含釩鋼渣微粉用作水泥混合材的性能研究

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)

我國是煉鋼和用鋼大國，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環(huán)境帶來了極大的負(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。我國自1974年開始研究鋼渣水泥，到目前已形成多品種、多標(biāo)號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工，對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)測試了鋼渣水泥的安定性；按照國標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T17671)測試了鋼渣水泥的強(qiáng)度；通過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；通過八通道微量量熱儀測定不同時(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 摻渣量對水泥安定性的影響

表3是不同含量的鋼渣微粉對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。這是因?yàn)殇撛幕钚员人嗟?，隨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。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，試樣沒有出現(xiàn)翹曲，也沒有開裂，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]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，超過強(qiáng)度極限后，試樣會(huì)變形，開裂。

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鋼渣硅酸鹽水泥的強(qiáng)度的影響。

表4 鋼渣摻量對水泥強(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。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。

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?？梢婁撛膿饺肽茱@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，凝結(jié)時(shí)間延長。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；當(dāng)鋼渣摻量為30%時(shí)，水泥達(dá)到42.5R強(qiáng)度等級。

(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。