利用轉(zhuǎn)爐鋼渣制備水泥砂漿試驗(yàn)研究

朱祖煌，武艷萍，周小俊

(1.湖北武穴長(zhǎng)江公路大橋有限公司，武穴 435400；2.湖北公路智能養(yǎng)護(hù)科技股份有限公司，武漢 430050；3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到8.3億t，約有9 000萬(wàn)t的鋼渣產(chǎn)生，但鋼渣的綜合利用率卻不到22%。過(guò)量堆棄的鋼渣不僅會(huì)占用大量的土地，而且對(duì)大氣和河流造成嚴(yán)重污染。因此提高鋼渣綜合利用率，不但能減緩其對(duì)環(huán)境的污染，還能變廢為寶，是我國(guó)資源與環(huán)境保護(hù)的雙重重大戰(zhàn)略需求。

因鋼渣存在體積穩(wěn)定性不良、粉磨效率不高等問(wèn)題，導(dǎo)致制成的水泥安定性不合格率高、強(qiáng)度較低，因此鋼渣在水泥基材料中的應(yīng)用較少[1]。彭小芹[2]指出：鋼渣形成溫度達(dá)到1 650 ℃，經(jīng)自然冷卻后形成，常溫活性較低，膠凝活性也較差。易龍生[3]研究發(fā)現(xiàn)：利用鋼渣粉制備鋼渣水泥砂漿，隨著比表面積增大，各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度都有不同程度的提高。朱伶俐[4]指明：石膏、硅酸鈉和生石灰的復(fù)合激發(fā)劑可提高鋼渣的水化活性，加快鋼渣微粉的水化反應(yīng)速度。

利用XRF和XRD研究轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)成分與礦物成分，并將轉(zhuǎn)爐鋼渣分別制備成鋼渣粉和鋼渣砂以替代水泥砂漿的水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂，探索由粗細(xì)轉(zhuǎn)爐鋼渣集料制備的鋼渣粉在不同摻量下對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律，研究不同摻量鋼渣砂(粒徑0～4.75 mm)制備的水泥砂漿強(qiáng)度。研究結(jié)果有望推動(dòng)鋼渣在水泥基材料中的應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)轉(zhuǎn)爐鋼渣：廣西盛翔新材料有限公司轉(zhuǎn)爐鋼渣。

2)水泥：黃石華新PO42.5普通硅酸鹽水泥。

3)標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂。

4)外加劑：硅酸鈉、脫硫石膏(天大化學(xué)試劑廠)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 鋼渣預(yù)處理

將取樣轉(zhuǎn)爐鋼渣進(jìn)行篩分處理，按粒徑分為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～16 mm四檔，每一檔轉(zhuǎn)爐鋼渣經(jīng)球磨后過(guò)0.075 mm篩，取篩下部分得到鋼渣粉用于替代水泥制備水泥砂漿。取樣鋼渣過(guò)4.75 mm篩，取篩下部分作為鋼渣砂，取代標(biāo)準(zhǔn)砂制備水泥砂漿。

1.2.2 鋼渣水泥活性激發(fā)方案

鋼渣用于水泥的活性激發(fā)主要有物理激發(fā)和化學(xué)激發(fā)兩種方法。物理激發(fā)是指將鋼渣磨細(xì)，提高其細(xì)度和比表面積；化學(xué)激發(fā)是指添加外加劑提高鋼渣活性，主要為堿激發(fā)。試驗(yàn)選用化學(xué)激發(fā)方法，所采用的激發(fā)劑為硅酸鈉(水玻璃)和脫硫石膏，堿激發(fā)劑摻量為外摻，硅酸鈉摻量為膠凝材料質(zhì)量的3%，脫硫石膏摻量為膠凝材料質(zhì)量的6%。將鋼渣粉和鋼渣砂分別等質(zhì)量的替代水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂，水灰比為0.5，制備水泥砂漿。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣細(xì)集料的化學(xué)成分和礦物成分

轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分見(jiàn)表1，礦物成分見(jiàn)圖1。鋼渣粉的主要化學(xué)成分是CaO、Fe2O3、SiO2，這與水泥的主要化學(xué)成分基本一致。在轉(zhuǎn)爐鋼渣的水化反應(yīng)中伴隨著玻璃體的解體和沸石類產(chǎn)物的形成，沸石類產(chǎn)物的形成需要消耗大量的Al2O3,由表1知轉(zhuǎn)爐鋼渣的Al2O3含量很低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐鋼渣的水化反應(yīng)不充分。由圖1 可知，硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)的衍射峰強(qiáng)度較弱，表明鋼渣細(xì)集料的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)含量較少，導(dǎo)致鋼渣粉的水化反應(yīng)較弱。因此鋼渣粉替代水泥參與水化反應(yīng)時(shí)，只能部分替代，保證硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)的含量充足，同時(shí)還應(yīng)摻入堿激發(fā)劑激發(fā)鋼渣潛在活性物質(zhì)。

表1 轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)成分

2.2 游離氧化鈣(f-CaO)含量對(duì)鋼渣水泥砂漿強(qiáng)度的影響

取樣轉(zhuǎn)爐鋼渣f-CaO含量見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出，取樣轉(zhuǎn)爐鋼渣的粒徑越小，其f-CaO含量越高，這可能與轉(zhuǎn)爐鋼渣的比表面積有關(guān)，粒徑小的比表面積大，f-CaO能夠更好的附著在鋼渣的表面上。圖3是不同粒徑轉(zhuǎn)爐鋼渣球磨35 min后50%替代水泥制備的砂漿的強(qiáng)度，粒徑越大的鋼渣球磨后制備的水泥砂漿，7 d和28 d的抗壓抗折強(qiáng)度越大。這是由于轉(zhuǎn)爐鋼渣中f-CaO的存在使得鋼渣存在體積穩(wěn)定性不良的問(wèn)題[5]，鋼渣水泥的水化膨脹也因此發(fā)生，f-CaO含量越高，膨脹率越大，導(dǎo)致鋼渣水泥砂漿抗壓抗折強(qiáng)度減弱[6]。

2.3 鋼渣粉不同摻量對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響

選取粒徑在5～10 mm的轉(zhuǎn)爐鋼渣，球磨至勃氏比表面積400 m2/kg左右，按質(zhì)量的0、30%、40%、50%替代水泥，制備水泥砂漿，編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#。砂漿的抗折抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，隨著鋼渣粉摻量的增加，砂漿的3 d、7 d、28 d的抗折抗壓強(qiáng)度均降低，試驗(yàn)鋼渣粉的最佳摻量為30%，此時(shí)鋼渣水泥具有較好的膠凝活性，鋼渣粉的7 d活性指數(shù)為67%，28 d活性指數(shù)達(dá)到了71%。由圖4、圖5可以看出，鋼渣粉對(duì)試件前期的抗折強(qiáng)度的促進(jìn)更明顯，后期的抗折強(qiáng)度促進(jìn)較弱；而對(duì)試件后期的抗壓強(qiáng)度促進(jìn)作用更大。

2.4 鋼渣砂不同摻量對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響

表2給出了不同配比鋼渣砂替代標(biāo)準(zhǔn)砂的砂漿強(qiáng)度和安定性，發(fā)現(xiàn)鋼渣砂全部替代標(biāo)準(zhǔn)砂時(shí)，試件安定性不合格。鋼渣砂的吸水率遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)砂的吸水率，造成體系缺水，嚴(yán)重影響了水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)生成的反應(yīng)速率，膠凝材料無(wú)法凝結(jié)硬化。鋼渣砂的細(xì)度模數(shù)也會(huì)影響到水化反應(yīng)的需水量，細(xì)度模數(shù)應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)砂保持一致，細(xì)度直接影響到水、膠凝材料與鋼渣砂的接觸面積，細(xì)度越細(xì)接觸面積越大，水與鋼渣砂更快的結(jié)合與吸附，導(dǎo)致砂漿流動(dòng)度下降[7]。與標(biāo)準(zhǔn)砂制備的砂漿相比，50%和20%摻量的鋼渣砂其7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均有所提高，抗折強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)砂砂漿。

表2 鋼渣砂不同配比的砂漿強(qiáng)度和安定性

3 結(jié) 論

a.轉(zhuǎn)爐鋼渣具有與水泥相似的化學(xué)和礦物成分，鋼渣微粉可以替代水泥，但鋼渣水泥砂漿強(qiáng)度較低；可通過(guò)物理和化學(xué)活性激發(fā)使轉(zhuǎn)爐鋼渣具有水化活性，達(dá)到增強(qiáng)鋼渣水泥砂漿抗壓抗折強(qiáng)度的目的。

b.轉(zhuǎn)爐鋼渣粒徑越大，f-CaO含量越少。用大粒徑轉(zhuǎn)爐鋼渣研磨至一定細(xì)度的鋼渣粉，部分取代水泥制備水泥砂漿，具有比小粒徑轉(zhuǎn)爐鋼渣更好的抗壓抗折強(qiáng)度。在堿激發(fā)條件下用鋼渣粉制備水泥砂漿，鋼渣粉的最佳摻量為30%， 7 d活性指數(shù)為67%，28 d活性指數(shù)為71%。

c.鋼渣砂(粒徑0～4.75 mm)可以部分取代標(biāo)準(zhǔn)砂制備水泥砂漿，砂漿的抗壓強(qiáng)度均高于純標(biāo)準(zhǔn)砂制備的水泥砂漿，而抗折強(qiáng)度略低于純標(biāo)準(zhǔn)砂制備的水泥砂漿。