鋼渣作為熟料燒成鐵質(zhì)校正原料的應(yīng)用研究

劉二南 吳少鵬 謝 君 楊 超

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物[1]，我國2016年的產(chǎn)量已超過8 000萬噸.截至目前累計堆存的鋼渣已超過3.5億噸，每年仍以數(shù)千萬噸遞增.鋼渣的大面積堆積一方面會占用土地資源，另一方面其含有的堿性物質(zhì)會堿化土壤，污染環(huán)境[2].

近年來，研究學者發(fā)現(xiàn)鋼渣中一些氧化物，如CaO，F(xiàn)eO和P2O5能在熟料煅燒中加速礦物晶體的形成與長大[3].這些研究為鋼渣在水泥熟料燒成中的應(yīng)用提供了理論依據(jù).馮春花等[4]研究了不同摻量的鋼渣對水泥生料易燒性和熟料力學性能的影響，結(jié)果表明，鋼渣能在一定程度上改善生料的易燒性，用鋼渣燒制的水泥熟料的抗壓強度能達到58 MPa以上.馬保國等[5]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣能降低生料的硅氧率，減少其f-CaO含量和提高熟料質(zhì)量.王輝等[6]研究發(fā)現(xiàn)，采用鋼渣替代硫酸渣配料能降低熟料熱耗，并且還能改善熟料質(zhì)量，提高熟料強度.Tsakiridis等[7]研究發(fā)現(xiàn)在生料中添加10.5%的鋼渣對水泥生產(chǎn)過程中的燒結(jié)或水化過程沒有影響，摻加鋼渣后的樣品液相呈微細晶體，均勻分布，其抗壓強度與參考樣品的抗壓強度相近.Iacobescu等[8]研究了由0、5%和10%電爐鋼渣所煅燒的三種熟料制備的水泥混凝土的強度性能，結(jié)果表明，三種摻量對應(yīng)的混凝土的抗壓強度分別為47.5，46.6和42.8 MPa.

基于上述研究，本文擬將產(chǎn)自武鋼的轉(zhuǎn)爐鋼渣作為鐵質(zhì)校正原料應(yīng)用于水泥熟料燒成中.由于鋼渣的種類與成分變化較大，本研究先對比分析鋼渣和硫酸渣配置的水泥生料的易燒性和熟料性能，希望通過將鋼渣作為熟料燒成原料，確定轉(zhuǎn)爐鋼渣應(yīng)用的可行性；同時研究不同的配比，確定鋼渣的最優(yōu)摻量；最后測試鋼渣熟料水泥的性能并與普通水泥對比，分析其性能差異.

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

1.1.1鋼渣和硫酸渣

實驗所用的鋼渣是經(jīng)過破碎、磁選除鐵等工藝處理，處理后鋼渣粒徑在10 mm以下.硫酸渣也是是經(jīng)破碎后使用，其顆粒粒徑與鋼渣相同.

1.1.2工業(yè)原料

實驗采用的工業(yè)原料均由某公司提供，分別為石灰石、黏土和鐵粉，其化學組成見表1.

表1 工業(yè)原料的化學成分 w/%

1.2 實驗方法

1.2.1鋼渣和硫酸渣的性質(zhì)研究

鋼渣和硫酸渣的化學成分采用Axios advanced波長色散型X射線熒光光譜儀進行分析，其礦物組成采用D8Advance 型X射線衍射儀進行分析.

1.2.2水泥生料的制備、煅燒和易燒性研究

水泥生料分為7組，均采用同一設(shè)定率值進行配料，即：KH為0.93，n為2.12，p為1.61 .將各種生料試樣按表2中的配合比進行配料，經(jīng)振動混料機振蕩混勻后加入占生料質(zhì)量 8.0%的水拌和均勻.稱量5.5 g的濕生料至模具中，用 50 kN左右的壓力加載，制成生料片.將生料片置于(105±5) ℃的烘箱中烘1 h以上，隨后放在鉑金片上一起放入溫度為950 ℃的馬弗爐內(nèi)恒溫預(yù)燒30 min.最后將預(yù)燒完畢的試體隨同鉑金片立即轉(zhuǎn)放到已恒溫到實驗溫度的高溫爐內(nèi)煅燒30 min，煅燒完成后迅速取出試樣并用風扇急冷即可.實驗的煅燒溫度為1 300，1 350，1 400，1 450和1 500 ℃.生料易燒性試驗按照文獻[9]進行，用乙二醇法分析各種試樣的f-CaO含量.

表2 各組配料方案 w/%

1.2.3水泥熟料的性能測試

分析并測試A0～A6組熟料的標準稠度用水量，膨脹率及安定性，并用抗折試驗機和壓力機檢測7組熟料3,28 d的抗折強度和抗壓強度.

1.2.4水泥的制備及其性能的測試

分別用鋼渣熟料和普通熟料來配置P·C32.5和P·C42.5兩種強度等級的水泥，其中鋼渣熟料配置時將一部分鋼渣作為混合料進行摻入，配比方案見表3～4.將制備的水泥按要求成型各種水泥膠砂試件，用壓力機來測試其抗壓強度.

表3 P·C32.5水泥配比方案 w/%

表4 P·C42.5水泥配比方案 w/%

2 鋼渣和硫酸渣的性能研究

2.1 化學組成

鋼渣、硫酸渣和水泥熟料的化學組成見表5.鋼渣含量較高的元素主要是Ca和Fe元素，其Si,Al和Mg等這些元素含量與水泥熟料的含量相近.硫酸渣中含量最高的元素是Fe，其次是Si，Ca和Al.其中Fe元素的質(zhì)量分數(shù)達到49%以上，有害元素S的質(zhì)量分數(shù)高達2%.鐵含量高的硫酸渣中能彌補水泥生料中鐵元素的不足，從而校正水泥原料配比，起到提高水泥的強度的作用.這也是硫酸渣在水泥熟料中應(yīng)用的基礎(chǔ)，但其較高的硫含量限制了它的大面積推廣和利用.

2.2 礦物組成

鋼渣和硫酸渣的礦物組成見圖1～2.圖1顯示鋼渣最強衍射峰位于32.76°處，這代表鈣鋁硅酸鹽的存在.鋼渣主要礦物是硅酸三鈣和硅酸二鈣，另外還含有一些低熔點礦物如RO相和少量的游離氧化鈣和石英等.由圖2可知，硫酸渣最強衍射峰位于35.54°處，這代表赤鐵礦Fe2O3物相的存在.此外硫酸渣還含有石英、Fe3O4和Al2O3和其他金屬氧化物.

表5 材料的化學成分分析 w/%

圖1 鋼渣XRD分析結(jié)果

圖2 硫酸渣XRD分析結(jié)果

3 水泥生料和熟料的性能研究

3.1 生料的易燒性

各組生料的f-CaO含量見圖3.

圖3 各組生料游離氧化鈣含量

由圖3可知，7組試樣的游離氧化鈣均隨煅燒溫度的上升而下降.這是因為當溫度高于1 250 ℃后，隨著溫度的持續(xù)升高，C2S與CaO發(fā)生固相反應(yīng)生成C3S的速率越快，且高溫下生成的C3S穩(wěn)定不易分解.鋼渣和硫酸渣的摻入能明顯降低生料的游離氧化鈣的含量.特別是在在1 350 ℃的煅燒溫度下，實驗組相比對照組A0游離氧化鈣下降的幅度最大，之后隨著溫度的上升，下降的趨勢開始變小.這說明鋼渣和硫酸渣都能改善生料的易燒性，其中與硫酸渣A4，A5，A6組相比，鋼渣A1，A2，A3組的游離氧化鈣含量降低更加明顯，即加入鋼渣的改善效果要優(yōu)于硫酸渣.在7組試樣中，鋼渣摻入的質(zhì)量分數(shù)為5%的A2組的游離氧化鈣含量最低，A1，A3組次之.這說明當鋼渣摻量為5%時，生料表現(xiàn)出優(yōu)異的易燒性.

3.2 熟料的標準稠度用水量和安定性分析

表6為各組熟料標準稠度用水量和安定性的測試結(jié)果.由表6可知，鋼渣和硫酸渣對熟料的標稠水膠比的影響不大.高摻量的鋼渣會在一定程度上增加熟料的膨脹率，這是由鋼渣本身多孔的特性導(dǎo)致的.同時，鋼渣的摻量越大，其對應(yīng)的熟料的膨脹率越大.但膨脹率最大的A3組熟料，其值高達0.324%，但仍滿足要求.7組熟料的安定性測試均合格，這說明鋼渣和硫酸渣的加入不會影響水泥熟料的安定性.

表6 各組熟料的標準稠度用水量和安定性結(jié)果

3.3 熟料的強度性能分析

各種熟料的抗折強度和抗壓強度測試結(jié)果見表7.由表7可知，熟料28 d的抗折強度為3 d的抗折強度的1.5～1.8倍.加入鋼渣后，熟料3 d的抗折強度有所下降，但其28 d的抗折強度與對照組A0的強度相當，其中編號A2的28 d的抗折強度還有所上升.加入硫酸渣后，熟料的3和28 d的抗折強度均有所下降，其中編號A4的3 d抗折強度下降幅度最大，達到22.0%；編號為A6的28 d抗折強度下降幅度最大，達到4.4%.在7組中，28 d抗折強度最大的A2組，其對應(yīng)的為5%摻量的鋼渣試樣.綜合來看，鋼渣的加入不會降低水泥熟料的抗折性能.

表7 不同配比下熟料的抗折強度和抗壓強度值 MPa

分析熟料的抗壓結(jié)果可知，熟料28 d的抗壓強度約是3 d的抗壓強度的2.0～2.3倍.加入鋼渣和硫酸渣后，熟料的3和28 d的抗壓強度均會下降，其中整體來看，硫酸渣組的下降幅度更大.在鋼渣組中，編號為A3的28 d的抗壓強度最小，相比對照組A0，其下降比例為18.1%.在硫酸渣中，編號為A4的28 d的抗壓強度下降比例達到16.4%.在7組中，28 d抗壓強度最大的A2組，其對應(yīng)的為5%摻量的鋼渣試樣，這與抗折強度的結(jié)果一致.綜合來看，鋼渣的加入相比硫酸渣來說，其對水泥熟料的抗壓強度影響更小.

4 水泥的性能研究

4.1 P·C32.5水泥性能分析

4.1.1P·C32.5水泥基本性能

不同配比P·C32.5水泥的基本性能見表8.對比編號1和6或者編號2和7可知，在其他條件不變的情況下，鋼渣水泥比普通水泥的標準稠度需水量要高，這是因為鋼渣的大的孔隙率和比表面積使其能吸附更多的水.編號1～5的5組結(jié)果顯示,鋼渣的摻入對水泥的初凝時間和終凝時間影響不大，5組鋼渣水泥的安定性均合格.

表8 不同配比P·C32.5水泥的基本性能

4.1.2P·C32.5水泥強度性能

不同配比的P·C32.5水泥的抗壓強度測試結(jié)果見圖4.

圖4 不同配比P·C32.5水泥的抗壓強度值

由配比1和6或配比2和7可知，鋼渣組水泥的3和28 d的抗壓強度均比普通水泥的抗壓強度要大.這說明采用鋼渣熟料和鋼渣混合材復(fù)配的方式制備出的鋼渣水泥的強度較高，這彌補了鋼渣熟料強度比普通熟料強度低的缺陷.當熟料為鋼渣熟料時，采用配料方案3所制備配制P·C32.5鋼渣水泥強度性能最佳，其28 d抗壓強度可達到37.5 MPa.

4.2 P·C42.5水泥性能分析

4.2.1P·C42.5水泥基本性能

不同配比P·C42.5水泥的基本性能見表9.由表9可知，與配置P·C32.5水泥的結(jié)果相同，采用鋼渣熟料和鋼渣混合材制備的鋼渣水泥比普通水泥的標準稠度需水量稍高.P·C42.5水泥的需水量較P·C32.5水泥要高，這是因為強度等級高的水泥中膠凝材料含量高，需要更多的水來參與水化反應(yīng).P·C42.5水泥中各試樣的安定性均合格，這說明采用本實驗制備的鋼渣熟料來生產(chǎn)水泥的方案是可行的.

表9 不同配比P·C42.5水泥的基本性能

4.2.2P·C42.5水泥強度性能

P·C42.5水泥強度的測試結(jié)果見圖5.由配比1和11或配比3和12或配比5和13這3個對比組的抗壓強度值可知，鋼渣水泥的3和28 d的抗壓強度普遍要高于普通水泥，這與P·C32.5水泥的規(guī)律相同.這進一步驗證了鋼渣熟料和鋼渣混合材配置鋼渣水泥的方案的可行性.10組鋼渣水泥中配料方案5的鋼渣熟料配制P·C42.5水泥的強度最高，其28 d抗壓強度可達到53.9 MPa.

圖5 不同配比P·C42.5水泥的抗壓強度值

5 結(jié) 論

1) 摻入鋼渣后對生料易燒性的改善效果要好于硫酸渣，當鋼渣摻量為5%時，生料的易燒性最好.

2) 鋼渣和硫酸渣對熟料的標準稠度用水量無明顯影響，而且鋼渣組和硫酸渣組熟料的安定性均合格.

3) 采用鋼渣和硫酸渣配料，都會輕微降低熟料28 d的抗壓強度，但鋼渣的降低幅度要小于硫酸渣.同時，硫酸渣的加入會降低熟料28 d的抗折強度，鋼渣的加入對熟料28 d的抗折強度影響不大.

4) 鋼渣熟料制備的水泥的安定性均合格，其標準稠度需水量比普通水泥大，但初凝和終凝時間與普通水泥無明顯區(qū)別.采用鋼渣熟料和鋼渣混合材所制備的P·C32.5和P·C42.5水泥，其3 d和28 d抗壓強度均比普通水泥高.

[1] 謝君.鋼渣瀝青混凝土的制備、性能與應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學，2013.

[2] 施惠生,張德東,吳凱.鋼渣作集料在混凝土中應(yīng)用的研究進展[J].粉煤灰綜合利用,2016(1):53-56.

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