用于水泥的电炉氧化钢渣粉比表面积的优化

张 辉

（秦皇岛职业技术学院 教务科研处， 河北 秦皇岛 066100）

冶金废渣的再生利用问题一直是我国钢铁企业发展的核心问题之一。钢渣作为炼钢产物的钢渣，其产量占粗钢的 20%左右。2012年，我国的粗钢产量已超过7亿t，其中电炉钢产量的产量超过7000 万t，电炉氧化钢渣的产量达到400 万 t。随着国家供给侧结构性改革的提出，我国的粗钢产量增速将会逐步放缓，钢材蓄积量将会逐步增加，大量利用废钢的短流程电炉钢和相应排放的氧化渣量将会逐步增加。而国内当前对电炉钢渣的再生利用尚无比较先进的处理技术。近几年，国内一些学者研究了钢渣在水泥和混凝土中的应用[1-8]，但关于电炉钢渣在这方面应用的研究还相对较少。

研究[2,8]表明，钢渣粉的比表面积对水泥试件的力学性能具有重要影响，随着钢渣粉的比表面积的增大，其活性数越大，水化和趋于稳定的速度加快。反之，钢渣粉的比表面积越小，其活性数变小，稳定速度变慢。 然而，增大钢渣粉的比表面积会造成生产成本的提高，因此，通过研究，寻找合适的钢渣粉比表面积具有重要意义。

本文研究将5种具有不同比表面积的电炉氧化钢渣粉用于水泥中，制成掺钢渣粉的水泥试件，测试它们的力学性能，通过建立钢渣粉的比表面积与试件力学性能之间的关系，寻找合适的钢渣粉比表面积，为钢渣粉在水泥中的应用提供参考。

1 试验部分

1.1 样品制备

本试验对实验室环境温度要求为20±2 ℃，相对湿度大于50%。试件养护箱和养护箱水温温度要求均为20±1 ℃，相对湿度大于90%。

称好钢渣粉135g、标准水泥（42.5）315 g、水225g、标准砂1350g，并将钢渣粉和标准水泥混合均匀。先将水加入搅拌锅内，然后加入钢渣粉和标准水泥混合物，低速搅拌30 s后，加入标准砂，再高速搅拌30 s。停机90 s后，在15 s内将叶片和锅壁上的胶砂刮入锅中，再高速旋转60 s。将搅拌好的胶砂装入试件模中成型，将试模放入养护箱养护24 h，脱模后立即放在养护水中养护，制备出水泥试件样品。试件龄期从水泥加水搅拌时开始算起。

本试验选取5种电炉氧化钢渣粉，比表面积（实测结果）分别为315、369、412、458和509 m2/kg，将制成的水泥试样分别记为样品1、2、3、4和5。另备标准水泥对照样，记为样品6，其配料比例为水泥450 g、水225 g和标准砂1350 g，不含钢渣粉。

1.2 力学性能测试

首先进行抗折强度试验，加荷圆柱的加载速度为50 ±10 N/s。再进行抗压试验，加载速度为2400±200 N/s。活性指数按样品与标准样抗压强度的比值计算。每个样品测试5次，取平均值作为试验结果。

2 结果与讨论

图1 各试样在7d和28d龄期的抗折强度

图2 各试样在7d和28d龄期的抗压强度

图3 各试样在7d和28d龄期的活性指数

图1和图2分别显示了各试样在7d和28d龄期的抗折强度和抗压强度。可以看出，与标准样相比（试样6），掺杂了钢渣粉的各试样（试样 1-5）的抗折强度和抗压强度均相对较低。这说明在水泥中添加钢渣粉会导致力学性能下降，这可能是因为钢渣粉的胶凝水平比标准水泥低，在水泥中添加钢渣粉导致整体胶凝水平下降。从两图中还可以看出，对于具有相同比表面积掺杂钢渣制成的试样，28 d龄期的抗折强度和抗压强度均高于7 d龄期。对于相同龄期的试样，抗折强度和抗压强度均随掺杂钢渣的表面积增大而增大。图3显示了各试样在7d和28d龄期的活性指数，可以看出活性指数的变化情况与上述的力学性能分析一致。

由以上3图可见，当钢渣粉的比表面积从319提高到369 m2/kg时，抗折强度、抗压强度及活性指数均稍有提高；当钢渣粉的比表面积从369提高到412 m2/kg，这三项指标均有显著提高；当钢渣粉的比表面积从412提高到458和509 m2/kg时，这三项指标的提高均不明显。

GB-13950-2006《钢渣硅酸盐水泥》标准对42.5水泥的要求是28 d龄期的抗折强度达到6.5 MPa，抗压强度达到42.5 Mpa。本试验5个样品的相关指标均满足该标准要求，其中试验值最低的试样1的抗折强度和抗压强度分别达到7.3 和45.4 Mpa。

GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》对28 d龄期42.5水泥活性指数的要求为一级达到80%，二级达到65%。本试验5个样品的活性指数均满足该标准二级要求，其中试验值最低的试样1的活性指数为69.5%。

通过以上分析可以说明，当电炉氧化钢渣粉的比表面积为412 m2/kg时较为合理，因为当比表面积从此值降到369 m2/kg时，试样的各项性能指标均会显著下降，此外，GB-13950-2006《钢渣硅酸盐水泥》标准对钢渣粉表面积的要求为不低于400 m2/kg。当比表面积从此值继续增加时，各项性能指标增加均不再明显，会造成为提高钢渣粉比表面积而带来的生产成本增加。

3 结论

本文研究了用于水泥中的电炉氧化钢渣粉的比表面积对水泥试件性能的影响，结果显示：试件的试样的抗折强度、抗压强度及活性指数均随钢渣粉表面积的提高而提高。当钢渣粉的比表面积从319提高到369 m2/kg时，各项性能指标稍有提高；当比表面积从369提高到412 m2/kg时，各项性能指标指标有显著提高；当比表面积从412提高到458和509 m2/kg时，各项性能指标提高不明显。比较而言，当钢渣粉的比表面积为412 m2/kg时较为合理。