钢渣－尾矿蒸压砖性能影响因素研究

李红卫，李鹏冠，赵风清

(1.石家庄建设工程安全监督管理站，石家庄050011;2.河北科技大学化工学院，石家庄050018)

钢渣是炼钢过程中产生的一种固体废弃物，其对环境的危害日益严重，已经引起地方各部门的广泛重视。2013年我国钢产量约7.8 亿t，钢渣产量约占粗钢产量的11%～15%。目前积存的钢渣已有5 亿t 以上，多数仍然处于简单堆存和随意排放状态。大量存放的钢渣占用大量的土地资源，并引起渣场周围的水体污染。此外，由于渣场都是露天存放，会产生大量扬尘，造成周围环境污染，危害人体健康［1－5］。工业发达国家20 世纪初期就开始关注钢渣的利用价值。近年来美国、德国、日本等国家的钢渣利用率都在95%以上，而我国钢渣综合利用率仅为30%，与工业发达国家存在明显的差距。建筑行业需要大量的建筑材料，而钢渣的化学成分与水泥熟料相似，具有潜在的胶凝活性。这使得钢渣在建筑领域中的应用成为可能。

将钢渣、尾矿和水泥按一定比例混合，通过蒸汽养护制成蒸压砖，既可保护环境，又能降低生产成本。但是钢渣在替代部分尾矿和水泥的过程中，改变了蒸压砖的宏观和微观结构。此时，制备工艺参数显著影响了蒸压砖的性能。因此，本文通过调整物料成型水量、成型压力、蒸压温度和蒸压时间等工艺参数，研究了工艺参数对钢渣－尾矿蒸压砖性能的影响，在此基础上进行了工艺参数优化，为钢渣、尾矿的处理及资源化利用提供了一条有效途径。

1 材料与方法

1.1 试验原料及仪器

试验中钢渣、尾矿均来自唐山某矿业公司;水泥为市售42.5 级标准水泥;钢渣安定性处理剂VS－I，采用市售化工原料配制。钢渣、尾矿化学成分见表1，钢渣粒径分布见表2。

表1 钢渣、尾矿化学成分 /%

表2 钢渣粒度分布

试验中主要仪器为3MS01－5050 型试验磨、NJ－160A 型水泥净浆搅拌机、NYL－300A 型压力试验机和CS 型高温蒸压釜。

1.2 试验方法

将钢渣放入球磨机中粉磨60min，与水泥、尾矿按质量计量比30:7:63 混合，加入1.5%的助剂VS－I(占钢渣质量的百分比)。称取一定比例的水，与物料在搅拌机中混合均匀。然后按照一定压力压制成型，试块尺寸为50mm ×50mm ×50 mm。密封静置1d 后放入蒸压釜，按照合适的养护制度进行蒸压养护。经自然冷却后出釜，观察试块外观情况并进行强度测试。

2 结果与讨论

2.1 物料成型水量对蒸压砖性能的影响

按照钢渣、水泥、尾矿质量计量比为30:7:63，成型压力20MPa。在“升温2h－恒温4h(釜内180℃蒸压)－自然冷却”的蒸压养护制度下，改变物料成型水量，对试块进行强度测试，结果如图1 所示。

图1 成型水量对蒸压砖性能的影响

由图1 可知，随着物料成型水量的增加，试块抗压强度呈先上升后下降的趋势。在用水量为9%时，试块强度到达最高值23.5MPa。这是由于用水量较低时，水化不完全，从而导致试块强度较低。当用水量逐步增加时，胶凝材料水化速度提高，生成胶凝性矿物增多，从而抗压强度上升。但是当用水量继续增加，会有过量的水分滞留在试块内。残余水分经高温蒸压后，以水蒸气的形式逸出试块，致使试块体内空隙增多，密实性下降，强度降低。因此，适宜的物料成型水量为9%。

2.2 成型压力对蒸压砖性能的影响

按照钢渣、水泥、尾矿质量计量比为30:7:63，物料成型水量9%。在“升温2h－恒温4h(釜内180℃蒸压)－自然冷却”的蒸压养护制度下，改变成型压力。对试块进行强度测试，结果如图2 所示。

图2 成型压力对蒸压砖性能的影响

由图2 可知，成型压力在10～30MPa 时，试块抗压强度均高于10MPa，达到《粉煤灰砖》JC239－2001MU10 等级要求。随着成型压力的增大，抗压强度呈快速上升趋势。当成型压力高于20MPa 后，上升趋势变缓。这是因为成型压力较低时，试块内物料间的排列疏松，空隙率较大，所以试块强度较低。随着压力的增大，物料间的排列趋于紧密，生成胶凝性矿物增多。因此，试块抗压强度升高。当成型压力高于20MPa 后，压力对物料间排列的影响趋于稳定，抗压强度上升变缓。适宜的成型压力为20MPa。

2.3 养护温度对蒸压砖性能的影响

按照钢渣、水泥、尾矿质量计量比为30:7:63，物料成型水量9%，成型压力20MPa。在“升温2h－恒温4h－自然冷却”的蒸压养护制度下，改变釜内蒸压温度。对试块进行强度测试，结果如图3 所示。

图3 养护温度对蒸压砖性能的影响

由图3 可知，釜内温度为120℃时，试块强度超过12MPa。随着釜内温度的升高，试块抗压强度逐渐上升。当温度为180℃时，抗压强度达到最高22.5MPa。这是因为温度越高，钢渣中潜在活性组分获得能量越多，活化性能更好，更易于跨过反应能垒，生成更多的胶凝性矿物。综合考虑蒸压砖的长期稳定性及节能需要，最适宜的釜内蒸压温度为140～180℃。

2.4 恒温蒸压养护时间对蒸压砖性能的影响

按照钢渣、水泥、尾矿质量计量比为30:7:63，物料成型水量9%，成型压力20MPa。在“升温2h－釜内160℃恒温－自然冷却”的蒸压养护制度下，改变蒸压恒温时间，对试块进行强度测试。结果如图4 所示。

由图4 可知，当恒温时间在4h 以内时，随恒温时间的延长，试块抗压强度逐渐上升。这是因为恒温时间太短时，钢渣中活性组分获得能量不足，水化不完全，抗压强度较低。随着时间的延长，活性组分逐渐增多，水化渐趋完全，胶凝性矿物增多，抗压强度升高。从安全和节能的角度综合考虑，适宜的养护条件为160℃恒温3～4h。

图4 恒温时间对蒸压砖性能的影响

2.5 钢渣－尾矿蒸压砖的优化工艺条件及其效果

根据2.1－2.4，得出适宜的钢渣－尾矿蒸压砖工艺条件:成型水量为9%;成型压力为20MPa;蒸养条件为160℃恒温3h。与未加安定性处理剂的工艺进行对比研究，结果见表3。

表3 优化工艺条件对蒸压砖性能的影响

从表3 可知，在未加安定性处理剂的工艺中，钢渣最高掺量仅为11%，当掺量在12%时，试块出现开裂现象。用VS－I 对钢渣进行改性处理后，钢渣掺量可达30%且试块不产生裂纹。该工艺经优化后，适宜的养护条件为160℃恒温3h，水泥掺量降为5%。试块抗压强度均达到《粉煤灰砖》JC239－2001MU15 等级要求。

3 结 论

(1)物料成型水量对试块抗压强度有显著影响。随着成型水量的增加，试块抗压强度呈先上升后下降的趋势，适宜的成型水量为9%。

(2)随着成型压力的加大，试块抗压强度逐渐上升。综合考虑安全使用性与生产成本，适宜的成型压力为20MPa。

(3)釜内蒸压温度、恒温时间对试块的抗压强度有双重影响。随蒸压温度的升高、恒温时间的延长，试块抗压强度均呈先上升后下降的趋势。适宜的蒸养条件为160℃恒温3h。此时，试块抗压强度高于15MPa，到达《粉煤灰砖》JC239－2001MU15 等级要求。

确定了成型水量9%，成型压力20MPa，釜内温度160℃，恒温时间3h 为钢渣－尾矿蒸压砖制品的适宜生产参数。以本工艺生产尾矿－钢渣蒸压砖，钢渣掺量从原来的11%提高到30%，水泥用量由原来的7%下降到5%，产品抗压强度达到15MPa 以上。为钢渣、尾矿的处理及资源化利用提供了一条有效途径。

［1］赵俊学，李小明，唐雯聃，等.钢渣综合利用技术及进展分析［J］.鞍钢技术，2013，(3):1－6.

［2］P.G.Li，F.Q.Zhao，Z.Ma.Improving the Volume Stability of Steel Slag for Construction and building Materials［J］.Advanced Materials Research，2014，(936):1399－1403.

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