电炉氧化钢渣在水泥和混凝土中的应用研究.pdf

2 0 1 4 年 第 2期 (总 第 2 9 2 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 4 ( T o t a l N o 2 9 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 2 0 1 5 电炉氧化钢渣在水泥和混凝土中的应用研究 刘智伟 l a , b , 2 1李宇 l a , b 。苍大强 佃 b ( 1 北京科技大学 a 钢铁冶金新技术国家重点实验室 ；b 冶金与生态工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 2 莱芜钢铁集团有限公司，山东 莱芜 2 7 1 1 0 4 ) 摘要 ： 电炉氧化钢渣( 简称电炉钢渣 ) 是电炉炼钢产生的副产品， 具有较好的潜在胶凝活性 ， 介绍了将活化处理后的电炉钢渣 粉应用于水泥和混凝土中， 研究了钢渣水泥的力学强度 、 标准稠度需水量 、 凝结时间、 安定性和混凝土抗压强度、 抗渗性等性能 ， 研究表明： 电炉钢渣粉可以用于生产 4 2 5 级钢渣硅酸盐水泥( 简称 ， 钢渣水泥) 和 C 4 0混凝土， 不仅拓宽电炉钢渣综合利用途径 ， 还能实现良好的经济效益和环保效益。 关键词 ： 电炉钢渣 ；钢渣水泥 ；混凝土 ；掺合料 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 5 7 0 4 I n v e s t i g a t i o n t o a p p l i c a t i on o f e l e c t r i c f u rn a c e o x i d i z i n g s l a g b e i n g u s e d i n c e m e n t a n d c o n c r e t e LI UZhi we i 一， LIYu ， CANG Da q i a n gIa Ib ( 1 a S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r A d v a n c e d Me t a l l u r g y ； b S c h o o l o f Me tal l urg i c a l a n d E c o l o g i c a l E n gin e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 L a i w u S t e e l G r o u p C o ， L t d ， L a i w u 2 7 1 1 0 4 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： E l e c t r i c f u m a c e o x i d i z i n g s l a g( e l e c t r i c a- n a c e s l a g ) i s t h e b y p r o d u c t i n th e p r o c e s s o f m e t a l l urgy o f e l e c tr i c f u rn a c e ， w h i c h h a s p r e f e r a b l e a n d p o t e n t i a l g e l a t i o n a c t i v i ty I n tro d u c e d tha t a c t i v a t e d e l e c t r i c f ll ma c e s l a g p o wd e r wa s u s e d in s t e e l s l a g c e me n t a n d c o n c r e t e ， i n v e s t i g a t e d the me c h a n i c a l s tr e n g t h， wate r r e q u i r e me n t f o r n o r ma l c o n s i s t e n c y ， s e t t i n g t i me a n d i n v a r i a b i l i t y o f c e me n t ， a n d t h e p r e s s i v e s tre n g t h ， i mp e r me a b i l i ty o f c o n c r e t e T h e r e s u k s s h o we d t h at a c t i v a t e d e l e c t r i c f u ma c e s l a g p o wd e r c o u l d b e u s e d t o p r o d u c e 4 2 5 s t e e l s l a g c e me n t an d C4 0 c o n c r e ， whi c h n o t o n l y wi d e n i t s c o mpr e he ns i v e u t i l i z a t i o n p a t h， b u t a c h i e v e f a vo r a b l e e c o n o mi c an d e n v i r o n me n tal b e n e fi t s K e y wor d s ： e l e c t r i c f u ma c e s l a g ； s t e e l s l a g c e me n t ； c o n c r e t e ； a d mi x t u r e 0 引言 随着我国粗钢产量的快速增长 ， 环境和资源问题正成为 制约我国钢铁企业发展的瓶颈， 走可持续发展的道路， 是钢 铁企业未来发展的重要战略， 冶金废渣的再生利用是可持续 发展的核心之一。 2 0 1 2 年中国粗钢产量超过 7 亿 t ， 其 中电炉 钢产量超过 7 0 0 0 万 t ， 电炉氧化钢渣( 简称 电炉钢渣) 的总量 达到 4 0 0 万 t 以上。 随着我国粗钢产量增速的放缓 ， 钢材蓄积 量的逐年增加 ， 大量利用废钢的短流程电炉钢及相应冶炼过 程排放的氧化渣量必将会出现大量增长。 按照发达国家电炉 炼钢占钢产量 5 0 以上的比例 ， 我国电炉钢渣的排放量必将 大量增加。 而 目前 国内对电炉钢渣的资源化利用方法较少 ， 尚无比较先进的电炉钢渣处理技术 。 因此 ， 研究开展电炉钢 渣的利用对电炉冶炼的可持续发展具有重要意义。 在资源化过程 中， 冶金渣通常被加工成有较高附加值 的微粉而被大量用作水泥或者混凝土掺合料等。 与其他冶 金渣相 比， 电炉钢渣存在成分波动较大 、 稳定性较差 、 易磨 性较差和安定性隐患等问题 ， 致使其利用率不高。 因而， 激发 电炉 钢渣潜在胶凝 活性是其推广应用所需解决 的重 要技术 问题之一。 为此 ， 本研究通过试验将活化处理后的电 炉钢渣粉应用于水泥和混凝土中 ， 探索电炉钢渣的高效利 用途径 ， 实现电炉钢渣“ 零排放 ” 。 1 试验材料 与方法 1 1 试 验 材 料 ( 1 ) 电炉钢渣粉 ： 莱钢特钢事 业部 5 0 t 电炉冶炼产生 的氧化渣 ， 该钢渣采用热 闷法处理 ， 经 “ 三破五选 ” 后的尾 渣 ， 粒径 5 mm的颗粒 占 9 0 以上 ， 经烘干 ， 球磨机粉磨 9 0 r n i n 后， 勃氏法圆 ( 下同) 测得其比表面积为 4 9 2 6 m2 k g 。 钢渣粉外观呈灰色 ， 用李 氏瓶法 ( 下 同) 测得 电炉钢渣的 密度 为 3 1 3 r d c m s ， 化学组成见表 1 。 电炉钢渣的 X R D 图谱 如图 1 所示 。 钢渣的 X射线衍射分析结果表明 ： 衍射峰在 3 0 - 3 5 。 左右出现衍射峰包说明钢渣中含有玻璃相。 衍射 图上 出现在不同角度的衍射峰 ， 说明钢渣 中除了玻璃相之 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 8 - - 0 7 基金项 目：国家 自然科学基金 ( 5 1 1 0 4 0 0 8 ) ； 高等学校博士学科点专项科研基金( 2 0 l 0 0 0 0 6 l 2 0 0 1 0 ) 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 外还有结 晶相， 主要包括硅酸二钙 、 硅酸三钙 ， 和氢氧化钙 ， 金属氧化物的固溶体等。 当掺人适量的化学激发剂活化后 ， 其活性达到 G B T 2 0 4 9 1 -2 0 0 6 用于水泥和混凝土中的钢 渣粉 中规定的一级钢渣微粉 的相关要求 ， 活性指数见表 2 。 表 1 电炉钢渣与高炉渣的化学元素分析表 样品 S i O 2 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 C a O Mg O P 2 O 5 F e O Mn O 2 碱度系数 碱度系数 1 1 4 4 2 8 3 2 8 6 2 6 0 8 3 8 8 1 2 2 2 7 8 6 3 8 0 2 0 6 高炉渣2 8 1 0 1 4 0 0 0 1 7 4 0 3 2 8 4 1 0 5 6 0 4 6 0 2 1 1 1 5 2 0 ( 。 ) 图 1电炉钢渣的 X R D 表 2 电炉钢渣粉活性指数表 ( 2 ) 高炉渣粉 ： 莱钢炼铁厂生产的粒化水淬高炉渣 ， 经 烘干， 球磨机粉磨 9 0 mi n 后， 比表面积为 5 3 2 7 m 2 k g ， 外观 呈淡黄色 ， 密度 为 2 9 2 g c m ， 碱度系数 1 1 5 ， 属碱性矿渣 ； 质量系数 K = ( C a O + Mg O + A I 2 0 AF e 2 0 3 ) S I O 2 = 2 2 4 1 2 ， 符合 G B T 2 0 3 1 9 9 4 粒化高炉矿渣质量系数的要求。 ( 3 ) 水泥 ： 试验用水泥为莱钢鲁碧公 司生产 的 P O4 2 5 级 ， 性能指标见表 3 。 ( 4 ) 标准砂 ： 按 国标 G T T 1 7 6 7 1 - 1 9 9 9 ， 中国 I S O标准 砂 ， 厦门艾思欧标准砂有 限公 司。 ( 5 ) 粗骨料 ： 试 验用粗 骨料 为莱芜南 山集团生产的碎 石 ， 粒径为 5 3 1 5 mE， 含泥量为 0 6 ， 泥块含量为 0 3 ， 针片状颗粒含量为 8 ， 压碎指标值为 1 7 ， 表观密度为 2 6 8 0k g m 。 表 3 P O 4 2 5 级水泥性能指标 ( 6 ) 细骨料 ： 试 验用 细骨料为莱 芜鲁西河 砂 ， 细度模 数为 3 1 ， 含泥 量为 1 6 ， 泥块含量为 0 5 ， 表观密度 为 2 5 9 0 k g m3 。 ( 7 ) 外加剂 ： 试验用外加剂为固泰新型建材厂生产 G T C 2 减水剂 ， 减水率达 2 0 以上。 1 2试 验 方 法 钢渣硅酸盐水泥力学强度和标准稠度用水量 、 凝结时 间 、 安定性等性能分别按 G B T 1 7 6 7 1 - 1 9 9 9 、 G B T 1 3 4 6 2 0 0 1 要求进行 。 混凝 土的搅拌工作性能和抗压强度分别按 G B T 5 0 0 8 0 - - - 2 0 0 2 、 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 要求进行 ， 混凝土抗 渗性能测试根据 G B J 8 2 1 9 8 5 要求进行。 混凝土浇筑后， 在试验室静置 2 4 h 后拆模 ， 然后在养护室标准养护。 抗压强 度采用 1 0 0 mm x l O 0 m inx 1 O 0 m m立方体试件。 1 3混凝土 配制强度 的确定 混凝土配制强度应按式( 1 ) 计算 ： ，o ，k 十1 6 4 5 表 4 式中； 。 混凝土配制强度 ， MP a ； ， 混凝土立方体抗压强度标准值 ， MP a ； 混凝土强度标准差 。 当混凝土强度等级大于或等于 C 3 0级， f ， 取 3 0 MP a 。 混凝土设计强度 等级为 C 4 0时配制强度为 ： f = = 4 o + 1 6 4 5 3 4 4 9 MP a 混凝土设计强度等级为 C 5 0时配制强度为 ： f = 5 0 + 1 6 4 5 3 = 5 4 9 MP a 2 试验 结果与分析 2 1 电炉铜渣粉在水泥中的应用 2 1 1 电炉钢渣粉掺量对水泥力学性能的影响 本试验将 配制钢渣水 泥 的电炉钢渣粉 、 高炉 渣粉和 P O 4 2 5 级水泥等原材料按不同的配合 比 昆 合 ， 研究不 同 配合 比钢渣水泥的物理力学性能 ， 力学性能试验数据如表4 ( 1 ) 所示 。 不同配合比钢渣水泥的力学性能 从表 4中试验数据和 图 2中折线 图可以看 出， 随着电 炉钢渣粉掺量的增加， 钢渣水泥的各龄期力学强度呈现降 低 的趋势 ， 当掺量小 于 4 0 时， 力学强度 可以达 到 4 2 5 级 58 钢渣水泥的强度等级， 当掺量大于 4 0 时， 力学强度则明 显低于 4 2 5 强度等级 ， 但仍可以达到 3 2 5的强度等级 ， 表 明经活化处理后 的电炉钢渣粉具有较好 的胶凝活性。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 电炉钢渣粉掺量 ， ( a ) 电炉钢渣 粉掺量 ， ( b ) 图 2 电炉钢渣粉掺量对水泥力学性能的影响 2 1 2 电炉钢渣粉掺量对水 泥安定性 、 标 准稠度需水量和 凝结时间的影响 表 5 列 出了不同电炉钢渣粉掺量对水 泥安定性 、 标准 稠度 需水量 和凝 结时 间影 响的试验数 据 。 从 表 5可 以看 出， 随着钢渣掺量增加 ， 水泥浆体标准稠度需水量逐渐减 少 ， 说明电炉钢渣粉可改善水泥浆体的流动性。 因为钢渣 表 5 钢渣水泥的安定性、 标准稠度需水量和凝结时间 微粉颗粒大多较为规则嘲 ， 有些是标准 的球形颗粒 ， 在水泥 中可 以起润滑作用 。 随着钢渣掺量 的增加 ， 水泥浆体 的凝 结 时间逐渐延长 ， 表 明钢渣可 以延缓水泥 的水化作用 ， 而 使凝结 时间延 长。 当电炉钢渣粉掺量在 3 0 5 0 范 围内 时 ， 钢渣水 泥的安定性 、 标准 稠度需水量和凝结时 间均能 达到国标要求 ， 表明经活化处理后 的电炉钢渣粉可以适 当 比例配制性能合格的 4 2 5 和 3 2 5 强度等级的钢渣硅酸盐 水泥。 2 2电炉钢渣粉在混凝土 中的应 用 2 2 1 电炉钢渣粉掺量对混凝土强度的影 响 本试验对电炉钢渣粉作为混凝土高效掺合料进行试验 ， 研究 了电炉钢渣粉掺量对混凝土力学性能和抗渗性的影响 。 本试验分别采用不同的胶材总量 ， 即 4 0 0 、 4 5 0 、 5 0 0 k g m 作 为对比试样 ， 并分别 以电炉钢渣粉按 2 0 、 3 0 和 4 0 的掺 量部分替代水泥胶材 ， 进行混凝土性能试验研究 ， 混凝土 的配合比方案和抗压强度试验结果见表 6 。 表 6 混凝土配合比及抗压强度 从表 6中的数据可 以看 出 ， 在其他条件保持不变的前 提下 ， 随着胶材总量 的增加 ， 混凝 土的 3 、 7 、 2 8 d的各龄期 抗压强度均增加。 由图 3 可见 ， 当水泥胶材总量和其他配合 比条件不变时， 混凝土的各龄期抗压强度随着钢渣粉掺量 的增加而降低 ， 掺量越多 ， 强度 降低越明显 。 当水泥胶材 总 量为 4 0 0 、 4 5 0 k g m 3 , 钢渣掺量 2 0 时， 2号和 6号混凝土的 各龄期抗压强度均能达到 C 4 0强度等级； 当水泥胶材总量 为 5 0 0 k g m ， ， 钢渣掺量 2 0 时， 1 0号混凝土的各龄期抗压 强度均能达到 C 5 0强度等级 ， 钢渣掺量 3 0 时 ， 1 1 号混凝 土的各龄期抗压强度均能达到 C 4 0 强度等级。 以上的试验 结果表明活化处理后 的电炉钢渣粉具有一定的活性 ， 可 以 作为混凝土的高效掺合料 。 2 2 2 电炉钢渣粉掺量对混凝土抗渗性 的影响 本试验选取纯水泥的 1 、 5 、 9 号试样 ， 钢渣掺量为 2 0 , 0 的 2 、 6 、 1 0 号试样和水泥胶材总量为 5 0 0 k g m ， 钢渣掺量 3 0 的 1 1 号试样进行混凝土的抗渗性研究 ， 试验结果见表 7 。 从表 7可 以看 出 ， 在 水压逐级升至 0 8 MP a 后 ， 水 均未穿 过所有试件， 其中， 纯水泥的混凝土试样的抗渗性最好， 且 随着水泥胶材总量的增加 ， 混凝土的抗渗性逐渐提高 ； 随着 钢渣掺量的增加， 混凝土的抗渗性逐渐降低， 其原因是电 炉钢渣粉水化活性较低 ， 2 8 d 二次水化程度较低 ， 导致混凝 土的空隙率较高及大直径毛细孔较多 ， 使得掺人钢渣粉的 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 矗 、 魁 憩 出 日 茎 骥 增 矗 、 爱 电炉钢 渣粉掺 量 ， ( a ) 胶材 总量4 0 0 k g m O 1 0 2 O 3 0 4 0 电炉钢渣粉掺量 ， ( b ) 胶 材总量4 5 0 k g m 电炉钢渣粉 掺量 f c 1 胶材 总量5 0 0 k g m 图 3 电炉钢渣掺量对混凝土抗压强度的影响 混凝土的抗渗性降低6 1 。 3结论 ( 1 ) 经活化处理后的电炉钢渣粉具有较好的胶凝活性 ， 可用于水泥混合材生产钢渣水泥 ， 也可用于混凝土掺合料 生产高性能混凝土。 上接第 5 6页 7 余红发 盐湖地区高性能混凝土的耐久性、 机理与使用寿命预 测方法【 D 】 南京 ： 东南大学， 2 0 0 4 【 8 】刘荣桂 ， 李欢 ， 陈妤 ， 等 海工混凝土受硫酸盐影响的氯离子扩 散规律研究l J 1 混凝士， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 1 8 2 1 【 9 GU ER RE RO A， GO NI S ， AL L E GR O V RE f f e c t o f t e mp e r a t u r e o n t h e d u r a b i l i t y o f c l a s s C fly a s h b e l i t e c e me n t i n s i mu l a t e d r a d i o a c t i v e l i q u i d wa s t e ： S y n e r g y of c h l o r i d e a n d s u l p h a t e i o n s 【 J J J o u r n a l o f Ha z a r d O U S Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 1 6 5 ( 1 )： 9 0 3 9 0 8 f 1 0 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐久f性能试验方法 标准 S 1 _ 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 9 1 1 1 NAF F A S O， GOU E YGO U M， P I WAK OWS K I B， e t a 1 De t e c t i o n of c h e mi c a l d a m a g e i n c o n c r e t e u s i n g u l t r a s o u n d J U l t r a s o n i c s ， 2 0 0 2 ， 4 o ( 1 ) ： 2 4 7 2 5 1 【 l 2 1 牛全林， 冯乃谦刑 用超细粉煤灰提高混凝土耐久性的试验研 究f J 1 _ 粉煤灰综合利用， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 2 4 2 6 【 1 3 s A N T HA N AM M， C OHE N M D， OL E K J Mo d e l i n g t h e e f f e c t s of S O - l u t i o n t e mp e r a t u r e a n d c o n c e n t r a t i o n d u r i n g s u l f a t et a c k o n c e me nt 60 表 7 混凝土抗渗性试验结果 ( 2 ) 随着 电炉钢渣粉掺量 的增加 ， 钢渣水 泥各龄期力 学强度逐渐降低 ， 标准稠度需水量减少， 水泥浆体的凝结 时间逐 渐延长 ， 当掺量不超过 4 0 1t ， 钢渣水泥 的各项物 理力学性能均能达到 4 2 5 级国标要求 。 ( 3 ) 随着电炉钢渣粉掺量的增加 ， 混凝土的各龄期抗压强 度和抗渗性均逐渐降低， 当水泥胶材总量在 4 0 0 5 0 0 k g m 范围内 ， 钢渣掺量不 超过 2 0 时 ， 混凝 土的力学强度可达 到 C 4 0 强度等级 。 参考文献： f 1 1 张同生， 刘福田， 王建伟 ， 等 钢渣安定J性与活性激发的研究进 展 J 1 硅酸盐通报， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 9 8 0 9 8 4 f 2 1 G B T 8 0 7 4 -2 0 0 8 ， 水泥比表面积测定方法( 勃氏法) 【 S J 3 1 G B 2 0 8 -1 9 9 4 ， 水泥密度测定方法 s 】 【 4 1凌庆璋钢渣粉作混凝土高效掺合料 江苏建材， 2 o o 5 ( 1 ) ： 1 1 - 1 5 【 5 1陶珍东， 郑少华钢渣微细粉在混凝土中的应用研究 J 】 水泥工 程 ， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 5 3 5 5 6 刘天成， 杨华明， 等 超细钢渣及高性能混凝土掺合料的最新进 展叭 金属矿山 ， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 8 - 1 3 作者简介： 联系地址 ： 联系电话 ： 刘智伟( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 高级工程师， 博士研究生， 主要从 事生态工业技术研究工作。 山东省莱芜市钢城区莱芜钢铁集团技术中 ( 2 7 1 1 0 4 ) 1 3 9 63 43 3 5 7 O m o a a r s C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 4 ( 4 ) ： 5 8 5 - - 5 9 2 【 1 4 T O RI 1 K， T A NI GU C H1 K， K AWA MU RA M S u l f a t e r e s i s t a n c e o f h i g h f l y a s h c o n t e n t c o n c r e t e J 1 C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h 1 9 9 5 ， 2 5 ( 4 ) ： 7 5 9 7 6 8 1 5 GA O J i a n mi n g ， YU Z h e n x i n ， S ONG L u g u a n g ， e t a 1 D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e e x p o s e d t o s u l f a t e a t t a c k u n d e r fle x u r al l o a d i n g a n d d r y i n g w e t t i n g c y c l e s 叨 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 3 ， 3 9 ( 2 ) ： 3 3 3 8 1 6 M I A O C h a n g w e n ， MU R u ， T I A N Q i a n ， e t a1 E f f e c t of s u l f a t e s o l u t i o n o n t he f r o s t r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e wi t h a n d wi t h o ut s t e e l f i be r r e i n f o r c e m e n t J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 1 3 4 作者简介 联系地址 ： 联 系电话 焦楚杰( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 在读博士后， 从事高性能混凝土 材料与结构研究。 广东省广州市外环西路 2 3 0号A 2 0 7信箱 广州大学 土木工程学院 ( 5 1 0 0 0 6 ) 1 3 9 25 0 8 2 2 0 0 知 如 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m