.Xiang Huiqiang，Wang Lin，Liu Yanjun，et al.Comprehensive use of steel slag in construction and its prospect［J］.China Metallurgy，2005(9):49-51.

［12］ 朱躍剛，陳仁民，梁潤紅.鋼渣在道路工程中的應(yīng)用研究［J］.中國廢鋼鐵，2007(1):20-22.Zhu Yuegang，Chen Renmin，Liang Runhong.Research of steel slag used in road engineering［J］.Iron and Steel Scrap of China，2007(1):20-22.

［13］ 冷光榮，程柏生.鋼渣綜合利用［J］.江西冶金，2003，23(6):125-128.Leng Guangrong，Cheng Baisheng.Steel slag comprehensive utilization［J］.Metallurgy of Jiangxi，2003，23(6):125-128.

［14］ 羅 珣.用于混凝土中鋼渣早強(qiáng)劑的研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2010.Luo Xun.Study of Accelerators of Steel Slag Used in Concrete［D］.Beijing University of Chemical Technology，2010.

［15］ 周惠群，李 強(qiáng)，楊曉杰，等.鋼渣摻量和細(xì)度對(duì)水泥物理性能影響研究［J］.建材世界，2012，33(1):1-4.Zhou Huiqun，Li Qiang，Yang Xiaojie，et al.Investigation of influences of steel slags doping quantity and fineness on cement physical properties［J］.The World of Building Materials，2012，33(1):1-4.

［16］ 姚景相，陶珍東，劉 鵬.鋼渣比表面積和摻入量對(duì)水泥性能的影響［J］.水泥工程，2008(1):20-23.Yao Jingxiang，Tao Zhendong，Liu Peng.Influences of specific area and amount of steel slag to cement performance［J］.Cement Engineering，2008(1):20-23.