改性钢渣作水泥混合材的基础性能研究

蔡振雷，张玉柱，龙跃，邢宏伟，田铁磊

改性钢渣作水泥混合材的基础性能研究

蔡振雷，张玉柱，龙跃，邢宏伟，田铁磊

采用高温将粉煤灰和钢渣熔融得到改性钢渣，对掺加改性钢渣后所得水泥的微观结构和宏观力学性能进行研究与分析。结果表明：添加改性钢渣可降低改性钢渣水泥中fCaO的含量；添加改性钢渣水泥的强度比添加普通钢渣水泥的强度略低，但仍可满足P·SS32.5R级水泥强度的要求；改性钢渣作水泥混合材是可行的。

粉煤灰；改性钢渣；安定性；强度

1 引言

钢渣是炼钢生产的副产品，其矿相组成与硅酸盐水泥熟料相似，可用作水泥混合材料。但钢渣的易磨性差，fCaO含量高，对水泥的安定性有不良影响。粉煤灰是燃煤发电厂排出的工业废渣，本身具有一定的火山灰性质，它可以作为活性混合材料用于水泥的生产，而目前钢渣还不能大量运用到水泥的生产过程中，如果将这两种废渣结合起来，降低不利影响，广泛应用于生产，在一定程度上可达到保护环境和资源再利用的目的。我们采用高温熔融的方法，将这两种物质熔融得到改性钢渣。通过对添加改性钢渣制备的水泥进行研究，探索改性钢渣对制备水泥的影响机理。

2 试验

2.1 试验原材料

（1）水泥熟料

水泥熟料为唐山冀东水泥公司生产的普通硅酸盐水泥熟料。粉磨前采用60mm×100mm颚式破碎机破碎。其化学成分见表1。

（2）改性钢渣

普通钢渣取自唐钢中厚板材有限公司，采用颚式破碎机破碎至5mm以下备用，其化学成分见表1。普通钢渣中加入15%的粉煤灰，混合后加入到氧化镁坩埚中，再放进高温加热炉中加热，按设定的升温程序升至1350℃以上熔融得到改性钢渣。

（3）粉煤灰

粉煤灰原料取自唐山西郊热电厂，属于二级粉煤灰，其化学成分见表1。

（4）石膏

石膏为天然二水石膏，SO3含量为39%。

2.2 试验设备与方法

粉磨采用SMϕ500mm×500mm的实验室小型球磨机，细度按GB/T1345-2005测定，安定性、标准稠度用水量、凝结时间按GB/T1346-2011测定，强度按GB/T17671-1999测定。

表1 钢渣、水泥熟料和粉煤灰的化学成分，%

改性钢渣作水泥掺和材料的配方如下：水泥熟料65%、改性钢渣30%、石膏5%。将上述三种原料混磨，最后对制成的水泥作性能检测。

表2 钢渣水泥性能检测结果

3 试验结果与分析

3.1 性能检测结果

试验中添加普通钢渣所得水泥记为P，添加改性钢渣所得水泥记为F，其物理性能检测结果见表2。

3.2 改性钢渣水泥SEM微观形貌分析

为进一步了解改性钢渣水泥的水化产物和结构，分别对3d和28d的改性钢渣水泥试样进行扫描电镜观测，检测结果如图1和图2所示。由图1可以看出，水泥试样有大量水化产物形成，且相互搭接、填充，伴有凝胶C-S-H、钙矾石、未水化C3S及复杂的网状结构。随着时间的迁移，水化强度不断增强，形成的水化产物不断发生交织和连生，使得水泥的孔隙率降低，有利于水泥获得较密实、坚固的结构（如图2所示），从而使水泥具有较高的强度。

3.3 试验结果分析

3.3.1 掺加改性钢渣水泥安定性分析

fCaO水化后形成Ca(OH)2易产生体积膨胀，这是导致水泥安定性不良的最主要的因素，fCaO含量越高对水泥安定性影响越大。可以通过掺加不同矿渣或者降低碱度的方法来达到降低fCaO含量的目的。由于粉煤灰中CaO含量很低，添加后在一定程度上可达到此目的。钢渣掺加粉煤灰高温重熔改性后其fCaO含量见表3。

由表3可知，钢渣添加粉煤灰后fCaO的含量大大降低，其最大值为2.27%，最小值为1.46%，平均值为1.75%，fCaO的含量远远小于4.93%这一普通钢渣中fCaO的含量。根据国家标准(GB/T20491-2006)中规定“用于水泥和混凝土的钢渣微粉fCaO含量必须低于3%”。表3显示fCaO含量完全能够满足用于制作水泥的要求。由此可以断定添加改性钢渣后的水泥安定性是合格的。

由表1可以发现粉煤灰和钢渣中的MgO含量很高，而fMgO也是影响钢渣水泥安定性的一个重要因素。fMgO对水泥的影响机理与fCaO相似，即水化膨胀。但MgO经过1350℃的高温熔融，晶粒逐步发展粗大，结构变得致密，冷却后成死烧状态，此时MgO的水化速度非常缓慢，甚至1～2年时间内还不能完全水化，因此，对水泥的安定性没有直接影响。此外，水泥熟料和二水石膏中都含有一定量的SO3，白波等人[4]的研究结果表明：掺入SO3组分后，熟料中fCaO含量增加，但加入MgO可减轻这种不利影响，间接地降低fCaO对钢渣水泥安定性的不利影响。

3.3.2 掺加改性钢渣水泥标准稠度用水量和凝结时间分析

由表2可知，改性钢渣水泥的标准稠度用水量稍高于普通钢渣的标准稠度用水量。粉煤灰颗粒本身是表面光滑的球形颗粒，这些光滑的粒子可以在水泥中滚动，使水泥-粉煤灰体系的流动性提高，降低用水量，同时粉煤灰颗粒有一定的润滑作用，起到减水作用。然而，粉煤灰颗粒要比水泥颗粒小得多，用于包裹粉煤灰颗粒的水分会大大增加，包裹粉煤灰颗粒所需的水分大于上述减少的用水量，使得总体的标准稠度用水量略有增加[3]。

表3 添加粉煤灰改性后钢渣中fCaO含量

凝结时间也是水泥中一项不可忽视的重要指标。影响水泥凝结时间的因素很多，主要包括水泥中的矿物组成和含量、水灰比、石膏加入量等。从试验所得数据来看，改性钢渣水泥的初凝时间比普通钢渣水泥的初凝时间略短，而终凝时间明显延长。水泥中的C3A溶解度较大，水化的速度很快，再加上改性钢渣水泥的活性比普通钢渣水泥要高，使得水泥的初凝时间缩短；钢渣添加粉煤灰后，水泥熟料矿物所占比例会相应减少，导致有效水灰比增大，使得水泥的水化速率减慢，表现为水泥的终凝时间延长。

3.3.3 掺加改性钢渣水泥强度分析

普通钢渣水泥强度与改性钢渣水泥强度对比见图3和图4。由图可知，普通钢渣水泥的强度总体上大于改性钢渣水泥的强度。

由图3可知普通钢渣水泥的抗压强度大于改性钢渣水泥的抗压强度。一方面，添加粉煤灰后，水泥的有效水灰比增大，溶液中Ca2+离子浓度降低，水泥-粉煤灰体系总的水化速度减慢，相应地降低了掺加改性钢渣水泥的抗压强度。另一方面，由于粉煤灰是高温燃烧后的熔融产物，每个小颗粒的表面非常致密，与Ca(OH)2反应的速度非常缓慢。国内外大量资料研究表明[5]：粉煤灰的活性在3个月后才开始发挥，这使得大部分添加粉煤灰的水泥的早期强度偏低。而随着粉煤灰活性的激发，改性钢渣水泥的强度会不断增强，这也是添加粉煤灰制备水泥的一个共性。

由图4可见，改性钢渣水泥的抗折强度与普通钢渣水泥的抗折强度在水化前期相差不大，到了后期普通钢渣水泥的抗折强度大于改性钢渣水泥的抗折强度。金柏芳[2]研究表明：影响水泥抗折强度的主要因素首先是粒径，其次是水灰比，而水泥的抗折强度会随水灰比的增大而减小。试验采用的是同种方式的混磨，因此所得水泥粒径基本相同。在水泥粒径相同情况下，水灰比就变成了最主要因素。由于添加粉煤灰后，改性钢渣水泥的有效水灰比增大了，与之相反，它的抗折强度就减小了。

综上所述，添加粉煤灰后，使得改性钢渣水泥的整体强度比普通钢渣水泥要低，但这一强度仍可满足P·SS32.5R级水泥的强度要求。

4 经济环保效益分析

生产改性钢渣水泥所需成本低于普通钢渣水泥。以唐山地区为例，水泥熟料的价格为320元/t，普通钢渣250元/t，二级粉煤灰价格90元/t，按试验所用配比计算每吨水泥的成本可降低8元，由此可产生巨大的经济效益。同时，在生产过程中可充分利用普通钢渣和粉煤灰两种废弃物，减少对环境的污染，还可减少治理这些污染所需的资金。

5 结论

（1）钢渣添加粉煤灰高温熔融后添加到水泥中，可有效减少水泥中fCaO的含量，降低对水泥安定性的影响。

（2）改性钢渣水泥的标准稠度用水量、凝结时间等与普通钢渣相差不大，可满足制备钢渣水泥的要求。

（3）改性钢渣水泥的早期强度普遍低于普通钢渣水泥的强度，但能满足水泥的强度需要，随着时间的迁移，粉煤灰的活性会逐步激发，改性钢渣水泥的后期强度也会不断增强。

（4）钢渣添加粉煤灰高温熔融后做水泥混合材料，可充分利用废弃物，降低废弃物对环境污染的不利影响。

[1]陈益民，张洪滔,等.磨细钢渣粉做水泥高活性混合材料的研究[J].水泥，2001(5):1-4.

[2]金柏芳.水泥混凝土抗折强度影响因素的试验分析[J].公路，2004-05(5):158-160.

[3]杨志宾，韩敏芳,等.高掺量粉煤灰水泥制备与性能研究[J].稀有金属材料与工程，2008-01,37:637-640.

[4]白波,等.MgO对水泥熟料煅烧的影响[J].水泥技术，2008-04:69-71.

[5]董刚.粉煤灰和矿渣在水泥浆体中的反应程度研究[D].北京：中国建筑材料科学研究总院，2008.

Research on Basic Properties of Cement by Adding Modified Steel Slag Mixed Fly Ash

CAI Zhen-lei,ZHANG Yu-zhu,LONG Yue,XING Hong-wei,TIAN Tie-lei
(Hebei United University,Tangshan 063009,China)

Modified steel slag was prepared by mixing molten fly ash and steel slag at high temperature.We have studied its microscopic structure and macroscopic mechanical properties.The results showed that:The content of the fCaO was decreased by adding modified steel slag;The strength of the modified steel slag cement is a little lower than the ordinary one,but the strength was still meeting the need of P·SS32.5R cement.It is feasible that modified steel slag can become one of the cement materials.

fly ash;modified steel slag;stability;strength

TQ172.44

A

1001-6171（2012）05-0028-03

通讯地址：河北联合大学，河北 唐山 063009；

2012-02-08；

沈 颖

河北省应用基础重点研究项目（10965633D）