武钢钢渣粉在水泥中应用的实验室研究.doc

中国水泥协会 数字水泥网 武钢钢渣粉在水泥中应用的实验室研究 李灿华 （武汉钢铁集团公司冶金渣有限责任公司，湖北 武汉430082） [摘 要]在实验室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 Experiment Study on the Steel-slag Powder of WISCO Applied to Cement Li Canhua Metallurgical Slag Co. Ltd., of WISCO,Wuhan430082 AbstractThis paper has researched the application of WISCO 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 provided technological foundation for the use of steel slag fine powder in the cement production. Key words steel slag fine powder；strength；invariability；hydrating heat 武钢的钢渣经过前期的预处理和粉磨，比表面积达到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到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实验室试验 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。 表1 原料参数表 密度g/cm3 比表面积m2/kg 备注 熟料 3.10 300 二水石膏 2.56 549 SO3含量42.66wt 硬石膏 2.94 345 SO3含量48.79wt 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 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa） 强度等级 比重（g/cm3） 比表面积（m2/kg） 熟料 钢渣 矿渣 石膏 3d 7d 28d 3d 7d 28d 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4570、钢渣粉掺加量1030、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65。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 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa） 强度等级 比重（g/cm3） 比表面积（m2/kg） 熟料 钢渣 矿渣 石膏 3d 7d 28d 3d 7d 28d 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。 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 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa） 强度等级 比重（g/cm3） 比表面积（m2/kg） 熟料 钢渣 矿渣 石膏 3d 7d 28d 3d 7d 28d 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5075、钢渣粉掺加量为2045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2035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 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa） 强度等级 比重（g/cm3） 比表面积（m2/kg） 熟料 钢渣 矿渣 石膏 3d 7d 28d 3d 7d 28d 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67中W7、W10和Y22。压蒸试验有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68。试验数据表明，三个水泥中虽然掺加了30和45钢渣粉，但是它们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 ≤0.50 合格 W10 45 0.17 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 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1天、3天、7天的水化热，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水化热最高的是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12小时的水化热仅为纯中热水泥的一半左右，一天仅为其2/3左右，7天水化热为其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（） 水化热KJ/kg 水泥 钢渣粉 矿渣粉 粉煤灰 1天 3天 7天 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、Al2O3、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AwCaO/[wSiO2wP2O5]不断提高，矿物组成逐渐变化主要的化学反应有 2CaOROSiO2CaO3CaORO2SiO2RO 3CaORO2SiO2CaO22CaOSiO2RO 2CaOSiO2CaO3CaOSiO2 式中RO为MgO、FeO和MnO的固溶体。当碱度在23时矿物是以C2S为主的多种组合的固溶体[1]，加上C3MS2共占6070（质量分数，下同），有少量C3S（占5），还有2030以上的RO、CaO等。当碱度大于3时，是以C3S为主（55左右），C2S占1020，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C3S和C2S，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[2]。水化28天时，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[3]。武钢磨细钢渣粉的比表面积为（45050）m2/kg。对钢渣作水泥掺合料进行研究的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[4]。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 [5，6]。 3结论 3.1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1030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。 3.2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。 3.3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]王涛，电炉钢渣应用技术研究[J].冶金环境保护，1999，（5）5867。 [2]李勇，孙树杉，提高钢渣水泥的强度和改善其性能的研究[J].冶金工业部建筑研究总院院刊，1998，（4）5461。 [3]李军华，钢渣微粉在水泥及混凝土中的作用[J].山东建材，2002，（4）21-22。 [4]孙家瑛，磨细钢渣对混凝土力学性能及安定性能影响研究，粉煤灰，2003（5）79。 [5]陈益民等，磨细钢渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J].水泥，2001，（5）14。 [6]朱桂林等，钢渣粉作混凝土掺合料的研究[J].废钢铁，2002，（4）2932。