鋼渣對水泥性能影響研究
摘 要：鋼渣經過熱燜後，基本解決了其安定性問題，但其具有一定活性。將熱燜鋼渣取代部分三三、萬年青兩種水泥進行流動度、強度等試驗研究。研究結果表明：熱燜後的鋼渣與減水劑兼容性良好，萬年青水泥與減水劑相容性要比三三水泥好一些；熱燜鋼渣的活性低，鋼渣在水泥石中參與化學反應少，更多的作用是填充。
關鍵詞：熱燜；強度；流動度；填充
0 引言
我國鋼渣綜合利用率低於 30%[1]，作為鍊鋼過程中產生廢棄物嚴重汙染著生態環境。研究表明傳統處理的鋼渣由於慢冷鋼渣含有 f-CaO、f-MgO 易帶來安定不良等問題，同時也因為塊體大，鐵含量高，不易被研磨，這些因素都是造成我國鋼渣利用低的原因。
根據礦物分析，鋼渣含有與水泥熟料相似的礦物成分，具有與水泥相似活性的潛力。為了提高鋼渣利用率，人們採用各種方法，如熱燜法、水淬法、風淬法、熱潑法等，解決安定性或耐磨性等問題。近十幾年熱燜法是各大鋼廠推廣的一種新技術，該方法對設備要求高，其基本工藝：液態鋼渣、運輸至熱燜車間、傾入熱燜罐（渣池）、封蓋灑水、熱燜、開蓋鏟運至深加工車間等，經過該處理後鋼渣可被研磨成比表面積超過 400 m2/kg 微粉，f-CaO、f-MgO總體含量能夠小於 1%，徹底解決了安定和耐磨性的問題。但是由於熱燜過程，存在水蒸氣和高溫過程，會使與水泥數量相近礦物產生水化反應，可能影響鋼渣潛在的活性。
因此，為了研究熱燜後鋼渣的活性，本文將熱燜鋼渣取代部分水泥進行水泥淨漿流動性和水泥膠砂強度試驗，分析鋼渣活性，為鋼渣在水泥及相關應用提供借鑑。
1 原材料
熱燜鋼渣：鋼渣化學成分主要為CaO、SiO2、A12O3、Fe2O3、 FeO、MgO、MnO 等，其組成礦物有 C3S、C2S、C2F、CA、由 FeO、 MgO、MnO、CaO 形成固溶體的 RO 相等物相有硅酸鈣相、鐵酸鈣相和 RO 相[8-11]。鋼渣中雖然含有少量 C2S、C3S 和鐵鋁酸鹽，使其具有膠凝性，但其含量比水泥熟料少，礦物晶體發育較大且較完整，造成了其活性較低[3]。
水泥：水泥為 P·O 42.5R 級水泥，品牌分別為萬年青和三三，其主要技術指標見表 1，化學成分見表 2，礦物成分見表 3。
砂：試驗所用砂分為兩種，一是天然河砂，砂的細度模數為 2.9，中砂，堆積密度為 1610 kg/m3，表觀密度為 2650 kg/m3，另一種是標準砂，兩種砂的具體篩分結果見表4，級配曲線見圖 1。由圖 1 可知，河砂的級配屬於 II 類（見 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》）。
減水劑：試驗所用的減水劑為福建省新華外加劑公司生產的聚羧酸系高效減水劑，其基本技術參數如表 6 所示。
2 試驗方法
主要進行水泥的流動性試驗和膠砂力學性能試驗，其主要內容為：
（1）流動性：鋼渣取代部分水泥，參照 GBT 8077—2012 《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行流動度試驗，根據初試試驗，選定水膠比為 0.30，鋼渣和水泥的總質量為 300 g。
（2）基本力學性能：用熱燜鋼渣取代水泥摻量為 0、10%、 20%、30%，膠凝材料與砂用量質量為 1∶3，水膠比為 0.5，試驗用砂為標準和河砂，試件成型與操作參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》，測定抗折強度和抗壓強度。
3 流動性能試驗結果與分析
3.1 減水劑兼容性能研究
聚羧酸減水劑是目前最常用減水劑，但是由於水泥混合材複雜，且對減水劑的適應性不一樣，通過兩種水泥的流動性試驗，檢測減水劑與水泥相容性，具體見圖 2。根據圖 2 可知，整體上，隨著減水劑增加，水泥漿的流動性逐漸增大，但是在減水劑摻量為 1.0%時產生突變，且隨著著減水劑的增加，擴展度增加不明顯。從圖2 兩條曲線對比可知，萬年青水泥的擴展度值均比三三水泥好，同時在減水劑摻量超過 1.0%時，萬年青擴展度比三三大 30~40 mm，說明萬年青水泥顆粒能夠被減水劑分散的數量要多於三三水泥，即萬年青水泥與減水劑相容性比三三水泥的好。
3.2 熱燜鋼渣摻量對水泥流動性影響研究
如圖 3 所示,與圖 2 表現出類似的規律,在減水劑摻量為 1.0%時,曲線產生突變,隨著減水劑摻量增加,擴展度繼續增大的幅度不是很明顯,即說明了減水劑所能吸附膠凝材料的能力已經達到或者超過膠凝材料的數量;圖 3所示,隨著鋼渣摻量在 0~30%範圍增加,鋼渣與水泥組成的混合漿液的擴展度並沒有明顯改變,這可說明鋼渣顆粒跟大部分水泥顆粒一樣能夠被減水劑所分散;圖 3 中萬年青的水泥流動性曲線整體在三三水泥的流動性的上方,結合圖 2 可以看出,隨著鋼渣摻量增加,在減水劑摻量達到1.0% 後,萬年青水泥的擴展度比三三要大 30~40 mm｡
因此,從減水劑兼容性試驗和兩種水泥流動性試驗分析可知,熱燜後的鋼渣與減水劑兼容性良好,三三水泥不可被分散的顆粒要比萬年青的多,即萬年青的與減水劑相容性要比三三水泥好一些｡
4 力學性能試驗結果與分析
利用標準砂和河砂作為骨料成型膠砂試件，進行 28 d 齡期的膠砂抗壓與抗折試驗，試驗結果見表 7（標準砂）、表8（河砂）。
4.1 砂的骨料作用研究
從圖 4 的膠砂抗折強度、圖 5 的膠砂抗壓強度可以看出，當鋼渣摻量為 0 時，萬年青水泥的抗折、抗壓強度明顯高於三三水泥的相應強度；同時對於同一種水泥，骨料為河砂的膠砂(抗折､抗壓)強度高於標準砂的相應強度｡究其原因,主要由於膠砂強度取決於水泥石､骨料與水泥黏結強度､骨料的骨架結構作用,且從圖1 可以看出,河砂的最大顆粒明顯大於標準砂,且河砂總比表較小,細度模數較大､河砂菱角性較明顯等,決定了河砂在骨架作用､骨料與水泥黏結強度形成上好於標準砂｡
4.2 熱燜鋼渣對水泥力學性能影響研究
從圖 4、5 可知，隨著鋼渣摻量增加，膠砂的強度總體上呈下降趨勢，僅僅萬年青水泥膠砂在摻量為 10%時，膠砂的抗折強度有所提高，但之後就一直下降，此時比水泥更細的熱燜鋼渣主要是起填充作用，加強了水泥石密實度和黏結強度，而熱燜鋼渣的活性並沒有表現出來，即說明熱燜鋼渣的活性低，甚至可能沒有活性。同時，在同一種水泥時，隨著鋼渣摻量增大，其強度逐漸減小，且骨料為河砂的膠砂強度要高於標準砂的，即可說明鋼渣活性較低；在熱燜鋼渣摻量為 30%時，利用萬年青測得鋼渣的活性指數為 77.8%，三三水泥測得鋼渣的活性指數卻為 70.8%，即可說明活性指數受水泥質量影響，同時也可說明鋼渣在水泥石中參與化學反應很少，更多的作用是填充。
4.3 結論
通過利用熱燜鋼渣取代不同品種水泥的不同摻量進行流動性、力學性能研究，可得如下結論：
（1）萬年青水泥與減水劑相容性比三三水泥的好；熱燜後的鋼渣與減水劑兼容性良好。
（2）河砂的最大顆粒明顯大於標準砂，且河砂總比表較小，細度模數較大、河砂菱角性較明顯等，決定了河砂在骨架作用、骨料與水泥黏結強度形成上好於標準砂。
（3）熱燜鋼渣的活性低，鋼渣在水泥石中參與化學反應很少，更多的作用是填充。
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