滾筒鋼渣用作膠結材的試驗研究

方宏輝， 薛改鳳， 朱書景， 顧文飛

1 武鋼研究院（430080） 2 寶鋼發(fā)展有限公司（200942）

滾筒法技術適用于對高溫熔渣的處理[1]，與傳統(tǒng)的渣處理技術相比，具有占地少，環(huán)境污染小，生產(chǎn)成本低，處理流程短，處理后渣子的粒度小，而且游離CaO較低，能夠?qū)崿F(xiàn)渣鋼分離等優(yōu)點。寶鋼滾筒法處理裝置[2]是一項綜合利用環(huán)保新技術,利用高溫鋼渣自身余熱和礦相組成發(fā)生變化時產(chǎn)生的熱應力、化學應力、相變應力及外界機械破碎力，使鋼渣速冷、急碎，生成以硅酸三鈣和硅酸二鈣為主的顆粒狀成品渣。

根據(jù)滾筒鋼渣的礦物組成及水化反應特征,進行了滾筒鋼渣細集料配制膠結材的試驗研究,發(fā)現(xiàn)滾筒鋼渣具有異常良好的水化性能,并將滾筒鋼細集料渣復合礦渣粉膠結材配制混凝土進行了測試分析，取得了較為滿意的結果。

1 原料組成及試驗方法

1.1 滾筒鋼渣細集料復合礦渣微粉膠結材原料組成

滾筒鋼渣細集料復合礦渣粉膠結材是由滾筒鋼渣細集料和復合礦渣粉組分組成的膠結材。其中滾筒鋼渣細集料為高溫熔渣經(jīng)滾筒法技術處理磁選后,粒徑小于4.75mm的自然級配渣；復合礦渣粉（以后簡稱礦渣粉）主要以高爐?；V渣及石膏調(diào)節(jié)料、外加劑和硅酸鹽組合料組成，礦渣粉比表面積大于400m2/kg，80μm方孔篩篩余不超過4.5%，主要原料的化學成分列于表1。

表1 原料的化學成分

1.2 滾筒鋼渣細集料礦渣粉膠結材膠砂試樣配制及強度檢驗

膠砂試樣制樣原料組成,每成型三條試體稱量礦渣粉450 g、自然含水滾筒鋼渣900g、基準砂675g；用水量的確定，以上述原料組成，按BG/T2419水泥膠砂流動度測定方法選取流動度160～170mm范圍內(nèi)的用水量。成型、養(yǎng)護、強度檢驗按GB/T17671－1999進行。

1.3 混凝土配制

設計混凝土3組。第1組混凝土原料組成為:礦渣粉390 kg/m3，自然含水滾筒鋼渣 600kg/m3，砂（沈陽渾河細砂）260 kg/m3,碎石（遼陽 5～25mm 石灰石）1200kg/m3，外加劑 4.7 kg/m3，用水量165kg/m3；第2組混凝土原料組成為：礦渣粉450kg/m3，自然含水滾筒鋼渣 800kg/m3,碎石（遼陽 5～25mm石灰石）1200kg/m3，外加劑 5.4kg/m3，用水量 160kg/m3；第3組混凝土原料組成為：礦渣粉550kg/m3，自然含水滾筒鋼渣 800kg/m3，碎石（遼陽 5～25mm 碎石）1100kg/m3，外加劑9.0kg/m3，用水量 150kg/m3。

1.4 混凝土耐久性能和膠結材安定性試驗

按1.3混凝土配制中第2組原料組成成型混凝土試樣，分別進行混凝土碳化性能試驗、混凝土抗凍融試驗和混凝土抗氯離子滲透試驗。膠結材安定性試驗按GB/T1346和GB/T750的規(guī)定進行。試驗樣品制備時礦渣粉與鋼渣的質(zhì)量比為1:1.5。

2 結果與討論

2.1 滾筒鋼渣的顯微結構

巖相分析，試樣中主要為硅酸二鈣，其次有硅酸三鈣和方鎂石，粘結相為玻璃相。硅酸二鈣，無色，園粒狀；硅酸三鈣，無色，呈板狀，結晶比較好。氧化鎂呈園粒狀，固溶氧化鐵呈黃色。粘結相主要為鐵質(zhì)玻璃，紅褐色至黑色，半透明。玻璃相呈網(wǎng)狀將硅酸二鈣和硅酸三鈣隔開，試樣結構比較均勻，顯微結構見圖1、圖2。

2.2 膠結材與混凝土的強度試驗

滾筒鋼渣細集料礦渣粉膠結材的膠砂強度及配制混凝土強度試驗結果列于表2。

從表2可見滾筒鋼渣細集料礦渣粉膠結材具有良好的物理力學性能，膠結材強度符合硅酸鹽水泥62.5強度等級指標?？膳渲聘鞣N等級的混凝土，早期強度高，60d、150d強度持續(xù)增長；28天強度可超過90MPa。

圖1 反光 硅酸二鈣，硅酸三鈣，氧化鎂（左）

圖2 反光 圓粒狀硅酸二鈣，氧化鎂，玻璃相（右）

表2 滾筒鋼渣細集料礦渣粉膠結材膠砂強度及配制混凝土強度試驗

圖3 水化1天

圖4 水化3天

圖5 水化3天

圖6 水化28天

強度是混凝土的最重要的力學性質(zhì)[3]，這是因為任何混凝土結構物主要都是用以承受荷載或抵抗各種作用力?；炷恋膹姸戎饕獩Q定于膠結材的強度。水泥混凝土是通過水泥漿凝結硬化，將細集料、粗集料粘結而形成的水泥石，它的力學性能主要由水泥中C3S、C2S、C3A、C4AF等礦物的性能和數(shù)量所支配。鋼渣細集料礦渣粉膠結材混凝土[4]是鋼渣和礦渣及石膏調(diào)節(jié)料漿體凝結硬化,將集料粘結而成的人工石,它的力學性能主要由各組分中主要礦物的性能和數(shù)量以及它們的組合比所支配。鋼渣細集料礦渣粉膠結材1天水化產(chǎn)物可見針狀硫鋁酸鹽水化物和絨絮狀硅酸鹽水化物交織在一起（見圖3），3天硫鋁酸鹽水化物基本被絨絮狀的硅酸鹽水化物覆蓋（見圖4），同時，還可見到棒狀和粒狀多邊形的硅酸鹽水化物（見圖5）,28天硅酸鹽水化物與硫鋁酸鹽水化物固結在一起,水化硅酸鈣和水化硫鋁酸鹽組成的水化礦物。有研究者指出[5]，從晶體的微觀結構看，單純的某種水化礦物并不能獲得最高的強度,由兩種或幾種水化硅酸鈣和其他水化礦物組成的多礦物膠凝物質(zhì),其強度才是最高的，因為這樣可形成最致密的微晶結構。膠結材正是這樣一種多礦物膠凝物質(zhì),其表2中混凝土3組的28天強度超過90 MPa，表明鋼渣用作膠結材可配制高強混凝土。

2.3 混凝土耐久性能試驗

混凝土耐久性能試驗由北京東方建宇混凝土科學技術研究院有限公司完成，主要進行混凝土碳化試驗、抗凍融試驗和抗氯離子滲透試驗，試驗結果列于表3、表4、表5。

表3 混凝土碳化試驗檢驗報告

從表3可見，混凝土在碳化箱內(nèi)28天的碳化深度很小，平均0.3mm，單個試樣有趨于零。表4混凝土的抗凍融試驗檢驗滿足抗凍等級F300的要求，300次凍融循環(huán)的重量損失率為1.1%，相對動彈性模量66.0%。表5混凝土抗氯離子滲透試驗在6小時通過的電量平均值為898.1庫倫，與標準要求對照，結果評定很低。鋼渣細集料礦渣粉膠結材混凝土的碳化性能、抗凍融性能、抗氯離子滲透性能良好，表明鋼渣細集料礦渣粉膠結材的含水礦物膠凝物質(zhì)與砂和碎石結合緊密，使混凝土的整體結構密實，可提高抗不同條件破壞的性能，有利于增強混凝土的耐久性能。

2.4 膠結材安定性試驗

膠結材安定性試驗結果見表6。

從表6可見，膠結材沸煮安定性十分穩(wěn)定。按GB/T1346的安定性測定要求,測量雷氏夾指針尖端間的距離精確到0.5mm，測量結果誤差均小于0.5mm，因此沸煮前后差表現(xiàn)為零。壓蒸安定性試驗結果膨脹率為0.0468%（GB/T750水泥壓蒸安定性試驗方法規(guī)定:硅酸鹽水泥的壓蒸膨脹率不大于0.80%；普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥的壓蒸膨脹率不大于0.50%為體積安定性合格，反之為不合格），符合水泥壓蒸安定性試驗標準的要求。

3 結論

1）滾筒鋼渣細集料與復合礦渣粉組成膠結材是一種性能良好的材料，按水泥膠砂強度檢驗方法，可達通用硅酸鹽水泥62.5強度等級指標，且早期強度高，抗折強度高；可替代水泥配制C70級以上的高強混凝土。

2）膠結材的水化物是多水化硅酸鈣和水化硫鋁酸鈣礦物組成的多礦物膠凝物質(zhì)，其結構相互交織，搭接連生，形成致密整體。因此，滾筒鋼渣細集料復合礦渣粉膠結材混凝土的碳化性能、抗凍融性能、抗氯離子滲透性能良好。

3）滾筒鋼渣細集料復合礦渣粉膠結材沸煮安定性十分穩(wěn)定，壓蒸安定性符合水泥壓蒸安定性試驗標準的要求，其檢驗數(shù)據(jù)壓蒸膨脹率為0.0468%，遠小于標準規(guī)定的不大于0.50%的要求。

表4 混凝土抗凍融試驗檢驗報告

表5 混凝土抗Cl-滲透試驗檢驗報告

表6 膠結材安定性試驗

[1]管建紅.寶鋼鋼渣處理技術的發(fā)展及其產(chǎn)品特點.冶金叢刊.總第155期.2005年2月第1期.

[2]沈成孝.滾筒法渣處理技術的現(xiàn)狀及發(fā)展.冶金設備.總第139期2003年6月第3期.

[3]蒲心誠,等.混凝土學第一篇第五章第一節(jié)《普通混凝土的強度》/中國建筑工業(yè)出版社.1981年7月.

[4]方宏輝.轉(zhuǎn)爐鋼渣膠凝細集料試驗研究和應用.工業(yè)建筑.（2）1991.

[5]蒲心誠,等.混凝土學第二篇第二章第二節(jié)《水化硅酸鈣及其它水化礦物的強度》.中國建筑工業(yè)出版社1981年7月.