超细钢渣粉与超细S95矿粉复和性能的研究

廖述聪，吴小缓，马 黎，王雪蕊（建筑材料工业技术情报研究所，北京100000）

0 引言

2019年我国的粗钢产量为9.9亿t[1]，以每生产10t粗钢，约排放12%～20%的钢渣计算，估计2019年我国排放钢渣约1.2～2.0亿t。如能将大量的钢渣有效地利用，将大大缓解目前建材行业原材料短缺、价格高涨的境况。但因钢渣普遍存在易磨性差、活性低、安定性不良等问题，导致其在建材领域中的利用有限[2]。

众所周知，钢渣超细化是改善钢渣性能的重要途径，也一直是人们探索的方向，但大多工艺存在产量低、能耗高等问题[3]，多年来一直未能实现钢渣超细规模化生产。鉴于此，国家建筑材料工业技术情报研究所/建筑材料行业工业固废利用工程技术研究中心，经过多年不懈努力，开发出球磨超细粉磨专利技术，实现了低电耗下大产量生产比表面积＞700 m2/kg的超细钢渣粉的技术突破，并成功实现产业化。以此技术生产的超细钢渣粉各方面性能得到极大提升，与超细S95矿粉按一定质量比复合，得到性能优于S95矿粉的超细复合粉，能广泛的应用于水泥、混凝土生产中，实现了钢渣在建材领域的高值化利用。本文以该超细粉磨工艺制备的超细钢渣粉和超细S95矿粉为原材料，探究了不同复合比例的超细复合粉的活性指数、流动度比、需水量比、初凝时间比、安定性，论证了超细复合粉相对于S95矿粉的优势。

1 试验

1.1 试验原材料

钢渣：吉林通钢破碎后的钢渣，河南某厂立磨粉磨后的钢渣粉。矿粉：河北某厂的S95矿粉。水泥：混凝土外加剂检验专用P·I42.5基准水泥。标准砂：中国ISO标准砂。

1.2 超细粉制备

采用实验室Φ500mm×500mm标准磨机进行超细粉磨，磨内配备具有专利技术的特殊级配研磨体，单次粉磨5kg，粉磨时间为50min。超细粉磨钢渣时需过0.2mm筛，S95矿粉直接粉磨。吉林钢渣破碎后，先用球磨机粗粉磨，过筛后再超细粉磨；河南钢渣粉直接过筛后超细粉磨。

1.3 试验方法

（1）超细钢渣粉粒度分布测试。使用欧美克公司生产的LS-909E高性能干法激光粒度分析仪对超细钢渣粉进行粒度分布测试。

（2）超细钢渣粉活性、流动度比、初凝时间比、体积安定性试验。超细钢渣粉活性、流动度比试验按照GBT 20497—2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》进行。试验配比见表1。

初凝时间比的测试方法参考GBT 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中粒化高炉矿渣粉》中的附录A进行。

表1 超细钢渣粉活性试验配合比 g

安定性测试方法按照GBT 20497—2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准进行，采用沸煮法。其中钢渣粉和基准水泥按照质量比3∶7混合制成。

（3）超细钢渣粉与矿粉复配试验。复合超细粉需水量比试验参考GBT 18736—2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》进行测试，试验配比及结果见表7。复合超细粉的活性指数和流动度比参照GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》规定的方法测试，试验配比见表2。

表2 流动度比及活性指数试验配合比 g

2 试验结果与分析

2.1 超细钢渣粉粒度分布测试

由表3和图1，2可知，两种钢渣经过超细粉磨后，超细钢渣粉中位粒径都远小于10 μm，微细粉含量高，且粒度分布均匀。

表3 超细钢渣粉粒度分布

图1 吉林超细钢渣粉粒度分布图

图2 河南超细钢渣粉粒度分布图

这是由于该超细粉磨工艺对磨机和研磨体进行了创新设计和改造，相对普通球磨机，钢渣一次受磨时间相对延长、粉磨温升低、微细粉不易结团，所以超细钢渣粉粒度较细，颗粒分布良好[4]。

2.2 超细钢渣粉活性、流动度、初凝时间、安定性试验

由表4可以看出，吉林和河南超细钢渣粉的7d、28d活性指数分别都能超过90%、100%，流动度比都能达到130%以上。7d、28d活性指数和流动度比均远高于GB/T 20497—2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》中Ⅰ级钢渣粉的要求。

表4 超细钢渣粉流动度比、活性指数试验结果

因为超细钢渣粉颗粒比水泥要细很多，能填充于水泥颗粒之间的空隙中，密实了粉体结构，减小了空隙率，则有一部分水因钢渣粉的填充被替代出来，游离水增多，故流动性增加。由于超细粉磨，破坏了钢渣表面因高温形成的钝化层，提高了钢渣粉的表面能，增加了钢渣粉的反应活性，同时由于颗粒间空隙率变小，浆体结构更加密实，强度得到提高[5]。

由表5可知，超细钢渣粉和超细S95矿粉质量比7∶3的超细复合粉，其初凝时间比均小于200%，满足GBT18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中的要求。

表5 初凝时间比结果 %

采用沸煮法测试吉林和河南的纯超细钢渣粉以及超细钢渣粉与超细S95矿粉质量比7∶3的超细复合粉体积安定性。由表6可知，沸煮结束后雷氏夹膨胀值均＜0.5，试饼均未发现裂缝，可以判定安定性合格。

因为钢渣安定性问题主要是由于钢渣中含有f-CaO、f-MgO引起的。在钢渣超细粉磨过程中，f-CaO、f-MgO得以均匀分散，水化初期遇水迅速充分反应，避免了对安定性的不利影响[6]。

表6 体积安定性结果

2.3 超细钢渣粉与矿粉复配试验

由表7可知，吉林超细钢渣粉和超细S95矿粉质量比7∶3的超细复合粉，河南超细钢渣粉和超细S95矿粉质量比6∶4的超细复合粉，需水量比都小于95%。因S95矿粉没有需水量比的技术要求，故采用GB/T18736—2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》检测，结果说明超细复合粉需水量比满足标准中的Ⅱ级磨细矿渣的要求。

表7 需水量比试验结果

由表8可以看出，所有不同复合比例的超细复合粉的流动度比均在120%～140%之间，满足GBT 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣》中的要求。

表8 流动度比试验结果

这是由于超细复合粉具有比水泥更高的比表面积，其填充效应可减小胶凝体系的空隙率，使粉体结构更密实，同时释放出多余的水，使游离水增加，故流动性提高、需水量比减小[7]。

由表9可知：随着矿粉的用量增加，超细复合粉活性指数逐渐提高。所有不同复合比例的超细复合粉7d、28d活性指数均分别超过100%、95%，满足GBT 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣》中S95矿粉的要求。

这是因为超细钢渣粉和超细矿粉复合时可以较好地发挥超叠加效应，在碱性环境下，其中硅、铝组份溶出，并和钙离子和氢氧根离子反应生成C-S-H凝胶、Aft等水化产物，促进强度的增长。同时，超细钢渣粉中的f-CaO水化生成CH，促进了矿粉的水化反应；超细复合粉在胶凝体系中起的物理填充密实作用，也使得强度得到较大提高[8]。

表9 活性指数试验结果 %

3 结论

（1）通过超细粉磨后的吉林钢渣粉和河南钢渣粉7d的活性分别达到97.2%、91.4%，28d活性指数分别达到108.7%、100.6%，流动度比分别达到134.18%、137.38%，远超过Ⅰ级钢渣粉的要求。

（2）吉林、河南超细钢渣粉，以及超细钢渣粉与超细S95矿粉质量比7∶3的超细复合粉的体积安定性、初凝时间比以及需水量比，各项指标均合格。

（3）吉林、河南超细钢渣粉与超细S95矿粉分别按质量比7∶3、6∶4、5∶5复合的超细复合粉，7d、28d活性指数分别超过100%、95%，需水量比均小于95%，流动度比均大于120%，各复合比例的超细复合粉都能达到S95矿粉要求。