鋼渣粉作混凝土摻合料的研究
2005-04-01 00:00
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。
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
中國每年排出鋼渣量約1900萬噸，有效利用率約為50%1982年中國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。近兩年來對(duì)國內(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燒硅酸鹽水泥熟料。
2.2 ?；郀t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= ----------------------- =1.73
Si02+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，中國鋼鐵渣利用的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，冶金渣處理與利用國際研討會(huì)論文集，中國金屬學(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)國際研討會(huì)論文集，中國金屬學(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，中國金屬學(xué)會(huì)，2001.6. P234-246
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