劉奎

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司,湖南長沙 410011)

?

鋼渣粉回收利用及對水泥強(qiáng)度的影響分析

劉奎

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司,湖南長沙 410011)

摘要:鋼渣的成分、性質(zhì)與水泥熟料相似,它能以各種形式摻入水泥中用作水泥的生產(chǎn)原料,可節(jié)約資源和解決鋼渣堆積回收問題,但其易磨性、安定性和活性激發(fā)影響了鋼渣在水泥行業(yè)中的應(yīng)用。文中通過試驗(yàn),分析鋼渣不同比表面積和不同摻入量對水泥強(qiáng)度的影響,找出適當(dāng)?shù)谋缺砻娣e和摻入量,從而確定水泥生產(chǎn)中鋼渣配比方案。

關(guān)鍵詞:公路;鋼渣;比表面積;摻入量;配比方案

隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng),廢棄鋼渣的綜合利用受到廣泛關(guān)注,并得到不同程度的開發(fā)和利用。鋼渣是繼礦渣、粉煤灰之后具有較大產(chǎn)量和利用價(jià)值的可回收資源,其回收利用需在分類處理、分級加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行,以降低成本或改善其性能。

1 鋼渣在水泥行業(yè)中的回收利用

研究鋼渣在水泥中的高效利用,有助于提高鋼渣的使用率和附加值,且能降低水泥成本,促進(jìn)水泥行業(yè)的“綠色”發(fā)展。

(1)目前鋼渣摻量為20%～50%的鋼渣水泥可分為鋼渣沸石熟料、無熟料鋼渣礦渣水泥、礦渣硅酸鹽水泥、少熟料鋼渣礦渣水泥和鋼渣硅酸鹽水泥5類。鋼渣水泥具有耐磨、耐腐蝕性高,水熱化低,抗凍和后期強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

(2)在礦渣微粉被普遍應(yīng)用之后,近年來鋼渣微粉的開發(fā)利用成為了熱門話題,無論是單純的鋼渣生產(chǎn)微粉,還是與其他礦渣的復(fù)合微粉都能對水泥生產(chǎn)中易磨性差異問題產(chǎn)生良好的消除作用。

(3)經(jīng)穩(wěn)定化處理的鋼渣能用作道路的墊層及基層,其強(qiáng)度、抗彎沉性、抗?jié)B性都比天然石材好,但將鋼渣用作道路材料其附加值相對較低,無論是建筑企業(yè)還是鋼鐵企業(yè)對這方面都不是很重視。

(4)通過穩(wěn)定化處理的鋼渣,可用作地面磚、免燒磚及砼預(yù)制件等建筑材料,其產(chǎn)量較大,高達(dá)60%,與黏土磚或粉煤灰磚相比其強(qiáng)度和耐久性都有優(yōu)勢,可節(jié)約水泥及黏土。

2 影響鋼渣在水泥行業(yè)中應(yīng)用的因素

鋼渣的物理、化學(xué)性質(zhì)決定了其用于水泥行業(yè)時(shí)存在一定的缺陷,主要表現(xiàn)在:

(1)易磨性差。目前,大多認(rèn)為鋼渣是一種難以被粉末的物料,這是生產(chǎn)中一個(gè)不可忽視的問題。主要是因?yàn)殇撛壑泻懈哌_(dá)97%的幾乎不能磨細(xì)的金屬鐵。除硬度大外,韌性也是其易磨性差的原因之一。但隨著磁選技術(shù)的進(jìn)步,剔除鋼渣中的鐵后其易磨性明顯上升。

(2)安定性差。在鋼渣應(yīng)用于水泥、砼行業(yè)時(shí),其體積安定性是不能忽視的一個(gè)重要因素。鋼渣的安定性不良是由其中氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵等造成的,尤其是容易發(fā)生體積膨脹的氧化鈣、氧化鎂水化反應(yīng),這是影響鋼渣安定性的最主要原因。

(3)活性激發(fā)低。硅酸鹽、鋁酸鹽等礦物使鋼渣具有膠凝性,這些礦物晶體完好、晶粒大,氧化鐵、氧化鎂也摻雜其中,在高溫、冷卻時(shí)產(chǎn)生大量介穩(wěn)態(tài)的玻璃體,鋼渣活性降低,使得鋼渣作為混凝材料應(yīng)用于水泥砼中受到限制。因此,需要激發(fā)鋼渣的活性。鋼渣活性激發(fā)方式包括化學(xué)激活法、機(jī)械激發(fā)法和熱力激發(fā)法。

3 鋼渣比表面積和摻量對水泥強(qiáng)度的影響

3.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料包括比表面積分別為430、450、470、500 m2/kg的鋼渣(其化學(xué)成分見表1),石膏,水泥熟料(其化學(xué)成分見表2),ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,自來水。

3.2 試驗(yàn)方案

制作不同鋼渣比表面積和摻量的水泥試件,放入水環(huán)境中進(jìn)行適當(dāng)養(yǎng)護(hù),測定其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,分析鋼渣摻量和比表面積對水泥砼強(qiáng)度的影響。物料配比見表3。

表1 鋼渣的化學(xué)成分

表2 熟料和石膏的化學(xué)成分

表3 不同鋼渣比表面積摻入量下的物料配比

3.3 強(qiáng)度測定

按《鋼渣硅酸鹽水泥》的要求,分別測試試件3、28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

(1)抗折強(qiáng)度。分別對每個(gè)組不同齡期的5條試塊進(jìn)行抗折強(qiáng)度測定。測定前擦去試件表面的水分和砂粒,清除夾具上圓柱表面粘著的雜物。試件放入抗折夾具內(nèi),使試件側(cè)面與夾具接觸。加荷速度為(50±10)N/s。以5個(gè)試件為一組,以其算術(shù)平均值作為抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(精確至0.1 MPa)。若5個(gè)強(qiáng)度值中有超出或低于平均值10%的,則將其刪除后取平均值作為抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

(2)抗壓強(qiáng)度?？拐蹚?qiáng)度測定后立即測試抗壓強(qiáng)度。測定前清除試件受壓面與加壓板間的砂?；螂s物,用抗壓夾具(試件受壓面積為40 mm×40 mm)測定試件抗壓強(qiáng)度,受壓面是試件的側(cè)面。加荷速率為(2 400±200)N/s,均勻加荷直至破壞。以10個(gè)棱柱體為一組,取其平均值作為抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(精確至0.1 MPa)。如果10個(gè)測定值中有1個(gè)超過或低于5個(gè)平均值的10%,則將其刪除,以剩下9個(gè)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。如果9個(gè)測定值中還有超出或低于其平均數(shù)10%的,則該組結(jié)果作廢。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

3.4.1 3 d強(qiáng)度

對試件3 d強(qiáng)度進(jìn)行檢測,得到不同鋼渣比表面積和摻量時(shí)水泥的3 d強(qiáng)度,經(jīng)統(tǒng)計(jì)后計(jì)算出均值,剔除不合格數(shù)據(jù),得到圖1、圖2和表4。

圖1 鋼渣摻量和比表面積對水泥3 d抗折強(qiáng)度的影響

圖2 鋼渣摻量和比表面積對水泥3 d抗壓強(qiáng)度的影響

表4 鋼渣水泥3 d強(qiáng)度均值

由圖1可以看出:隨著鋼渣摻量的增加,水泥的3 d抗折強(qiáng)度減小;鋼渣比表面積增大時(shí)強(qiáng)度也增大。當(dāng)比表面積為500 m2/kg,摻量由20%增加至30%時(shí),抗折強(qiáng)度下降速度快;由30%增加至50% 時(shí),抗折強(qiáng)度下降速度有所減緩。比表面積為470 m2/kg、摻量為20%～30%時(shí),抗折強(qiáng)度變化不大;摻量為30%～50%時(shí)變化大,基本上呈直線。比表面積為450 m2/kg、摻量由30%增加至40%時(shí),抗折強(qiáng)度下降幅度大,其余摻量時(shí)變化較小。比表面積為430 m2/kg時(shí),抗折強(qiáng)度的數(shù)值變化比較平穩(wěn),基本上呈直線。

由圖2可知:隨著鋼渣摻量的增加,水泥的3 d抗壓強(qiáng)度減小;隨著比表面積的增大,抗壓強(qiáng)度增大。比表面積為500 m2/kg、摻量為30%～40%時(shí),抗壓強(qiáng)度下降速度快,在其他摻量時(shí)抗壓強(qiáng)度下降速度有所減緩;比表面積為470 m2/kg、摻量為30% ～40%時(shí),抗壓強(qiáng)度下降速度快,在其他摻量時(shí)抗壓強(qiáng)度下降速度有所減緩;比表面積為450 m2/kg、摻量為20%～30%時(shí),抗壓強(qiáng)度變化不大,其他摻量時(shí)變化較大,基本上呈直線;比表面積為430 m2/kg 時(shí),抗壓強(qiáng)度變化在摻量30%～40%時(shí)最平緩,其他摻量時(shí)變化快,尤其是在摻量為20%～30%時(shí)。

根據(jù)表4,對照現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),不同鋼渣摻量和比表面積的鋼渣水泥的強(qiáng)度達(dá)標(biāo)情況見表5、表6。

表5 鋼渣水泥3 d抗折強(qiáng)度達(dá)標(biāo)情況

表6 鋼渣水泥3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)情況

3.4.2 28 d強(qiáng)度

對試件28 d強(qiáng)度進(jìn)行檢測,得到不同鋼渣比表面積和摻量時(shí)水泥的28 d強(qiáng)度值,經(jīng)統(tǒng)計(jì)后計(jì)算出均值,剔除不合格數(shù)據(jù),得到圖3、圖4和表7。

圖3 鋼渣摻量和比表面積對水泥28 d抗折強(qiáng)度的影響

圖4 鋼渣摻量和比表面積對水泥28 d抗壓強(qiáng)度的影響

表7 鋼渣水泥28 d強(qiáng)度均值

由圖3可知:隨著鋼渣摻量的增加,水泥的28 d抗折強(qiáng)度減小;隨著比表面積的增加,抗折強(qiáng)度增大。比表面積為500 m2/kg時(shí),抗折強(qiáng)度變化較均勻,基本上呈直線;比表面積為470 m2/kg時(shí),抗折強(qiáng)度在摻量為20%～40%時(shí)變化不大,但在40%～50%時(shí)變化較大;比表面積為450 m2/kg、摻量為20%～30%時(shí)變化較小,30%～50%時(shí)變化較大;比表面積為430 m2/kg,抗折強(qiáng)度變化在摻量為30% ～40%時(shí)最平緩,其他摻量時(shí)變化稍大,總體來說變化較為平緩。

由圖4可知:隨著鋼渣摻量的增加,水泥的28 d抗壓強(qiáng)度減小;隨著比表面積的增大,抗壓強(qiáng)度增大。比表面積為500 m2/kg、摻量為20%～30%時(shí)抗折強(qiáng)度變化不大,30%～50%時(shí)變化加大且為一條直線;比表面積為470 m2/kg時(shí),抗壓強(qiáng)度在摻量為20%～30%時(shí)變化不大,30%～50%時(shí)減小速度加快;比表面積為450 m2/kg、摻量為30%～40%時(shí)抗壓強(qiáng)度變化不大,其他摻量時(shí)變化大;比表面積為430 m2/kg時(shí),變化大小接近,呈一條直線。

根據(jù)表7,對照現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),不同鋼渣摻量和比表面積的鋼渣水泥的強(qiáng)度達(dá)標(biāo)情況見表8、表9。

表8 鋼渣水泥28 d抗折強(qiáng)度達(dá)標(biāo)情況

表9 鋼渣水泥28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)情況

根據(jù)表5、表6、表8、表9得出鋼渣水泥強(qiáng)度達(dá)標(biāo)情況(見表10)。

表10 鋼渣水泥強(qiáng)度達(dá)標(biāo)情況

4 結(jié)論

試驗(yàn)證明鋼渣是一種很好的混合材料,加入適量的鋼渣能改變水泥的強(qiáng)度,其各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中:鋼渣比表面積450 m2/kg、摻量為20%時(shí)水泥能達(dá)標(biāo);鋼渣比表面積470 m2/kg,摻量為20%和30%時(shí)水泥能達(dá)標(biāo);鋼渣比表面積500 m2/kg、摻量為20%、30%、40%和50%時(shí)水泥能達(dá)標(biāo)。據(jù)此確定以比表面積450 m2/kg、摻量20%的配比方案投入水泥生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn):

[1]陳勇鴻,孫艷華,高伏良,等.水泥穩(wěn)定鋼渣-碎石道路基層材料干縮性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].公路工程,2012,37(5).

[2]汪水銀.水泥穩(wěn)定碎石材料級配研究[J].公路工程,2009,34(5).

[3]王功勛,譚琳,王佳驊,等.不同水膠比下鋼渣粉與陶瓷拋光磚粉對水泥水化性能的影響[R].湘潭:湖南科技大學(xué),2014.

[4]賈紅玉,劉敬東,郭玉安.安鋼鋼渣在道路工程中的應(yīng)用[R].安陽:安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,2015.

[5]蔣敏輝.鋼鐵企業(yè)資源綜合利用和新材料產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展思考[R].上海:寶鋼集團(tuán)有限公司,2015.

[6]楊晶,苑振芳.本鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣砂建筑漿的應(yīng)用研究[R].沈陽:中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司,2014.

[7]S Kourounis,S Tsivilis,P E Tsakiridis,et al.Properties and hydration of blended cements with steelmaking slag[J].Cement and Concrete Research,2007,37(6).

[8]吳厚錦,李玲.級配鋼渣用于道路基層的可行性研[J].公路與汽運(yùn),2014(6).

[9]涂昆,劉家祥,鄧侃.鋼渣粉和鋼渣水泥的活性及水化機(jī)理研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,42(1).

[10]盧發(fā)亮,李晉,張起.水泥穩(wěn)定濟(jì)鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣性能試驗(yàn)研究[J].中外公路,2013,31(5).

[11]鄭章華,陳俊.鋼渣粉在商品混凝土中的應(yīng)用[J].江西建材,2015(12).

[12]黃晶晶.鋼渣粉用作混凝土摻合料的研究[D].泉州:華僑大學(xué),2013.

收稿日期:2015-12-07

中圖分類號:U416.216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0105-04