钢渣粉作混凝土掺合料的研究

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摘要

研究了转炉钢渣粉和电炉渣粉、钢渣和高炉矿渣双掺粉的活性及渣粉掺量与混凝土性能的关系。钢渣粉的比表面积增大，其渣粉活性提高。钢渣粉可作为混凝土掺合料。钢渣粉与矿渣粉复合使用，效果更好，活性指数可达S95等级要求。因此钢渣粉和矿渣粉复合使用是钢渣高价值利用的最佳途径。
关健词: 钢渣粉 混凝土 掺合料 1 引言
中国每年排出钢渣量约1900万吨，有效利用率约为50%1982年中国推出了钢渣矿渣水泥品种，生产使用至今己有近三十年历史。尔后，作者重点研究了钢渣和矿渣的机械激发活性的机理，并用于生产。1999年在北京召开的冶金渣处理利用国际研讨会上，笔者发表了高标号钢渣水泥和钢渣粉、矿渣粉作水泥和混凝土掺合料的技术报告，并提出这是钢渣高价值利用的发展方向。近两年来对国内外20余个钢铁厂的钢铁渣进行了成分、活性及作水泥、混凝土掺合料的试验研究。为钢铁企业建设渣粉厂提供技术依据。这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。
2 试验原材料及方法
2.1 钢渣
2.1.1 钢渣的化学成分
采用荷兰菲利浦PW1 400X-荧光光谱分析测定试验用钢渣的化学成分，结果见表1。
表1 钢渣的化学成分

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

转炉钢渣碱度B=CaO/(SiO2+P205) =3.81，属高碱度钢渣。
2.1.2 钢渣的矿物组成

钢渣的矿物组成与其碱度Ca0/(Si02+P205)有关。电炉钢渣的B= CaO/(SiO2+P205)=2.07，属中碱度钢渣。在冶炼过程中，碱度逐渐提高，则依次发生下列取代反应: 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 代表二价金属(一般为Mg+2、Fe+2、Mn+2) 氧化物的连续固熔体。
钢渣中含有硅酸盐水泥熟料相似的硅酸二钙(C2S )和硅酸三钙(C3S)，高碱度转炉钢渣中其两者含量在50%以上，中、低碱度的钢渣中主要为C2S，电炉钢渣中硅酸盐矿物含量略低。钢渣的生成温度为1560℃以上，而硅酸盐水泥熟料的烧成温度在1400℃左右。钢渣中的生成温度高，其结晶致密，晶粒较大，水化速度缓慢。因此将钢渣又称为过烧硅酸盐水泥熟料。
2.2 粒化高炉矿渣粉
粒化高炉矿渣的化学成分见表2,
表2 矿渣的化学成分 %

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 高炉矿渣的质量系数K= ----------------------- =1.73Si02+MnO+TiO2
2.3 试验用强度等级为52.5硅酸盐水泥，性能见表3.
表3 水泥性能

比表面积m2/kg	凝结时间 h:min		安定性	扰折强度MPa			抗压强度MPa
	初凝	终凝		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
细骨料为北京龙凤山中砂，细度模数为2.85，含泥1.0%，表观密度2.62g/cm3堆积密度为1555kg/m3粗骨用河北沙河碎石，粒径为5~20mm，含泥量0.3%，针片状含量4.8%，表现密度2.75g/cm3，堆积密度1464kg/m3
2.5 外加剂
采用 JG- 2高效减水剂，减水率在20%以上。
(1) 渣粉比表面积按GB/T8074进行。 (2 ) 渣粉的活性指数及流动度按GB/T18046-2000进行。 (3 )混凝土的强度和坍落度按GBJ81及GBJ80进行。
3 试验结果与分析
3.1不同比表面积钢渣粉的活性指数
为了测定钢渣粉的活性，参照GB/T18046的方法，分别作了比表面积为358. 452. 556. 631m2/kg电炉钢渣粉和比表面为356. 456, 558, 654m2/kg转炉的钢渣粉的活性指数试验(ISO法)，结果列于表4表4 钢渣粉活性指数

样品名称	比表面积m2/kg	抗压强度MPa		活性指数		级别
		7d	28d	7d	28d
对比样	300	41.2	55.8	100	100	--
电炉钢渣	358	23.4	39.7	57	71	--
电炉钢渣	452	24.9	42.6	60	76	S75
电炉钢渣	556	25.1	43.5	60	78	S75
电炉钢渣	631	25.2	48.7	61	87	S75
转炉钢渣	356	28.6	42.7	70	77	S75
转炉钢渣	456	28.7	43.8	70	78	S75
转炉钢渣	558	29.2	45.9	71	82	S75
转炉钢渣	654	30.1	49.1	73	88	S75

从表4试验结果可以看出:纯钢渣粉的活性指数比较低。随着钢渣粉与表面积的增大，活性指数提高。转炉钢渣粉比电炉钢渣粉的活性高。电炉钢渣粉比表面为358M2/kg 时，达不到GB/T18046的技术要求，比表面积大于452M2/kg 时，可达到S75级别指标。转炉钢渣粉比表面积在356M2/kg 以上，均可达到S75级别指标。
3.2 不同比表面积钢渣粉的流动度
流动度比是试验样品的流动度和对比样品的流动度之比。试验结果列于表5。
表5 钢渣粉的流动度比

样品名称	对比样	电炉钢渣				转炉钢渣
比表面积m2/kg	300	358	452	556	631	356	456	558	654
流动度mm	180	182	185	189	189	180	184	184	187
流动度比%	100	101	103	105	105	100	102	102	104

从表 5试验结果可知，钢渣粉具有良好的流动度，随着渣细度大，流动度值增大。
3.3 钢渣粉推f与混凝性能的关系
钢渣粉取代部分水泥的混凝土性能试验结果见表6
表6 钢渣粉掺量与混凝土性能的关系

渣粉品种		电炉钢渣粉(452m2/kg)					转炉钢渣粉(558 m2/kg)
渣粉取代量%		0	10	20	30	40	0	10	20	30	40
抗压强度MPa	R7	56.7	53.4	52.2	48.1	36.6	56.7	53.6	52.8	51.8	40.4
	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): 胶材总量400，水152，砂795，石子1053， JG-2减水剂1.0%，水胶比38%，砂率43%
表 6可知 :钢渣粉取代水泥量为10%时，混凝土的7天强度降低、28天强度提高。渣粉取代量为20%-40%,随着掺量的增加，混凝土强度随之降低。混凝土的坍落度没有改善。
3.4 钢泣和矿泣双扮粉的活性指致和流动度
目前我国钢渣和高炉矿渣的产量比约为3:7.钢渣和矿渣双掺粉中两者质量比按此比例设计。双掺渣粉活性指数和流动度比试验结果列于表7
表7 双掺渣粉活性指数和流动度比

样品名称	抗压强度MPa		活性指数%		流动度mm	流动度比%	级别
	7d	28d	7d	28d
对比样	41.2	55.8	100	100	106	100	---
电炉钢渣	31.7	53.1	79	95	120	113	S95
转炉钢渣	33.0	58.0	80	104	113	107	S95

注:钢渣粉与矿渣粉的比表面积均为465m2/kg
从表 7可知:30%的钢渣粉与70%的矿渣粉复合，其活性指数可达S95等级，且流动度良好。
3.5 钢渣和矿渣双掺粉与混凝土性能的关系
钢渣粉与矿渣粉的质量比为3:7 ，分别取代水泥量的10%, 20%, 30%, 40%,进行混凝土性能试验，混凝土配合比与表6相同，结果列于表8
表 8 双掺粉(465 m2/kg)的掺量与混凝土性能的关系

渣粉取代水泥量%		0	10	20	30	40
抗压强度MPa	R7	56.7	55.0	54.4	52.7	48.6
	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

从表 8试 验结果可知:钢渣与矿渣双掺粉取代水泥量为10%~20%时，混凝土的强度提高，取代量大于加20%，强度下降。掺入渣粉后7天强度均降低。双掺渣粉取代水泥量的10%~30%与不掺渣粉相同均可配制C60的混凝土。双掺渣粉混凝土的坍落度增大。
4 结论
(1 )钢渣中含有硅酸二钙(C2S),具有一定水硬活性。钢渣粉的比表面积在452m2/kg以上时.按GB/T18064的方法测定，可达到S75等级技术指标。

(2) 钢渣粉可作混凝土掺合料使用。胶材总量为400kg/m3,钢渣粉等量取代10%水泥与不掺渣粉相同，也可配制C60的混凝土。取代量为20%~40%,混凝土强度下降。钢渣粉对混凝土的坍落度影响不大。
(3 )钢渣粉与矿渣粉按质量比3:7制成双掺渣粉，比表面积为465 m2/kg，可达到S95等级技术指标。
(4) 胶材总量为400kg/m3，双掺渣粉等量取代水泥10%和20%,混凝土28天强度提高。取代量为30%, 28天强度略降低。取代水泥量10%~20%，与不掺渣粉相同，也可配制C60的混凝土。双掺渣粉可增大混凝土的坍落度。
(5 )钢渣粉与矿渣粉复合制成双掺粉，等量取代水泥，可提高混凝土28天强度，改善流动度，是钢铁渣高价值利用的重要途径。 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，冶金渣处理与利用国际研讨会论文集，中国金属学会，1999.11,P9-14
2 朱桂林等，利用钢渣制造水泥的研究，地球环境与钢铁工业国际研讨会论文集，中国金属学会，1998.4.P264-268.
3 朱桂林 孙树杉，炼钢炉渣在建筑材料工业中应用，台湾工业废弃物资源比技术国际研讨会文集，1999.4，第四分册P1-14
4 朱桂林等，钢渣道路水泥，中国科学技术协会第二届青年学会会议论文集，中国技出版社，1995.6, P397-402
5 朱桂林 孙树杉 赵群，冶金渣资源化利用的现状和发展趋势, 2001年冶金能源环保技术会议文集，中国金属学会，2001.6. P234-246

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