钢渣对水泥性能影响研究
摘 要：钢渣经过热焖后，基本解决了其安定性问题，但其具有一定活性。将热焖钢渣取代部分三三、万年青两种水泥进行流动度、强度等试验研究。研究结果表明：热焖后的钢渣与减水剂兼容性良好，万年青水泥与减水剂相容性要比三三水泥好一些；热焖钢渣的活性低，钢渣在水泥石中参与化学反应少，更多的作用是填充。
关键词：热焖；强度；流动度；填充
0 引言
我国钢渣综合利用率低于 30%[1]，作为炼钢过程中产生废弃物严重污染着生态环境。研究表明传统处理的钢渣由于慢冷钢渣含有 f-CaO、f-MgO 易带来安定不良等问题，同时也因为块体大，铁含量高，不易被研磨，这些因素都是造成我国钢渣利用低的原因。
根据矿物分析，钢渣含有与水泥熟料相似的矿物成分，具有与水泥相似活性的潜力。为了提高钢渣利用率，人们采用各种方法，如热焖法、水淬法、风淬法、热泼法等，解决安定性或耐磨性等问题。近十几年热焖法是各大钢厂推广的一种新技术，该方法对设备要求高，其基本工艺：液态钢渣、运输至热焖车间、倾入热焖罐（渣池）、封盖洒水、热焖、开盖铲运至深加工车间等，经过该处理后钢渣可被研磨成比表面积超过 400 m2/kg 微粉，f-CaO、f-MgO总体含量能够小于 1%，彻底解决了安定和耐磨性的问题。但是由于热焖过程，存在水蒸气和高温过程，会使与水泥数量相近矿物产生水化反应，可能影响钢渣潜在的活性。
因此，为了研究热焖后钢渣的活性，本文将热焖钢渣取代部分水泥进行水泥净浆流动性和水泥胶砂强度试验，分析钢渣活性，为钢渣在水泥及相关应用提供借鉴。
1 原材料
热焖钢渣：钢渣化学成分主要为CaO、SiO2、A12O3、Fe2O3、 FeO、MgO、MnO 等，其组成矿物有 C3S、C2S、C2F、CA、由 FeO、 MgO、MnO、CaO 形成固溶体的 RO 相等物相有硅酸钙相、铁酸钙相和 RO 相[8-11]。钢渣中虽然含有少量 C2S、C3S 和铁铝酸盐，使其具有胶凝性，但其含量比水泥熟料少，矿物晶体发育较大且较完整，造成了其活性较低[3]。
水泥：水泥为 P·O 42.5R 级水泥，品牌分别为万年青和三三，其主要技术指标见表 1，化学成分见表 2，矿物成分见表 3。
砂：试验所用砂分为两种，一是天然河砂，砂的细度模数为 2.9，中砂，堆积密度为 1610 kg/m3，表观密度为 2650 kg/m3，另一种是标准砂，两种砂的具体筛分结果见表4，级配曲线见图 1。由图 1 可知，河砂的级配属于 II 类（见 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》）。
减水剂：试验所用的减水剂为福建省新华外加剂公司生产的聚羧酸系高效减水剂，其基本技术参数如表 6 所示。
2 试验方法
主要进行水泥的流动性试验和胶砂力学性能试验，其主要内容为：
（1）流动性：钢渣取代部分水泥，参照 GBT 8077—2012 《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行流动度试验，根据初试试验，选定水胶比为 0.30，钢渣和水泥的总质量为 300 g。
（2）基本力学性能：用热焖钢渣取代水泥掺量为 0、10%、 20%、30%，胶凝材料与砂用量质量为 1∶3，水胶比为 0.5，试验用砂为标准和河砂，试件成型与操作参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，测定抗折强度和抗压强度。
3 流动性能试验结果与分析
3.1 减水剂兼容性能研究
聚羧酸减水剂是目前最常用减水剂，但是由于水泥混合材复杂，且对减水剂的适应性不一样，通过两种水泥的流动性试验，检测减水剂与水泥相容性，具体见图 2。根据图 2 可知，整体上，随着减水剂增加，水泥浆的流动性逐渐增大，但是在减水剂掺量为 1.0%时产生突变，且随着着减水剂的增加，扩展度增加不明显。从图2 两条曲线对比可知，万年青水泥的扩展度值均比三三水泥好，同时在减水剂掺量超过 1.0%时，万年青扩展度比三三大 30~40 mm，说明万年青水泥颗粒能够被减水剂分散的数量要多于三三水泥，即万年青水泥与减水剂相容性比三三水泥的好。
3.2 热焖钢渣掺量对水泥流动性影响研究
如图 3 所示,与图 2 表现出类似的规律,在减水剂掺量为 1.0%时,曲线产生突变,随着减水剂掺量增加,扩展度继续增大的幅度不是很明显,即说明了减水剂所能吸附胶凝材料的能力已经达到或者超过胶凝材料的数量;图 3所示,随着钢渣掺量在 0~30%范围增加,钢渣与水泥组成的混合浆液的扩展度并没有明显改变,这可说明钢渣颗粒跟大部分水泥颗粒一样能够被减水剂所分散;图 3 中万年青的水泥流动性曲线整体在三三水泥的流动性的上方,结合图 2 可以看出,随着钢渣掺量增加,在减水剂掺量达到1.0% 后,万年青水泥的扩展度比三三要大 30~40 mm｡
因此,从减水剂兼容性试验和两种水泥流动性试验分析可知,热焖后的钢渣与减水剂兼容性良好,三三水泥不可被分散的颗粒要比万年青的多,即万年青的与减水剂相容性要比三三水泥好一些｡
4 力学性能试验结果与分析
利用标准砂和河砂作为骨料成型胶砂试件，进行 28 d 龄期的胶砂抗压与抗折试验，试验结果见表 7（标准砂）、表8（河砂）。
4.1 砂的骨料作用研究
从图 4 的胶砂抗折强度、图 5 的胶砂抗压强度可以看出，当钢渣掺量为 0 时，万年青水泥的抗折、抗压强度明显高于三三水泥的相应强度；同时对于同一种水泥，骨料为河砂的胶砂(抗折､抗压)强度高于标准砂的相应强度｡究其原因,主要由于胶砂强度取决于水泥石､骨料与水泥黏结强度､骨料的骨架结构作用,且从图1 可以看出,河砂的最大颗粒明显大于标准砂,且河砂总比表较小,细度模数较大､河砂菱角性较明显等,决定了河砂在骨架作用､骨料与水泥黏结强度形成上好于标准砂｡
4.2 热焖钢渣对水泥力学性能影响研究
从图 4、5 可知，随着钢渣掺量增加，胶砂的强度总体上呈下降趋势，仅仅万年青水泥胶砂在掺量为 10%时，胶砂的抗折强度有所提高，但之后就一直下降，此时比水泥更细的热焖钢渣主要是起填充作用，加强了水泥石密实度和黏结强度，而热焖钢渣的活性并没有表现出来，即说明热焖钢渣的活性低，甚至可能没有活性。同时，在同一种水泥时，随着钢渣掺量增大，其强度逐渐减小，且骨料为河砂的胶砂强度要高于标准砂的，即可说明钢渣活性较低；在热焖钢渣掺量为 30%时，利用万年青测得钢渣的活性指数为 77.8%，三三水泥测得钢渣的活性指数却为 70.8%，即可说明活性指数受水泥质量影响，同时也可说明钢渣在水泥石中参与化学反应很少，更多的作用是填充。
4.3 结论
通过利用热焖钢渣取代不同品种水泥的不同掺量进行流动性、力学性能研究，可得如下结论：
（1）万年青水泥与减水剂相容性比三三水泥的好；热焖后的钢渣与减水剂兼容性良好。
（2）河砂的最大颗粒明显大于标准砂，且河砂总比表较小，细度模数较大、河砂菱角性较明显等，决定了河砂在骨架作用、骨料与水泥黏结强度形成上好于标准砂。
（3）热焖钢渣的活性低，钢渣在水泥石中参与化学反应很少，更多的作用是填充。
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