鋼渣粉作混凝土摻合料的研究

摘要

研究了轉爐鋼渣粉和電爐渣粉、鋼渣和高爐礦渣雙摻粉的活性及渣粉摻量與混凝土性能的關系。鋼渣粉的比表面積增大，其渣粉活性提高。鋼渣粉可作為混凝土摻合料。鋼渣粉與礦渣粉復合使用，效果更好，活性指數可達S95等級要求。因此鋼渣粉和礦渣粉復合使用是鋼渣高價值利用的最佳途徑。
關健詞: 鋼渣粉混凝土摻合料 1 引言
中國每年排出鋼渣量約1900萬噸，有效利用率約為50%1982年中國推出了鋼渣礦渣水泥品種，生產使用至今己有近三十年歷史。爾后，作者重點研究了鋼渣和礦渣的機械激發(fā)活性的機理，并用于生產。1999年在北京召開的冶金渣處理利用國際研討會上，筆者發(fā)表了高標號鋼渣水泥和鋼渣粉、礦渣粉作水泥和混凝土摻合料的技術報告，并提出這是鋼渣高價值利用的發(fā)展方向。近兩年來對國內外20余個鋼鐵廠的鋼鐵渣進行了成分、活性及作水泥、混凝土摻合料的試驗研究。為鋼鐵企業(yè)建設渣粉廠提供技術依據。這對實現鋼鐵企業(yè)鋼渣零排放、促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護環(huán)境、為建筑工程提供優(yōu)質建材都有一定意義。
2 試驗原材料及方法
2.1 鋼渣
2.1.1 鋼渣的化學成分
采用荷蘭菲利浦PW1 400X-熒光光譜分析測定試驗用鋼渣的化學成分，結果見表1。
表1 鋼渣的化學成分

種類	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Fe2O3	FeO	MnO	TiO2	P2O5	K2O	Na02
轉爐渣	11.03	2.78	46.89	8.97	13.82	9.84	0.43	0.82	1.29	0.07	--
電爐渣	16.17	2.75	35.73	6.45	8.42	23.62	3.91	0.55	1.10	0.03	0.01

轉爐鋼渣堿度B=CaO/(SiO2+P205) =3.81，屬高堿度鋼渣。
2.1.2 鋼渣的礦物組成

鋼渣的礦物組成與其堿度Ca0/(Si02+P205)有關。電爐鋼渣的B= CaO/(SiO2+P205)=2.07，屬中堿度鋼渣。在冶煉過程中，堿度逐漸提高，則依次發(fā)生下列取代反應: CaO+RO+SiO2→CaO.R0.SiO22(CaO.R0.SiO2)→3CaO.R0.2SiO2+R03CaO.R0.2SiO2+CaO→2CaO.Si02+RO2CaO.Si02 +CaO→3CaO.Si02 式中 RO 代表二價金屬(一般為Mg+2、Fe+2、Mn+2) 氧化物的連續(xù)固熔體。
鋼渣中含有硅酸鹽水泥熟料相似的硅酸二鈣(C2S )和硅酸三鈣(C3S)，高堿度轉爐鋼渣中其兩者含量在50%以上，中、低堿度的鋼渣中主要為C2S，電爐鋼渣中硅酸鹽礦物含量略低。鋼渣的生成溫度為1560℃以上，而硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度在1400℃左右。鋼渣中的生成溫度高，其結晶致密，晶粒較大，水化速度緩慢。因此將鋼渣又稱為過燒硅酸鹽水泥熟料。
2.2 ?；郀t礦渣粉
?；郀t礦渣的化學成分見表2,
表2 礦渣的化學成分 %

SiO2	TiO2	AlO2	Fe2O3	MnO	CaO	MgO	K2O	Na02
33.25	1.62	14.36	1.73	0.41	35.85	10.67	0.80	/

CaO+MgO+Al2O3 高爐礦渣的質量系數K= ----------------------- =1.73Si02+MnO+TiO2
2.3 試驗用強度等級為52.5硅酸鹽水泥，性能見表3.
表3 水泥性能

比表面積m2/kg	凝結時間 h:min		安定性	擾折強度MPa			抗壓強度MPa
比表面積m2/kg	初凝	終凝	安定性	3d	7d	28d	3d	7d	28d
300	2:08	3:46	合格	6.4	7.6	8.9	29.0	41.2	55.8

2.4 骨料
細骨料為北京龍鳳山中砂，細度模數為2.85，含泥1.0%，表觀密度2.62g/cm3堆積密度為1555kg/m3粗骨用河北沙河碎石，粒徑為5~20mm，含泥量0.3%，針片狀含量4.8%，表現密度2.75g/cm3，堆積密度1464kg/m3
2.5 外加劑
采用 JG- 2高效減水劑，減水率在20%以上。
(1) 渣粉比表面積按GB/T8074進行。 (2 ) 渣粉的活性指數及流動度按GB/T18046-2000進行。 (3 )混凝土的強度和坍落度按GBJ81及GBJ80進行。
3 試驗結果與分析
3.1不同比表面積鋼渣粉的活性指數
為了測定鋼渣粉的活性，參照GB/T18046的方法，分別作了比表面積為358. 452. 556. 631m2/kg電爐鋼渣粉和比表面為356. 456, 558, 654m2/kg轉爐的鋼渣粉的活性指數試驗(ISO法)，結果列于表4表4 鋼渣粉活性指數

樣品名稱	比表面積m2/kg	抗壓強度MPa		活性指數		級別
樣品名稱	比表面積m2/kg	7d	28d	7d	28d	級別
對比樣	300	41.2	55.8	100	100	--
電爐鋼渣	358	23.4	39.7	57	71	--
電爐鋼渣	452	24.9	42.6	60	76	S75
電爐鋼渣	556	25.1	43.5	60	78	S75
電爐鋼渣	631	25.2	48.7	61	87	S75
轉爐鋼渣	356	28.6	42.7	70	77	S75
轉爐鋼渣	456	28.7	43.8	70	78	S75
轉爐鋼渣	558	29.2	45.9	71	82	S75
轉爐鋼渣	654	30.1	49.1	73	88	S75

從表4試驗結果可以看出:純鋼渣粉的活性指數比較低。隨著鋼渣粉與表面積的增大，活性指數提高。轉爐鋼渣粉比電爐鋼渣粉的活性高。電爐鋼渣粉比表面為358M2/kg 時，達不到GB/T18046的技術要求，比表面積大于452M2/kg 時，可達到S75級別指標。轉爐鋼渣粉比表面積在356M2/kg 以上，均可達到S75級別指標。
3.2 不同比表面積鋼渣粉的流動度
流動度比是試驗樣品的流動度和對比樣品的流動度之比。試驗結果列于表5。
表5 鋼渣粉的流動度比

樣品名稱	對比樣	電爐鋼渣				轉爐鋼渣
比表面積m2/kg	300	358	452	556	631	356	456	558	654
流動度mm	180	182	185	189	189	180	184	184	187
流動度比%	100	101	103	105	105	100	102	102	104

從表 5試驗結果可知，鋼渣粉具有良好的流動度，隨著渣細度大，流動度值增大。
3.3 鋼渣粉推f與混凝性能的關系
鋼渣粉取代部分水泥的混凝土性能試驗結果見表6
表6 鋼渣粉摻量與混凝土性能的關系

渣粉品種		電爐鋼渣粉(452m2/kg)					轉爐鋼渣粉(558 m2/kg)
渣粉取代量%		0	10	20	30	40	0	10	20	30	40
抗壓強度MPa	R7	56.7	53.4	52.2	48.1	36.6	56.7	53.6	52.8	51.8	40.4
抗壓強度MPa	R28	68.6	68.7	61.4	58.8	45.6	68.6	68.9	63.4	61.1	56.1
坍落度mm		4.5	2.5	2.5	2.5	2.5	4.5	2.5	2.5	2.5	2.5

注: 每m 3混凝土材料用量(kg): 膠材總量400，水152，砂795，石子1053， JG-2減水劑1.0%，水膠比38%，砂率43%
表 6可知 :鋼渣粉取代水泥量為10%時，混凝土的7天強度降低、28天強度提高。渣粉取代量為20%-40%,隨著摻量的增加，混凝土強度隨之降低。混凝土的坍落度沒有改善。
3.4 鋼泣和礦泣雙扮粉的活性指致和流動度
目前我國鋼渣和高爐礦渣的產量比約為3:7.鋼渣和礦渣雙摻粉中兩者質量比按此比例設計。雙摻渣粉活性指數和流動度比試驗結果列于表7
表7 雙摻渣粉活性指數和流動度比

樣品名稱	抗壓強度MPa		活性指數%		流動度mm	流動度比%	級別
樣品名稱	7d	28d	7d	28d	流動度mm	流動度比%	級別
對比樣	41.2	55.8	100	100	106	100	---
電爐鋼渣	31.7	53.1	79	95	120	113	S95
轉爐鋼渣	33.0	58.0	80	104	113	107	S95

注:鋼渣粉與礦渣粉的比表面積均為465m2/kg
從表 7可知:30%的鋼渣粉與70%的礦渣粉復合，其活性指數可達S95等級，且流動度良好。
3.5 鋼渣和礦渣雙摻粉與混凝土性能的關系
鋼渣粉與礦渣粉的質量比為3:7 ，分別取代水泥量的10%, 20%, 30%, 40%,進行混凝土性能試驗，混凝土配合比與表6相同，結果列于表8
表 8 雙摻粉(465 m2/kg)的摻量與混凝土性能的關系

渣粉取代水泥量%		0	10	20	30	40
抗壓強度MPa	R7	56.7	55.0	54.4	52.7	48.6
抗壓強度MPa	R28	68.6	69.7	68.9	67.2	63.3
坍落度mm		4.5	6.0	12.0	13.0	15.0

從表 8試驗結果可知:鋼渣與礦渣雙摻粉取代水泥量為10%~20%時，混凝土的強度提高，取代量大于加20%，強度下降。摻入渣粉后7天強度均降低。雙摻渣粉取代水泥量的10%~30%與不摻渣粉相同均可配制C60的混凝土。雙摻渣粉混凝土的坍落度增大。
4 結論
(1 )鋼渣中含有硅酸二鈣(C2S),具有一定水硬活性。鋼渣粉的比表面積在452m2/kg以上時.按GB/T18064的方法測定，可達到S75等級技術指標。

(2) 鋼渣粉可作混凝土摻合料使用。膠材總量為400kg/m3,鋼渣粉等量取代10%水泥與不摻渣粉相同，也可配制C60的混凝土。取代量為20%~40%,混凝土強度下降。鋼渣粉對混凝土的坍落度影響不大。
(3 )鋼渣粉與礦渣粉按質量比3:7制成雙摻渣粉，比表面積為465 m2/kg，可達到S95等級技術指標。
(4) 膠材總量為400kg/m3，雙摻渣粉等量取代水泥10%和20%,混凝土28天強度提高。取代量為30%, 28天強度略降低。取代水泥量10%~20%，與不摻渣粉相同，也可配制C60的混凝土。雙摻渣粉可增大混凝土的坍落度。
(5 )鋼渣粉與礦渣粉復合制成雙摻粉，等量取代水泥，可提高混凝土28天強度，改善流動度，是鋼鐵渣高價值利用的重要途徑。參考文獻
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2 朱桂林等，利用鋼渣制造水泥的研究，地球環(huán)境與鋼鐵工業(yè)國際研討會論文集，中國金屬學會，1998.4.P264-268.
3 朱桂林孫樹杉，煉鋼爐渣在建筑材料工業(yè)中應用，臺灣工業(yè)廢棄物資源比技術國際研討會文集，1999.4，第四分冊P1-14
4 朱桂林等，鋼渣道路水泥，中國科學技術協會第二屆青年學會會議論文集，中國技出版社，1995.6, P397-402
5 朱桂林孫樹杉趙群，冶金渣資源化利用的現狀和發(fā)展趨勢, 2001年冶金能源環(huán)保技術會議文集，中國金屬學會，2001.6. P234-246