唐祁峰 ，敖進(jìn)清，郭 彪，蔣 睿

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039;2.工業(yè)固態(tài)廢棄物土木工程綜合開(kāi)發(fā)利用四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000)

我國(guó)是煉鋼和用鋼大國(guó)，每年因煉鋼產(chǎn)生了大量的鋼渣。這些鋼渣的堆放和處理對(duì)環(huán)境帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)，而處理鋼渣的最有效途徑就是將鋼渣進(jìn)行資源利用，變廢為寶[1-3]。水泥行業(yè)是鋼渣減量化利用的最大和最現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)。我國(guó)自1974年開(kāi)始研究鋼渣水泥，到目前已形成多品種、多標(biāo)號(hào)的系列品種的鋼渣水泥[4-6]。攀枝花鋼鐵廠利用本地區(qū)豐富釩鈦磁鐵礦進(jìn)行煉鋼，產(chǎn)生了大量的富含鈦、釩等元素的鋼渣[7-9]。同時(shí)，因川南地區(qū)有數(shù)個(gè)大型水電站在興建，成昆高速鐵路、麗攀高速等一批道路工程的開(kāi)工，對(duì)水泥的需求顯著增加。因此，研究含釩鋼渣用作水泥混合材對(duì)于鋼渣的清潔高效利用具有重要意義。

本文以攀鋼的熱悶含釩鋼渣微粉作為混合材制備了鋼渣水泥，考察了不同鋼渣摻量對(duì)水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性、強(qiáng)度和水化放熱量等性能的影響，以期為該地區(qū)鋼渣資源的綜合利用提供理論和應(yīng)用支撐。

1 試驗(yàn)原料及方法

試驗(yàn)用水泥熟料由攀枝花瑞豐水泥廠提供；試驗(yàn)用石膏為商品石膏，其SO3含量為34%。試驗(yàn)用鋼渣為經(jīng)熱悶處理后的含釩鋼渣，渣中游離CaO小于3%，化學(xué)成分見(jiàn)表1。該鋼渣被碾磨至45 μm以下，比表面積大于400 m2/kg。試驗(yàn)配制了不同摻渣量的鋼渣硅酸鹽水泥，每份試樣為500 g，其成分見(jiàn)表2。

表1 含釩鋼渣的化學(xué)成分/%

表2 鋼渣硅酸鹽水泥配比

試驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)《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》(GB/T1346-2011)測(cè)試了鋼渣水泥的安定性；按照國(guó)標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T17671)測(cè)試了鋼渣水泥的強(qiáng)度；通過(guò)SEM觀察了不同摻渣量下，鋼渣水泥在水化齡期28d后的微觀形貌；通過(guò)八通道微量量熱儀測(cè)定不同時(shí)間下鋼渣水泥的水化放熱量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摻渣量對(duì)水泥安定性的影響

表3是不同含量的鋼渣微粉對(duì)鋼渣硅酸鹽水泥的安定性能的影響。

由表3中結(jié)果可知，鋼渣硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨鋼渣微粉摻入量增加而降低，這是因?yàn)殡S著鋼渣摻量增加，整個(gè)體系中能夠參與水化的物質(zhì)總量減少，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量下降。沒(méi)有摻入鋼渣時(shí)為0.29，摻渣量為50%時(shí)，下降到0.25。

表3 鋼渣摻量對(duì)水泥安定性能的影響

鋼渣硅酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間隨含釩鋼渣微粉摻入量增加而延長(zhǎng)。這是因?yàn)殇撛幕钚员人嗟停S著含釩鋼渣微粉摻入量增加，整個(gè)體系內(nèi)的水泥熟料量減少，導(dǎo)致體系中水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣總量下降，體系形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)減少，最終導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)摻量達(dá)到50%時(shí)，鋼渣水泥的初凝時(shí)間為191 min。終凝時(shí)間為266 min。其初凝時(shí)間大于45 min，終凝時(shí)間低于600 min，符合《通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》要求。

在采用沸煮法測(cè)試鋼渣水泥的安定性能結(jié)果中顯示，當(dāng)含釩鋼渣微粉摻量在30%以下，試樣沒(méi)有出現(xiàn)翹曲，也沒(méi)有開(kāi)裂，安定性合格。而當(dāng)把鋼渣摻量提高到50%時(shí)，試樣出現(xiàn)了翹曲，并伴有宏觀裂紋，其安定性不合格。這是因?yàn)殇撛⒎壑泻猩倭繘](méi)有被消解的f-CaO，會(huì)與水生成Ca(OH)2，導(dǎo)致體系體積膨脹。當(dāng)鋼渣摻量較高時(shí)，水泥中的f-CaO總量高，整個(gè)體系膨脹量較大，超過(guò)強(qiáng)度極限后，試樣會(huì)變形，開(kāi)裂。

綜合上述結(jié)果可知，含釩鋼渣復(fù)合微粉摻量在30%以下，試樣的安定性是合格的。

2.2 摻渣量對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

表4是含釩鋼渣微粉摻量30%以下不同鋼渣摻量對(duì)鋼渣硅酸鹽水泥的強(qiáng)度的影響。

表4 鋼渣摻量對(duì)水泥強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果

從表4的結(jié)果中可知，水泥的3d和28d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣摻量增加而下降。當(dāng)鋼渣摻量為20%時(shí)，水泥的3d和28d的抗壓強(qiáng)度分別為31.8 MPa和53.4 MPa，達(dá)到了52.5R水泥強(qiáng)度等級(jí)。而當(dāng)鋼渣摻量增加到30%時(shí)，水泥的3d和28d的抗壓強(qiáng)度分別為20.2 MPa和47.1 MPa，達(dá)到了42.5R水泥強(qiáng)度等級(jí)。

圖1是不同鋼渣摻量下水泥水化齡期28d后的微觀形貌。

(a)S1水泥熟料

圖1(a)為水泥熟料水化28d后的微觀形貌。從中可以觀察到，試樣組織存在大量的水化硅酸鈣凝膠，似針狀的水化鋁酸鈣凝膠和結(jié)晶完好的Ca(OH)2，起膠結(jié)作用的水化產(chǎn)物較多，顆粒之間結(jié)合性好，組織較為致密[10-11]。宏觀表現(xiàn)就是強(qiáng)度較高，其水化28d后的抗折強(qiáng)度為9.1 MPa，抗壓強(qiáng)度為62.3 MPa。

圖1(b)為摻渣量為20%的水泥水化28d后的微觀形貌。從中可以觀察到，試樣中水化硅酸鈣凝膠有所減少，但針狀的水化鋁酸鈣凝膠減少較為明顯，且生成的Ca(OH)2晶體呈板狀，結(jié)構(gòu)較水泥熟料試樣稍疏松。另外，摻入的鋼渣顆粒表面附著了一層水化產(chǎn)物，說(shuō)明已發(fā)生二次水化反應(yīng)，鋼渣顆粒與周邊水化產(chǎn)物結(jié)合較緊密，沒(méi)有明顯的空隙，這也是摻加鋼渣后試樣仍然具有一定強(qiáng)度的原因，其水化28d后的抗折強(qiáng)度為7.6 MPa，抗壓強(qiáng)度為53.4 MPa。

圖1(c)為摻渣量為30%的水泥水化28d后的微觀形貌。從中可以觀察到，隨著摻渣量繼續(xù)提高，體系中生成的水化產(chǎn)物和凝膠減少顯著，主要是少量的硅酸鈣凝膠和Ca(OH)2晶體，以及一些未水化大顆粒相互堆積在一起。硬化漿體中顆粒堆積不緊密，孔隙率較大，結(jié)構(gòu)不密實(shí)。鋼渣顆粒水化程度很低，也沒(méi)有被水化產(chǎn)物很好的包裹和覆蓋，只是夾雜在大量未水化的顆粒中，與周圍顆粒粘結(jié)不牢固。這也是摻加30%鋼渣后試樣強(qiáng)度進(jìn)一步降低的原因其水化28d后的抗折強(qiáng)度為6.8 MPa，抗壓強(qiáng)度為47.1 MPa。

2.3 摻渣量對(duì)水泥水化放熱的影響

表5是含釩鋼渣復(fù)合微粉摻量30%以下不同鋼渣摻量的鋼渣硅酸鹽水泥在1d、3d和7d下累計(jì)釋放的水化熱結(jié)果。

表5 鋼渣摻量對(duì)水泥水化放熱的影響試驗(yàn)結(jié)果

從表5中可以看出隨著鋼渣摻量增加，鋼渣水泥不同天數(shù)后累積釋放的水化熱均逐漸減緩，放熱速率和放熱量逐漸降低。在沒(méi)有摻入鋼渣的水泥熟料中，其1d、3d、7d的累積釋放的水化熱分別為171.36 kJ/kg，270.42 kJ/kg和328.65 kJ/kg。而當(dāng)摻渣量為30%時(shí)，該鋼渣水泥在1d、3d、7d的累積釋放的水化熱分別下降到138.43 kJ/kg，225.89 kJ/kg和274.61 kJ/kg?？梢?jiàn)鋼渣的摻入能顯著降低水泥的水化放熱量，適于制備中熱、低熱水泥用于大體積施工。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)采用含釩鋼渣微粉制備了鋼渣硅酸鹽水泥。隨著鋼渣摻量增加，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量呈下降趨勢(shì)，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。摻渣量在30%以下，水泥的安定性合格。

(2)隨著鋼渣摻量增加，水泥中水化產(chǎn)物減少，結(jié)合性下降，強(qiáng)度降低。當(dāng)鋼渣摻量為20%時(shí)，水泥達(dá)到52.5R強(qiáng)度等級(jí)；當(dāng)鋼渣摻量為30%時(shí)，水泥達(dá)到42.5R強(qiáng)度等級(jí)。

(3)隨著鋼渣摻量增加，水泥的水化放熱量下降，適用于大體積建筑物施工。