钢渣与矿渣对水泥性能影响的对比研究

宋子新

1 引言

钢渣是炼钢过程中用石灰石作为熔剂提取生铁中的SiO2、Al2O3等杂质而生成的以硅酸二钙、硅酸三钙为主要成分的熔融物，经冷却后所得到的废渣。随着钢铁工业的快速发展，大量钢渣排放，堆积如山，不仅占用了大量宝贵的土地，而且严重污染了周围的环境。因为钢渣中含有C2S、C3S等硬性矿物以及铝硅玻璃体，因而具有一定的胶凝性能[1]。

本文研究了钢渣及其制备的钢渣粉用作水泥混合材时，对水泥性能的影响。选择常规混合材矿渣粉进行了对比试验，通过不同掺量钢渣粉与矿渣粉水泥的性能对比试验，摸索其对水泥性能的影响规律，以期为更好地利用钢渣奠定基础。

2 试验

2.1 原材料

水泥：采用P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥，比表面积为400m2/kg。

钢渣：取自唐山某钢铁厂转炉生产的钢渣，经过破碎和除铁。

矿渣粉：取自唐山某矿渣粉厂生产的矿渣粉，比表面积为440m2/kg。

各原材料的化学组成见表1。

2.2 实验方案

将钢渣采用标准试验小磨粉磨至比表面积为480m2/kg，按照不同的比例与硅酸盐水泥充分混合，同时与矿渣粉进行平行对比，具体方案如表2。

3 结果和讨论

3.1 钢渣粉对水泥稠度、凝结时间的影响

水泥稠度、凝结时间采用GB/T1346-2011《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》进行检验（表3）。

从图1看出，随着钢渣粉掺入比例的提高，水泥稠度降低；随着矿渣粉掺入比例的提高，水泥稠度略提高；同比例掺入钢渣粉与矿渣粉，钢渣粉稠度低于矿渣粉稠度。

从图2可以看出，随着钢渣粉、矿渣粉掺入比例的提高，水泥凝结时间延长，同比例掺入钢渣粉与矿渣粉，钢渣粉延长程度大于矿渣粉。

3.2 钢渣粉对水泥安定性的影响

水泥的安定性是水泥的主要控制指标之一。炼钢过程中，石灰逐步加入，使钢渣中不可避免地存在一定量的fCaO。唐明述教授[2]等发现造成钢渣水泥安定性不良的主要因素是其中的fCaO，钢渣中的fCaO在高温液相中存在时间较长，形成的晶粒比较大，晶格比较紧密，且固溶了许多其他的离子，使其水化活性显著降低，水化速度变慢，在以后的继续水化时就会发生膨胀，造成安定性不良。经过长期存放的钢渣，其中CaO逐渐消解，并使钢渣破碎和粉化。钢渣中MgO存在的形态随碱度不同而改变：碱度低时，MgO主要存在于CMS、C3MS2等惰性矿物中；随着碱度的提高，CaO置换MgO形成C2S和C3S，MgO析出后，主要与FeO、MnO、CaO等二价金属氧化物形成固溶体，称为RO相。对存在于RO相中的MgO、CaO，是否会影响沸煮安定性和压蒸安定性，必须进行严格的安定性测试。通过生产实际跟踪对比发现，各厂钢渣的成分差异较大。综上，利用钢渣制备水泥的体积安定性问题，必须引起充分重视，必须经过严格、科学的实验验证，同时建立科学、有效的控制手段。

表1 原材料化学成分，%

表2 钢渣粉、矿渣粉配料试验方案

本实验沸煮安定性采用GB/T1346-2011《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》进行检验，压蒸安定性采用GB/T750-1992《水泥压蒸安定性试验方法》进行检验。

从表4可以看出：试验用矿渣粉、钢渣粉配制的水泥安定性合格。采用矿渣粉配制的水泥，随着矿渣粉比例的增加，压蒸安定性数值变化不大；采用钢渣粉配制的水泥，随着钢渣粉比例的增加，压蒸安定性数值呈增大趋势。

表3 钢渣粉、矿渣粉对水泥稠度、凝结时间的影响

表4 钢渣粉、矿渣粉对水泥安定性的影响

图1 钢渣粉、矿渣粉对水泥稠度的影响

图2 钢渣粉、矿渣粉对水泥凝结时间的影响

表5 钢渣粉、矿渣粉对水泥强度的影响

图3 钢渣粉、矿渣粉对水泥抗压强度的影响

关于钢渣粉掺入的安定性问题，有学者认为：小掺量的钢渣水泥不会存在安定性的问题[3]。磨细钢渣粉在水泥砂浆或混凝土中使用无安定性问题。这可能是由于钢渣经粉磨达到一定细度后，游离的CaO和MgO被活化，在水泥水化时就参与反应，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，虽然反应产物体积大于反应物，但此时混凝土还处于塑性状态中，因此不会造成混凝土的结构破坏。

3.3 钢渣粉对水泥强度的影响

钢渣是具有水硬性的废渣。它含有水硬性矿物C3S、C2S、铁铝酸钙等，但含量较低，其活性必须通过实验加以验证。

本实验水泥强度采用GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行检验。

由表5和图3可以看出：

（1）随钢渣粉掺量的增加，3d、7d、28d抗折强度和抗压强度均下降，下降幅度随着龄期的增加而降低，28d抗折强度和抗压强度在5%、10%掺量时接近硅酸盐水泥的强度。

（2）随着矿渣粉掺量的增加，3d抗折强度和抗压强度下降，7d抗折强度和抗压强度下降不明显，28d抗折强度和抗压强度达到或者已经超过硅酸盐水泥的强度。

（3）钢渣粉的活性不如矿渣粉。

4 结语

通过以上实验我们得到以下结论：

（1）钢渣粉的掺入可降低水泥稠度，延长水泥的凝结时间；同比例掺入钢渣粉与矿渣粉，钢渣粉延长程度大于矿渣粉。

（2）本实验用钢渣粉，掺量在0～15%内，水泥体积安定性是合格的。但是各厂钢渣的成分差异较大，利用钢渣制备水泥的体积安定性问题，必须引起充分重视，必须经过严格、科学的实验验证，同时建立科学、有效的控制手段。

（3）钢渣粉的掺入降低水泥强度，下降幅度随着龄期的增加而降低，28d抗折强度和抗压强度在5%、10%掺量时接近硅酸盐水泥的强度；钢渣粉的活性不如矿渣粉。

[1]朱航，王林，刘彦君，等.钢渣矿粉混凝土的物理力学性能研究[J].武汉理工大学学报，2005,（1）.

[2]唐明述，等.钢渣中MgO、FeO、MnO的结晶状态与钢渣的体积安定性[J].硅酸盐学报，1997，7（1）：35－45.

[3]赵三银，赵旭光，李宁.高钢渣掺量钢矿水泥体积安定性的研究[J].水泥工程,2002（2）：7－9.■