钢铁渣微粉水泥基材料性能研究

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工业废渣是固体废弃物中的一个大类，其中为得到有效利用的一个典型代表是钢渣，在炼钢的过程中，进过一系列的反应，最后生成了大量废渣，这些废渣就包含有钢渣，其产生量一般是粗钢总产量的15～20%。通过研究发现，钢渣的化学组成中包含了Ca、Si、Mg、Fe、少量其他元素和氧气反应生成的氧化物，其中 CaO的含量约占钢渣总质量的35～60%，SiO₂的含量约占钢渣总质量的10～15%，MgO含量约占钢渣总质量的 3～13 %，Fe₂O₃含量约占钢渣总质量的3～9%，FeO含量约占钢渣总质量的7～20%。

通过对钢渣进行矿渣组成分析的研究发现，钢渣中含有硅酸三钙（C₃S）、硅酸二钙（C₂S）、铁铝酸四钙（C₄AF）、RO相（CaO 、MgO、MnO 、FeO等氧化物的固溶体）等矿物，在不同碱度的影响下，钢渣内部矿物含量也有较大区别。通过研究发现当钢渣碱度＞1.8 时，钢渣的矿物组成以 C₃S、C₂S、C₄AF 为主，这些矿物组成与水泥及其相似，使得钢渣具有和水泥相似的性能，在水化活性方面具有较优异的表现；当钢渣的碱度＜1.8 时，蔷薇辉石(3CaO ·RO·2SiO₂)、橄榄石(CaO·RO·SiO₂)和 RO 相等难以发生水化反应的矿物是钢渣最主要的3个组份，导致其难以发生激烈的水化反应，最终导致钢渣的活性降低。

一般认为具有水化活性的物质决定了材料的活性，通过研究发现，在硅酸盐水泥熟料中，由于熟料中含有硅酸三钙（C₃S），硅酸二钙（C₂S）等一些水化活性高的活性矿物，这就使得硅酸盐水泥水化能力具有较高的水平。对于钢渣来说，由于炼钢过程中有一些特殊化的生产工艺，使得产生的钢渣具有一些难以水化的组份，使得钢渣的水化活性远远低于传统的水泥熟料的水化活性。炼钢的过程，伴随着高温，这就造成钢渣成型时，成型温度偏高，在高温下，矿物晶体过烧现象时有发生，使得稳定性较高的晶体含量增大。从水化活性物质的含量看，钢渣中活性物质的含量和传统水泥熟料活性物质的含量相比，前者不到后者的一半。钢渣中稳定性物质较多，活性物质较少，致使钢渣的不能具有较高的水化活性，水硬性也相对较差，钢渣在水泥等建材行业中大量的应用就受到了限制。

通过机械激发方式（粉磨）来提高钢渣的细度，从而提高钢渣的活性，由于之前钢渣粉磨技术无法在低能耗的情况下，无法有效的降低钢渣的细度，钢渣比表面积太小限制了机械激发来提高钢渣的活性应用价值，这也限制了钢渣粉磨技术的发展，对钢渣的应用的进步起到了不良影响。

随着工业进程的不断加快，工业粉磨技术在不断提高，钢渣粉磨技术不断提高，在合理的能耗下，可以批量生产钢渣微粉。钢渣微粉在水泥基中的应用的相关研究在社会上越来越受重视，经过不断调研发现，钢铁渣微粉这类钢渣和矿渣复合微粉的活性激发研究相对较少。在 2006 年，国家发布了国家标准《用于水泥和混凝土的钢渣微粉》，钢渣微粉在建筑工业上的应用与推广并没有取得很好的成果，对于矿渣微粉而言，其已经成为了受社会欢迎一种水泥基材料掺合料。形成这种情况主要原因在于，钢渣是一种具有潜在胶凝活性的物质，前期水化慢，后期强度不高，成为其应用的关键性问题。钢渣的活性激发的改善机理，成为了社会的关注焦点。

研究表明磨细钢渣粉具有较低的水化热和良好的耐磨性，经过合理的处理开发，钢渣粉可以用作一种应用广泛的胶凝材料。同时钢渣粉具有安定性不良的影响，这是钢渣广泛应用的一大难题，为了解决这一问题，钢渣粉与矿渣粉复掺而成的钢铁渣粉，将成为钢渣应用的有效途径。钢铁渣粉这种掺合料，可综合高炉矿渣粉和钢渣粉二者优点，减少钢渣安定性不良的影响，并且可以提高碱度，给钢铁工业废弃物处理提供一个高效环保的途径。

现有的国家标准《钢铁渣粉》（GB 28293-2012）给出了复掺粉的活性等级，但对于每个等级的钢渣粉与矿渣粉的复掺比例以及钢渣粉的比表面积没有具体要求。

本研究围绕钢铁渣粉的开发与应用中的关键技术问题开展系统实验研究，以期为复掺粉中钢渣粉比表面积的确定、钢渣粉与矿渣粉复掺比例的优选提供指导。研究了不同比表面积的钢渣粉对水泥标准稠度需水量、凝结时间、安定性、流动度比、强度的影响，确定钢渣粉的最佳比表面积；在此基础上，研究了钢渣粉与矿渣粉的掺配比例对水泥基本性能的影响，以探讨不同等级的钢铁渣微粉的掺配比例，配制了 G85 级钢铁渣微粉，并研究了其在 C30、C40、C50 三种不同强度等级混凝土中的应用效果。

研究取得的主要结论如下： 

（1）钢渣微粉在水泥基材料中应用时，当磨细到 2370 m²/kg（BET），此时钢渣粉磨能耗相对较低，钢渣的胶凝活性得到激发，钢渣对水泥后期强度的增长有促进作用，并且钢渣微粉的加入可以提高钢渣水泥的韧性。

 （2）水泥标准稠度用水量、凝结时间随着钢铁渣微粉中钢渣粉掺量的增加而增大，钢铁渣微粉中钢渣与矿渣的最佳比例为 1:4，该比例的钢铁渣微粉具有较高的胶凝活性，可以达到国标要求的 G85 钢铁渣粉活性要求。 

（3）采用 G85 钢铁渣微粉配制了 C30、C40、C50 混凝土，发现钢铁渣微粉混凝土具有良好的工作性能，后期强度增长稳定，同时具有良好耐久性。综上所述，钢渣的磨细有利于提高其活性，钢铁渣粉在合适的掺配比例下具有较好的活性，可用于配制常规标号的混凝土，且性能良好。

编辑：冶金渣与尾矿

作者：武汉理工大学   刘飞