钢渣性能及其在水泥中的应用研究

张爱全

钢渣性能及其在水泥中的应用研究

张爱全

以日钢热焖钢渣为研究对象，从实际应用开发角度，通过研究钢渣粉细度对其性能的影响，钢渣粉掺量对水泥胶凝材料性能的影响，找到了钢渣粉、矿渣粉复合应用于不同强度等级水泥的适合配比，为钢渣粉生产及其作为水泥混合材使用提供有益的参考。

热焖钢渣；活性指数；胶凝材料性能

钢渣是炼钢生产过程中产生的冶炼废渣，钢渣中含有一定的活性组分如C3S、C2S、C3A及铁铝酸盐等矿物[1]，因此钢渣可作为水泥的活性材料使用。侯新凯等[2]以太钢转炉钢渣为研究对象，采用光学显微镜、扫描电子显微镜和能量色散谱仪，从微观层面鉴定钢渣矿物相并测定岩相的化学成分，转炉钢渣不含游离态的方镁石，MgO与FeO、MnO形成连续固熔体RO相，fCaO相，硅酸盐矿物相C2S、C3S，以及复杂的铁铝酸钙固熔体等矿物相。张爱萍、李永鑫[3]通过试验得出，钢渣：矿渣为3：7时，力学性能最好。唐卫军、任中兴等[4]研究证实钢渣-矿渣水泥混凝土的工作性能良好。

本文以日钢热焖钢渣为研究对象，从实际应用开发角度，研究钢渣粉细度对其性能的影响，钢渣粉掺量对水泥胶凝材料性能的影响，以及钢渣粉、矿渣粉复合应用于水泥的合适配比，为钢渣粉生产及其作为水泥混合材使用提供有益的参考。

表1　钢渣的化学成分，%

表2　高炉矿渣微粉理化指标

1　试验材料

1.1钢渣

以日钢半液态钢渣为原料，经热焖工艺处理，再经破碎、磁选等工序加工制得钢渣，然后经卧辊磨系统粉磨制得钢渣微粉，其化学成分如表1所示。

1.2矿渣粉

以日钢高炉矿渣微粉为原料，其理化指标如表2所示。

1.3基准水泥

以中国建筑材料科学研究总院水泥科学与新型建筑材料研究院用于粒化高炉矿渣粉（GB/ T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》）活性指数及流动度比检验的对比水泥为基准水泥。

1.4熟料粉

将水泥熟料、石膏及少量石灰石（≤5%）共同粉磨至比表面积为350± 10m2/kg，制得水泥熟料粉，SO3比例控制在（2.8±0.1）%。

表3　各批次钢渣在不同比表面积下的活性

2　试验结果与讨论

2.1不同细度钢渣粉活性试验

将热焖处理后的3个批次钢渣（尾渣）分别磨至比表面积为350± 10m2/kg、400±10m2/kg、450±10m2/kg、 500±10m2/kg，制成3d、7d、28d胶砂试件，与基准水泥对比研究其活性变化规律，试验结果见表3。

对表3数据按比表面积取均值并作图（图1、图2）。

图1　不同龄期活性随比表面积变化曲线

图2　不同比表面积活性随龄期变化曲线

由表3数据辅以图1、图2可以看出，钢渣粉活性指数随着比表面积的提高表现出不同的增长规律，3d的活性指数随比表面积升高略有降低，而7d和28d的活性指数总体随比表面积升高而升高，但有峰值，在450m2/kg时达到峰值后开始降低。

这是因为，随着钢渣粉比表面积的提高，钢渣中的磷（主要以磷酸三钙与硅酸二钙形成的固熔体存在[5]）在早期水化时容易浸出，浸出的磷延缓了基准水泥凝结硬化时间，对试块早期强度不利，体现为钢渣粉3d活性指数随比表面积升高而降低；而到水化中后期，磷对试块水化硬化的影响渐小，总体体现为钢渣粉7d和28d的活性指数随比表面积升高而升高。随着钢渣粉比表面积的提高，其需水量必然增加，当比表面积提高到一定程度（本试验为450m2/kg），钢渣粉活性绝对增量不足以抵消因其需水量增加引起的强度减量[6]时，就会出现钢渣粉活性指数的“峰值”。需要注意的是，此“峰值”是现有活性指数检测方法的局限性所致，并非钢渣粉活性指数的真正峰值。

2.2不同掺量钢渣粉对胶凝材料影响试验

在基准水泥中掺加10%～30%的钢渣粉（比表面积400m2/kg），研究其凝结时间、沸煮安定性、压蒸安定性和胶砂强度（3d、7d、28d）的变化规律。

2.2.1凝结时间

将钢渣粉按照比例掺入基准水泥中，测得凝结时间，见表4。

表4　钢渣粉不同掺量时凝结时间的试验结果

表5　钢渣粉不同掺量时安定性的试验结果*

根据表4绘制水泥凝结时间随钢渣粉掺量变化曲线图（图3）。

由表4和图3可以看出，掺入钢渣粉后，水泥净浆的凝结时间会延长。钢渣粉掺量由0%增加到30%，水泥净浆的初凝时间由145min增加到295min，终凝时间由225min增加到525min。其中，钢渣粉掺量由0%增至15%时，水泥凝结时间呈缓慢线性增长，初终凝时间增长幅度基本同步；钢渣粉掺量由15%增至30%时水泥凝结时间增幅较大，且终凝时间增幅大于初凝时间。

2.2.2安定性试验

将钢渣粉按照比例掺入基准水泥中，测得安定性，见表5。

根据表5数据作安定性曲线图（图4、图5）。

图3　凝结时间随钢渣粉占比变化图

图4　沸煮安定性曲线

图5　压蒸安定性曲线

由表5数据辅以图4、图5可以看出，水泥的沸煮安定性和压蒸安定性膨胀度随钢渣粉掺量的提高（由0%～40%）而增加，在30%范围内均合格；当钢渣粉掺量达到35%～40%时，压蒸安定性合格，但沸煮安定性达到5mm，出现不合格。说明钢渣虽经热焖稳定化处理，但仍含有一定fCaO，钢渣粉作水泥混合材使用时比例在30%以内安定性良好。需要注意的是，该试验所用钢渣为经过热焖稳定化处理的钢渣。

2.2.3力学性能试验

将钢渣粉按照比例（由0%渐次提高到40%）掺入基准水泥中，测得水泥胶砂强度，见表6。

表6　钢渣粉不同掺量时胶砂强度的试验结果

表7　钢渣粉和矿渣粉不同掺量时水泥胶砂强度的试验结果

根据试验结果绘制抗压强度曲线图（图6）。

图6　抗压强度曲线图

由表6数据辅以图6可以看出，随着钢渣粉掺量的增大，水泥强度基本呈直线降低趋势，而早期强度特别是3d强度趋势线斜率更大，说明钢渣后期水硬性能较前期好，这也印证了钢渣中C2S相对较高的有关论述[4]。需要注意的是，钢渣粉掺入量达到20%以上时，胶砂试件需养护48h后脱模。

2.3钢渣粉和矿渣粉复合性能研究

2.3.1钢渣粉和矿渣粉对P·O42.5水泥的影响

通过调整钢渣粉和矿渣粉比例，外掺到熟料粉中制备P·O42.5水泥，研究掺入不同比例的钢渣粉、矿渣粉后对水泥性能的影响，确定钢渣粉和矿渣粉的较佳配比。将各比例配料试样做胶砂试块，测得3d、7d、28d水泥强度见表7。

由表7中的数据可以看出，当熟料粉比例在85%时，钢渣粉的掺量为7%；矿渣粉为8%时与全部掺15%矿渣粉时的强度相差很小，而当钢渣粉全部取代15%的矿渣粉时，水泥强度降低较明显；若提高水泥中熟料粉的比例至90%，增加钢渣粉至10%，则3d强度相比熟料粉降低较少，但是28d强度偏低。为保证P·O42.5水泥具有足够的后期富余强度，熟料粉的比例在85%，钢渣粉的掺量在7%左右比较合适。需要注意的是，本试验所用熟料粉的后期强度偏低，实际生产中应严格控制水泥熟料粉的质量，并根据水泥熟料粉的力学性能对钢渣粉的掺量进行调整。

2.3.2钢渣粉和矿渣粉对P·C32.5R水泥的影响

通过改变钢渣粉和矿渣粉比例，外掺到水泥熟料粉中制成P·C32.5R水泥，研究掺入不同比例时对水泥性能的影响，并找出钢渣粉和矿渣粉在P·C32.5R水泥的较佳配比。将各比例配料试样做胶砂试块，测得3d、7d、28d水泥强度见表8。

根据表8中的数据，综合考虑成本及P·C32.5R水泥的早期强度指标及其富余强度要求，从以上方案中选出3号较佳配比，即熟料粉比例50%、钢渣粉掺量15%，矿渣粉掺量35%。所选的配合比能够满足P·C32.5R水泥的指标要求，且成本最低。实际生产时，为防止水泥熟料质量波动对产品质量的影响，应严格控制熟料粉的质量，同时检测钢渣粉、矿渣粉的质量，确保水泥产品质量受控。

表8　钢渣粉和矿渣粉不同掺量时水泥胶砂强度的试验结果

3　结语

（1）钢渣粉做水泥混合材使用时，比表面积控制在400～450m2/kg范围内比较适宜。

（2）钢渣粉对水泥的凝结时间、安定性及强度均有一定影响，其中，钢渣粉对凝结时间的影响为：掺量≤15%时影响不大，＞15%时则影响大幅增加。钢渣粉对水泥安定性的影响为：掺量≤30%时沸煮及压蒸安定性合格，＞30%时沸煮法出现不合格；钢渣粉对强度的影响为：随钢渣粉掺量的增加，水泥强度呈线性下降趋势。

（3）钢渣粉和矿渣粉制备P·O42.5水泥，当熟料粉为85%时，钢渣粉与矿渣粉按7:8比例复合效果最佳；钢渣粉和矿渣粉复合制备P·C32.5R水泥，当熟料粉为50%时，钢渣粉与矿渣粉按15:35比例复合效果最佳。

考虑到钢渣成分波动和熟料粉来源的变化可能会造成其产品质量波动，在实际生产应用过程中应严格控制熟料粉的质量，并对钢渣粉质量进行监控，以保证水泥产品质量。

[1]张玉柱，雷云波，李俊国，等.钢渣矿相组成及其显微形貌分析[J].冶金分析，2011，31（9）：11-17.

[2]侯新凯，徐德龙，杨南如，李虎森.转炉钢渣矿物相分析和水化反应动力学[J].冶金环境保护，2012，（1）：14-26.

[3]张爱萍，李永鑫.钢渣复合掺合料配制混凝土的工作性能与力学性能研究[J].混凝土，2006,（6）：38-41.

[4]唐卫军，任中兴，朱建辉.钢渣矿渣微粉复合掺合料在混凝土中的应用[J].中国废钢铁，2006，3（6）：32-34.

[5]李辽沙，于学峰，余亮.转炉钢渣中磷元素的分布[D].中国科学院上海冶金研究所.材料物理与化学（专业）博士论文，2000.

[6]夏晖，雷娜，俞岳灿，贺烽.影响水泥需水量的主要因素和控制方法[J].水泥工程，2013，（3）：6-9.

Research on the Performance of Steel Slag and its Application in Cement

ZHANG Aiquan
(Rizhao Steel Co.,Ltd.Shandong,Rizhao,276806)

Taking the Rizhao Steel Co.,Ltd.heat-stewed pulverized steel slag as research object,study the affect of the performance of steel slag with different fineness to develop its application and the influence of steel slag powder content on the properties of cementitious materials,found the suitable composition of steel slag powder, slag powder applied to different strength grade cement.It＇s good for steel slag powder production and provides a beneficial reference using it as cement mixed material.

heat-stewed pulverized steel slag;active index;cementitious materials performance

TQ172.44

A

1001-6171（2016）05-0035-05

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