钢渣粉做水泥掺合料的研究与探讨

开发应用 钢渣粉做水泥掺合料的研究与探讨 朱跃刚 ,李灿华 ,程勇 (武汉钢铁集团公司冶金渣有限责任公司 ,湖北 武汉 430082) 　　[摘 　要 ]研究了武钢钢渣粉作为水泥掺合料用于普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和钢渣矿渣水泥的应 用情况 ,提出了最适宜掺量以及有关配方。研究了钢渣粉掺量对水泥安定性和水化热的影响 ,并探讨了钢渣活 性 ,为武钢磨细钢渣粉在水泥生产中的应用提供了技术依据。 [关键词 ]钢渣粉 ;强度 ;安定性 ;水化热 Study on the Steel2slag Powder of W ISCO Used a s a K ind of Blend ing M a ter ia l for Cem en t Zhu Yuegang, L i Canhua, Cheng Yong (Metallurgical Slag Co. L td. of W ISCO , W uhan 430082, China) 　　Abstract: This paper has studied the app lication ofW ISCO steel slag fine powder which used as a kind of blending material for cement in the making of Portland cement, compound Portland cement and iron - steel slag cement, and put forward the best ratio. The paper has also discussed the effect of the steel slag fine powder to the stability and hydrating heat of cement, the activity of the steel slag, and p rovided technological foundation for the use of steel slag fine powder in the cement p roduction. Keywords: steel slag fine powder; strength; invariability; hydrating heat [收稿日期 ]2005 - 08 - 22 [作者简介 ]朱跃刚 (1959 - ) ,男 ,江苏连云港人 ,高级经济师 ,研究方向 :冶金渣的开发与利用研究。 　　每年排放钢渣 1900万 t,有效利用率很低 ,大约为 50%。 我国在 20世纪 60年代就开始了钢渣水泥的研制与生产。 1982年中国推出了钢渣矿渣水泥品种 ,生产使用至今已有 20多年的历史。1999年朱桂林 [ 1 ]提出了高标号钢渣水泥和 钢渣粉、矿渣粉做水泥和混凝土掺合料的研究。目前的钢渣 生产的水泥基本上都是 325号水泥 ,已不能满足建筑业的需 要 ,而且由于钢渣水泥还存在着凝结时间长、早期强度低的 缺陷 ,产品销售不是很理想 ,使有些企业陷入了困境 ,这成为 钢渣用于水泥的主要障碍。 武钢的钢渣经过前期的预处理和粉磨 ,比面积达到 400～500m2 / kg,与水泥的细度相当。由于武钢钢渣的化学 成分和矿物组成也接近于水泥熟料 ,因此可以作为水泥的混 合材料 ,制备较高强度的水泥。采用水泥熟料、粒化高炉矿 渣粉、磨细钢渣粉 ,在钢渣粉掺量从 10% ～45%的大范围内 , 经过近百组配比试验 ,得到了比较好的规律性结果。由此阐 明了武钢磨细钢渣粉在水泥中的行为和对水泥性能的影响 , 提出了适合于高强度水泥的磨细钢渣的性能和成分要求以 及钢渣和矿渣之间的合理匹配。通过本项研究 ,筛选出一批 掺有适量钢渣的 525#和 425#普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐 水泥、钢渣矿渣水泥的配方及其制备工艺条件。这一研究成 果为武钢磨细钢渣粉在水泥生产中的应用提供了技术依据。 从而对实现钢铁企业钢渣零排放、促进企业可持续发展、保 护环境、为建筑工程提供优质建材都有一定意义。 1　试验 将各种原料分别预先磨细 ,然后按照 GB175 - 1999、 GB12958 - 1991、GB13590 - 1992规定的比例配合、混合 ,制 成水泥。按照 GB177 - 1985、GB1346 - 2001规定的方法测定 掺有磨细钢渣粉的水泥强度、用压蒸法测定掺有磨细钢渣粉 的水泥样品的安定性 ,测定掺钢渣粉对水泥水化放热量的影 响。 1. 1原料 试验所用原料的性能参数见表 1。 95　2005年第 11期 广 　东 　化 　工 表 1　原料参数表 密度 / ( g·cm - 3 )比表面积 / (m2 ·kg - 1 )备注 熟料 3. 10 300 SO3 含量 42. 66wt% 二水石膏 2. 56 549 SO3 含量 48. 79wt% 硬石膏 2. 94 345 钢渣 3. 12 459 矿渣 2. 87 449 1. 2强度试验 1. 2. 1普通硅酸盐水泥 在水泥中掺入 15%以下的钢渣粉或矿渣粉 ,配制成普通 硅酸盐水泥 ,强度测定结果见表 2。可以看出 ,无论是单独掺 加 10%钢渣粉和 15%钢渣粉、还是复合掺加 10%钢渣粉 + 5%矿渣粉制成的普通硅酸盐水泥 ,强度等级都达到 52. 5R 的标准 ,而且与未掺钢渣粉的纯硅酸盐水泥相比较强度都有 所提高。 表 2　掺钢渣粉的普通硅酸盐水泥配比和强度测定结果 编号 配比 熟料 钢渣 矿渣 石膏 抗折强度 /MPa 3d 7d 28d 抗压强度 /MPa 3d 7d 28d 强度等级 比重 / ( g·cm - 3 ) 比表面积 / (m2 ·kg - 1 ) W1 95 0 0 5 6. 3 7. 3 7. 3 32. 7 41. 0 54. 4 52. 5R 3. 07 331 W2 80 10 5 5 6. 1 7. 6 8. 3 33. 2 44. 4 55. 8 52. 5R 3. 06 392 W3 85 10 0 5 6. 2 7. 1 8. 0 33. 8 41. 7 53. 2 52. 5R 3. 08 390 W4 80 15 0 5 6. 4 7. 2 7. 7 33. 4 42. 3 53. 2 52. 5R 3. 08 398 Y26 85 10 0 5 6. 3 7. 5 9. 1 35. 7 47. 0 55. 9 52. 5R 3. 09 404 W11 80 0 15 5 6. 0 7. 2 8. 9 32. 4 43. 6 59. 6 52. 5R 3. 04 396 　　注 :编号中 W系列掺加二水石膏 , Y系列掺加硬石膏 1. 2. 2复合硅酸盐水泥 表 3给出了熟料含量 45% ～70%、钢渣粉掺加量 10% ～ 30%、复合掺加钢渣粉和矿渣粉的复合硅酸盐水泥的配比及 强度测定结果。在水泥中掺入 15%以下的钢渣粉或矿渣粉 , 配制成复合硅酸盐水泥 ,强度测定结果见表 3。可以看出 ,当 矿渣粉掺量固定时 ,钢渣粉数量增加使水泥强度逐步下降 : 矿渣粉为 15%时 ,掺加 10% 、20% 、30%钢渣粉的水泥强度 等级分别为 52. 5R、42. 5R和 42. 5;矿渣粉为 30%时 ,掺加 10% 、20% 、30%钢渣粉的水泥强度等级分别为 52. 5、42. 5 和 42. 5。特别值得注意的是 ,复合掺加 10%钢渣粉 + 15% 矿渣粉制成的复合硅酸盐水泥强度等级仍然达到 52. 5R的 标准 ,与未掺钢渣粉的纯硅酸盐水泥相当。图 1作出了矿渣 量一定时水泥强度随钢渣数量的变化。 表 3　掺钢渣粉的复合硅酸盐水泥配比和强度测定结果 编号 配比 熟料 钢渣 矿渣 石膏 抗折强度 /MPa 3d 7d 28d 抗压强度 /MPa 3d 7d 28d 强度等级 比重 / ( g·cm - 3 ) 比表面积 / (m2 ·kg - 1 ) W14 70 10 15 5 5. 4 6. 9 8. 3 29. 0 40. 7 57. 0 52. 5R 3. 04 418 W15 60 20 15 5 5. 0 6. 4 8. 2 25. 2 36. 0 50. 8 42. 5R 3. 04 427 W16 50 30 15 5 4. 3 5. 6 8. 3 19. 6 29. 8 45. 9 42. 5 3. 04 437 W17 55 10 30 5 5. 3 6. 7 9. 0 24. 7 36. 2 57. 8 52. 5 3. 01 430 W18 45 20 30 5 4. 2 5. 8 9. 2 18. 9 29. 7 51. 4 42. 5 3. 01 436 Y21 55 10 30 5 5. 2 6. 9 9. 7 25. 7 37. 9 58. 9 52. 5R 3. 03 437 　　注 :编号中 W系列掺加二水石膏 , Y系列掺加硬石膏 图 1　矿渣掺量为 15%时水泥强度随钢渣掺量的变化 1. 2. 3钢渣矿渣水泥 表 4给出了熟料含量 35%、钢渣粉和矿渣粉掺加量均为 30%的钢渣矿渣水泥的配比及强度测定结果。在水泥中掺 入 15%以下的钢渣粉或矿渣粉 ,配制成普通 ,强度测定结果 见表 3。可以看出无论是用二水石膏还是用硬石膏 ,水泥的 强度等级都达到了 425#。 06 广 　东 　化 　工 2005年第 11期 　 表 4　掺钢渣粉的钢渣矿渣水泥配比和强度测定结果 编号 配比 熟料 钢渣 矿渣 石膏 抗折强度 /MPa 3d 7d 28d 抗压强度 /MPa 3d 7d 28d 强度等级 比重 / ( g·cm - 3 ) 比表面积 / (m2 ·kg - 1 ) Y20 35 30 30 5 4. 1 6. 0 9. 2 16. 8 27. 0 49. 0 42. 5 3. 03 452 W19 35 30 30 5 3. 4 5. 1 8. 5 14. 6 23. 9 44. 0 42. 5 3. 01 448 　　　注 :编号中 W系列掺加二水石膏 , Y系列掺加硬石膏 1. 2. 4单掺钢渣粉对水泥强度的影响规律 表 5给出了熟料含量 50% ～75%、钢渣粉掺加量为 20% ～45%的水泥的配比及强度测定结果。由于尚没有相应的 水泥标准 ,表中借用矿渣硅酸盐水泥的标准进行评价。可以 看出 ,钢渣粉数量增加使水泥强度逐步下降 :钢渣粉在 20% ～35%范围内 ,水泥强度等级为 42. 5R;钢渣粉在 40%和 45%时 ,水泥强度等级为 32. 5R。采用硬石膏时 ,钢渣粉在 20% 、35% 、45%时的水泥强度等级分别为 52. 5R、42. 5R和 32. 5R。而矿渣粉掺加量为 30%和 45%的矿渣硅酸盐水泥 的强度等级均为 42. 5R。图 2和图 3给出了水泥强度随钢渣 粉掺加量的变化规律。 表 5　单掺钢渣粉或矿渣粉的水泥配比和强度测定结果 编号 配比 熟料 钢渣 矿渣 石膏 抗折强度 /MPa 3d 7d 28d 抗压强度 /MPa 3d 7d 28d 强度等级 比重 / ( g·cm - 3 ) 比表面积 / (m2 ·kg - 1 ) W5 75 20 0 5 5. 9 6. 8 7. 6 31. 7 39. 2 48. 6 42. 5R 3. 08 406 W6 70 25 0 5 5. 5 6. 5 7. 6 29. 6 37. 7 48. 1 42. 5R 3. 08 413 W7 65 30 0 5 5. 5 6. 1 7. 5 28. 2 35. 1 45. 1 42. 5R 3. 08 421 W8 60 35 0 5 5. 0 6. 0 7. 2 26. 2 31. 6 42. 9 42. 5R 3. 08 428 W 9 55 40 0 5 4. 8 6. 0 6. 9 24. 2 29. 5 40. 0 32. 5R 3. 08 435 W10 50 45 0 5 4. 4 5. 3 6. 4 21. 1 25. 5 35. 6 32. 5R 3. 08 445 W12 65 0 30 5 5. 2 6. 7 7. 3 28. 0 35. 4 52. 2 42. 5R 3. 00 412 W13 50 0 45 5 4. 6 6. 0 7. 0 21. 7 32. 7 49. 3 42. 5R 2. 97 431 Y23 70 25 0 5 5. 9 7. 5 8. 7 29. 6 41. 7 52. 9 52. 5R 3. 10 428 Y24 60 35 0 5 5. 6 6. 9 7. 9 25. 8 35. 3 46. 3 42. 5R 3. 10 436 Y22 50 45 0 5 4. 8 6. 2 7. 4 21. 5 30. 3 40. 9 32. 5R 3. 10 448 　　　注 :编号中 W系列掺加二水石膏 , Y系列掺加硬石膏 图 2　水泥抗折强度随钢渣掺加数量的变化 图 3　水泥抗压强度随钢渣掺加量的变化 1. 3掺加钢渣粉的水泥安定性试验 由于钢渣粉中存在一些可能造成安定性不良的成分 ,比 如游离 CaO、MgO、FeO、金属铁等 ,必须对钢渣粉进行安定性 试验。本项研究采用压蒸法进行试验 ,这一方法是目前可以 采用的条件最苛刻的方法。在水泥中单独掺加 30%和 45% 武钢磨细钢渣粉 ,其中掺 45%钢渣粉的水泥中分别采用二水 石膏和硬石膏 ,配制成水泥。三个压蒸试验用的水泥编号分 别是表 6中 W 7、W 10和 Y22。压蒸试验由国家水泥质量监 督检验中心按照国家标准 GB /T750 - 92进行。测定结果见 表 6。试验数据表明 ,三个水泥的压蒸安定性都是合格的。 表 6　掺加钢渣粉的水泥压蒸安定性测试结果 编号 钢渣粉掺量 /% 压蒸膨胀 率 /% 标准规定合格 膨胀率 / % 安定性 W7 30 0. 14 合格 W10 45 0. 17 ≤0. 50 合格 Y22 45 0. 20 合格 　注 :编号中 W系列掺加二水石膏 , Y系列掺加硬石膏 16　2005年第 11期 广 　东 　化 　工 1. 4掺加钢渣粉的水泥水化热试验 掺入混合材料后水泥的水化热通常应该有所降低 ,对于 大体积混凝土而言 ,胶凝材料的水化热是造成混凝土绝热温 度升温的主要原因。因此 ,最大幅度地降低胶凝材料的水化 热对于混凝土的耐久性是十分重要的。 表 7列出了混合物的配合比例以及 1d、3d、7d的水化 热 ,其中混合材料总量均为 40%。由测试结果得知 ,六个样 品按照水化热数值大小可以分为三组 :第一组是水化热最高 的未掺混合材料的纯中热水泥 ;第二组是水化热次之的两个 样品 :掺 40%磨细矿渣粉的 2 #样品、掺 20%磨细矿渣粉和 20%磨细钢渣粉的 5#样品 ,即复合掺钢渣粉和矿渣粉的水化 热与单掺矿渣粉相近 ;第三组为水化热最低的三个样品 :掺 40%磨细钢渣粉的 3#样品、掺 40%粉煤灰的 4#样品、掺 20% 磨细钢渣粉和 20%粉煤灰的 6#样品。即单掺钢渣粉或复合 掺入钢渣粉和粉煤灰的水化热与单掺粉煤灰相近。这三个 样品 12h的水化热仅为纯中热水泥的一半左右 , 1d仅为其 2 /3左右 , 7d水化热为其 3 /4左右。可见掺钢渣粉可以显著 降低水化放热量 ,因而可以大大降低混凝土的绝热升温。这 对于大体积混凝土和夏季施工来说是十分有利的。 表 7　水化热试验的样品配比和测定结果 编号 配比 /% 水泥 钢渣粉 矿渣粉 粉煤灰 水化热 / ( kJ·kg - 1 ) 1d 3d 7d W31 100 0 0 0 175. 1 226. 4 253. 6 W32 60 0 40 0 113. 9 178. 2 238. 8 W33 60 40 0 0 116. 1 162. 4 194. 2 W34 60 0 0 40 113. 1 160. 2 194. 1 W35 60 20 20 0 116. 5 181. 6 230. 2 W36 60 20 0 20 107. 4 156. 5 192. 6 2　钢渣做水泥掺合料的机理探讨 2. 1反应机理 转炉渣的化学成分、岩相结构、水化过程、水化产物、水 化性能都与水泥熟料相似。主要含有 SiO2、A l2O3、Fe2O3、 FeO、CaO、MgO、MnO、P2O5、SO3、Fe等。随着炼钢过程中 CaO的不断加入 ,钢渣碱度 A = w ( CaO ) / [ w ( SiO2 ) + w ( P2O5 ) ]不断提高 ,矿物组成逐渐变化 ,主要的化学反应有 : 2 (CaO·RO·SiO2 ) + CaO = 3CaO·RO·2SiO2 + RO 3CaO·RO·2SiO2 + CaO = 2 (2CaO·SiO2 ) + RO 2CaO·SiO2 + CaO = 3CaO·SiO2 式中 RO为 MgO、FeO和 MnO的固溶体。当碱度在 2～3 时矿物是以 C2 S为主的多种组合的固溶体 [ 2 ] ,加上 C3MS2 共 占 60% ～70% (质量分数 ,下同 ) ,有少量 C3 S (占 5% ) ,还有 20%～30%的 RO、CaO等。当碱度大于 3时 ,是以 C3 S为主 (55%左右 ) , C2 S占 10% ～20% ,还有少量的 RO、f - CaO 等 ,占 25%左右。因此碱度较高时 ,钢渣中含有较多的 C3 S 和 C2 S,具有一定的水硬活性。由于硅酸盐水泥熟料的生成 温度为 1460℃以上 ,但钢渣的生成温度在 1560℃以上 ,其矿 物结晶致密 ,晶粒较大 ,因此 ,钢渣为过烧的低质硅酸盐熟 料 ,水化速度缓慢。 2. 2钢渣活性的激化 2. 2. 1化学激化 通过加入晶核并提高液相碱度的方法来加速其水化硬 化过程。钢渣作水泥基材料掺合料 ,一般加入石膏或其他碱 性激发剂。据研究 ,利用烧石膏作为激发剂 ,提高钢渣水泥 早期强度明显 [ 3 ]。水化 28d时 ,钢渣水泥中有害粗大孔数量 减少 ,使微细孔分布更趋合理 ,孔结构性能改善 ,使其抗渗 性、抗侵蚀性提高。 2. 2. 2机械激发 利用机械方法提高钢渣的细度 ,增大钢渣中矿物与水的 接触面积 ,提高矿物与水的作用力 ,使其钢渣结构结晶度下 降而减少晶体的结合键 ,从而使水分子容易进入矿物内部 , 加速水化反应。当钢渣比表面积达到 400m2 / kg时 ,具有非 常高的活性 ,可作为一种高活性掺合料来使用 [ 4 ]。武钢磨细 钢渣粉的比表面积为 (450 ±50) m2 / kg。对钢渣作水泥掺合 料进行研究得出 :掺较细钢渣的水泥抗压强度较大 ,因而较 大的比表面积增加了水化速度。在混凝土中掺加磨细钢渣 粉具有良好的后期安定性 [ 5 ]。磨细钢渣粉由于粉磨到了一 定细度 ,游离的 CaO和 MgO被活化 ,在水泥水化早期就参与 反应 ,不会造成混凝土的破坏。通过机械粉磨 ,并在一定激 发剂作用下 ,能充分发挥钢渣的活性 [ 6, 7 ]。 3　结论 (1)掺入武钢磨细钢渣粉可以制备高强度的普通硅酸盐 水泥、复合硅酸盐水泥和钢渣矿渣水泥。与纯硅酸盐水泥相 比 ,掺 10%与 15%钢渣粉制成的普通硅酸盐强度不降低 ,有 时还略有提高 ,水泥强度等级达到 52. 5R。固定矿渣粉掺量 15%或 30% ,钢渣粉掺量为 10% ～30%时 ,复合硅酸盐水泥 强度等级可以分别达到 52. 5R、42. 5R和 42. 5。同时掺加 30%钢渣粉和 30%矿渣粉的钢渣矿渣水泥强度标号高于 425#,相当于 ISO标准的 42. 5强度等级。单独掺加 35%钢 渣粉的水泥可以达到 42. 5R的强度等级要求。 (2)掺加武钢磨细钢渣粉的水泥安定性良好。压蒸膨胀 试验表明 ,即使掺入 45%的武钢磨细钢渣粉 ,水泥的安定性 均合格。 (3)掺入武钢磨细钢渣粉可以大大降低胶凝材料的水化 热。无论是单独掺加钢渣粉 ,还是与粉煤灰复合掺入 ,其降 低水化热的效果都是与单掺粉煤灰相近 ,优于掺矿渣粉。这 有利于降低混凝土的绝热升温 ,适宜制备大体积的混凝土。 复合掺钢渣粉和矿渣粉时对水化热的降低效果与单掺矿渣 粉时相近。 参 考 文 献 [ 1 ]朱桂林 ,孙树杉. 中国钢铁渣利用的现状和发展方向 [ A ]. 冶金渣 处理与利用国际研讨会论文集 [ C ]. 北京 :中国金属学会 , 1999, (11) : 9 - 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