鋼渣粉作混凝土摻合料的研究

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摘要

研究了轉(zhuǎn)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(guān)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(fù)合使用，效果更好，活性指數(shù)可達(dá)S95等級(jí)要求。因此鋼渣粉和礦渣粉復(fù)合使用是鋼渣高價(jià)值利用的最佳途徑。
關(guān)健詞: 鋼渣粉 混凝土 摻合料 1 引言
中國(guó)每年排出鋼渣量約1900萬(wàn)噸，有效利用率約為50%1982年中國(guó)推出了鋼渣礦渣水泥品種，生產(chǎn)使用至今己有近三十年歷史。爾后，作者重點(diǎn)研究了鋼渣和礦渣的機(jī)械激發(fā)活性的機(jī)理，并用于生產(chǎn)。1999年在北京召開的冶金渣處理利用國(guó)際研討會(huì)上，筆者發(fā)表了高標(biāo)號(hào)鋼渣水泥和鋼渣粉、礦渣粉作水泥和混凝土摻合料的技術(shù)報(bào)告，并提出這是鋼渣高價(jià)值利用的發(fā)展方向。近兩年來(lái)對(duì)國(guó)內(nèi)外20余個(gè)鋼鐵廠的鋼鐵渣進(jìn)行了成分、活性及作水泥、混凝土摻合料的試驗(yàn)研究。為鋼鐵企業(yè)建設(shè)渣粉廠提供技術(shù)依據(jù)。這對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)鋼渣零排放、促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境、為建筑工程提供優(yōu)質(zhì)建材都有一定意義。
2 試驗(yàn)原材料及方法
2.1 鋼渣
2.1.1 鋼渣的化學(xué)成分
采用荷蘭菲利浦PW1 400X-熒光光譜分析測(cè)定試驗(yàn)用鋼渣的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。
表1 鋼渣的化學(xué)成分

種類	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Fe2O3	FeO	MnO	TiO2	P2O5	K2O	Na02
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)。電爐鋼渣的B= CaO/(SiO2+P205)=2.07，屬中堿度鋼渣。在冶煉過(guò)程中，堿度逐漸提高，則依次發(fā)生下列取代反應(yīng): 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(jià)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(zhuǎn)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(jié)晶致密，晶粒較大，水化速度緩慢。因此將鋼渣又稱為過(guò)燒硅酸鹽水泥熟料。
2.2 粒化高爐礦渣粉
?；郀t礦渣的化學(xué)成分見表2,
表2 礦渣的化學(xué)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(zhì)量系數(shù)K= ----------------------- =1.73Si02+MnO+TiO2
2.3 試驗(yàn)用強(qiáng)度等級(jí)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(jié)時(shí)間 h:min		安定性	擾折強(qiáng)度MPa			抗壓強(qiáng)度MPa
	初凝	終凝		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
細(xì)骨料為北京龍鳳山中砂，細(xì)度模數(shù)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(xiàn)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(jìn)行。 (2 ) 渣粉的活性指數(shù)及流動(dòng)度按GB/T18046-2000進(jìn)行。 (3 )混凝土的強(qiáng)度和坍落度按GBJ81及GBJ80進(jìn)行。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1不同比表面積鋼渣粉的活性指數(shù)
為了測(cè)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(zhuǎn)爐的鋼渣粉的活性指數(shù)試驗(yàn)(ISO法)，結(jié)果列于表4表4 鋼渣粉活性指數(shù)

樣品名稱	比表面積m2/kg	抗壓強(qiáng)度MPa		活性指數(shù)		級(jí)別
		7d	28d	7d	28d
對(duì)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(zhuǎn)爐鋼渣	356	28.6	42.7	70	77	S75
轉(zhuǎn)爐鋼渣	456	28.7	43.8	70	78	S75
轉(zhuǎn)爐鋼渣	558	29.2	45.9	71	82	S75
轉(zhuǎn)爐鋼渣	654	30.1	49.1	73	88	S75

從表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出:純鋼渣粉的活性指數(shù)比較低。隨著鋼渣粉與表面積的增大，活性指數(shù)提高。轉(zhuǎn)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(shí)，達(dá)不到GB/T18046的技術(shù)要求，比表面積大于452M2/kg 時(shí)，可達(dá)到S75級(jí)別指標(biāo)。轉(zhuǎn)爐鋼渣粉比表面積在356M2/kg 以上，均可達(dá)到S75級(jí)別指標(biāo)。
3.2 不同比表面積鋼渣粉的流動(dòng)度
流動(dòng)度比是試驗(yàn)樣品的流動(dòng)度和對(duì)比樣品的流動(dòng)度之比。試驗(yàn)結(jié)果列于表5。
表5 鋼渣粉的流動(dòng)度比

樣品名稱	對(duì)比樣	電爐鋼渣				轉(zhuǎn)爐鋼渣
比表面積m2/kg	300	358	452	556	631	356	456	558	654
流動(dòng)度mm	180	182	185	189	189	180	184	184	187
流動(dòng)度比%	100	101	103	105	105	100	102	102	104

從表 5試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼渣粉具有良好的流動(dòng)度，隨著渣細(xì)度大，流動(dòng)度值增大。
3.3 鋼渣粉推f與混凝性能的關(guān)系
鋼渣粉取代部分水泥的混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果見表6
表6 鋼渣粉摻量與混凝土性能的關(guān)系

渣粉品種		電爐鋼渣粉(452m2/kg)					轉(zhuǎn)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(qiáng)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): 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(shí)，混凝土的7天強(qiáng)度降低、28天強(qiáng)度提高。渣粉取代量為20%-40%,隨著摻量的增加，混凝土強(qiáng)度隨之降低?；炷恋奶涠葲]有改善。
3.4 鋼泣和礦泣雙扮粉的活性指致和流動(dòng)度
目前我國(guó)鋼渣和高爐礦渣的產(chǎn)量比約為3:7.鋼渣和礦渣雙摻粉中兩者質(zhì)量比按此比例設(shè)計(jì)。雙摻渣粉活性指數(shù)和流動(dòng)度比試驗(yàn)結(jié)果列于表7
表7 雙摻渣粉活性指數(shù)和流動(dòng)度比

樣品名稱	抗壓強(qiáng)度MPa		活性指數(shù)%		流動(dòng)度mm	流動(dòng)度比%	級(jí)別
	7d	28d	7d	28d
對(duì)比樣	41.2	55.8	100	100	106	100	---
電爐鋼渣	31.7	53.1	79	95	120	113	S95
轉(zhuǎn)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(fù)合，其活性指數(shù)可達(dá)S95等級(jí)，且流動(dòng)度良好。
3.5 鋼渣和礦渣雙摻粉與混凝土性能的關(guān)系
鋼渣粉與礦渣粉的質(zhì)量比為3:7 ，分別取代水泥量的10%, 20%, 30%, 40%,進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)，混凝土配合比與表6相同，結(jié)果列于表8
表 8 雙摻粉(465 m2/kg)的摻量與混凝土性能的關(guān)系

渣粉取代水泥量%		0	10	20	30	40
抗壓強(qiáng)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

從表 8試 驗(yàn)結(jié)果可知:鋼渣與礦渣雙摻粉取代水泥量為10%~20%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度提高，取代量大于加20%，強(qiáng)度下降。摻入渣粉后7天強(qiáng)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(jié)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(shí).按GB/T18064的方法測(cè)定，可達(dá)到S75等級(jí)技術(shù)指標(biāo)。

(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(qiáng)度下降。鋼渣粉對(duì)混凝土的坍落度影響不大。
(3 )鋼渣粉與礦渣粉按質(zhì)量比3:7制成雙摻渣粉，比表面積為465 m2/kg，可達(dá)到S95等級(jí)技術(shù)指標(biāo)。
(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(qiáng)度提高。取代量為30%, 28天強(qiáng)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(fù)合制成雙摻粉，等量取代水泥，可提高混凝土28天強(qiáng)度，改善流動(dòng)度，是鋼鐵渣高價(jià)值利用的重要途徑。 參 考 文 獻(xiàn)
1 朱桂林 孫樹杉，中國(guó)鋼鐵渣利用的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，冶金渣處理與利用國(guó)際研討會(huì)論文集，中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，1999.11,P9-14
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(guó)際研討會(huì)論文集，中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，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(yīng)用，臺(tái)灣工業(yè)廢棄物資源比技術(shù)國(guó)際研討會(huì)文集，1999.4，第四分冊(cè)P1-14
4 朱桂林等，鋼渣道路水泥，中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)第二屆青年學(xué)會(huì)會(huì)議論文集，中國(guó)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(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì), 2001年冶金能源環(huán)保技術(shù)會(huì)議文集，中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2001.6. P234-246

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