钢渣用于混凝土的配合比与性能分析

关键词：钢渣炼钢副产物钢铁

钢渣是炼钢的副产物, 根据冶炼工艺的不同, 每生产100t钢材就会产生10-15t的钢渣。我国是钢铁工业生产大国, “十一五”期间粗钢产量居世界第一, 2010年我国钢铁产量达到6.83亿t, 2013年钢铁产量突破10亿t, 其产量超过全球总产量的50%[1]。

钢渣是在高温环境下通过氧化、还原反应把生铁里过多的碳和其它杂质去除的过程, 然后经特定工艺冷却的炉渣即为钢渣。钢渣的分类方式较多, 不同的原料、冶炼方式以及冶炼阶段所产生的钢渣不同, 按冶炼方式分为转炉渣、电炉渣、平炉渣;按钢渣的碱度高低分为低碱度、中碱度和高碱度钢渣。钢渣处理工艺有浅盘法、热泼法、热闷法、滚筒法等工艺, 不同的处理工艺有其不同的优缺点。不同钢厂炼钢过程中采用的原料、冶炼方式、冷却方式不同, 导致钢渣的化学成分及其含量波动较大, 但其主要化学成分种类相差不大。钢渣主要由硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸二钙、RO相 (Mg O、Fe O和Mn O的固溶体) 及少量游离氧化钙、游离氧化镁、铝酸钙等矿物组成。

随着钢铁工业的发展, 钢铁渣的产生量随之增加。2010年钢渣的产生量约8147万吨, 综合利用率为21%, 截至2010年底, 我国钢铁渣累计堆存量已达92577万吨, 与“十一五”规划要求的指标仍有一定的差距【2】。钢渣、矿渣、粉煤灰、脱硫石膏等是我国冶金工业的主要固体废弃物。目前矿渣、粉煤灰、脱硫石膏等均已得到了大量的有效利用, 但是相比之下, 钢渣虽然含有硅酸三钙、硅酸二钙等与水泥相同的矿物成分, 但是其利用率一直较低, 与国外发达国家差距明显。

近年来, 随着钢铁行业的环保压力加大, 同时主业利润下滑, 导致钢铁企业纷纷寻找新的利益增长点。不少企业将目光聚焦到了积存的钢渣上, 进行了钢渣在钢渣微粉、钢渣混凝土、钢渣除锈磨料、农业化肥、土壤改良剂等产品的技术研发和投产应用[3,4,5], 取得了一定的经济和环保效益。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 钢渣

本文所用的钢渣为宝武集团的电炉滚筒钢渣, 产自上海市宝山区。钢渣集料为经过破碎、磁选、分选加工形成的颗粒状的具有一定级配的骨料。钢渣微粉为宝钢转炉滚筒钢渣颗粒, 经磁选、除铁等工艺后粉磨至一定细度的钢渣微粉。钢渣的化学成分如表1所示:

1.1.1. 1 钢渣集料

将钢渣集料与普通混凝土用黄砂石子进行对比, 结果如表2所示:

表2是钢渣集料的物理性能的试验结果。从表2的数据来看, 钢渣集料的测试结果均符合混凝土骨料的指标要求。由于钢渣的水溶液呈碱性, 因此不会与水泥发生碱集料反应[6]。

为了更充分的证明钢渣集料可以安全的应用于混凝土当中, 本文参照水泥压蒸安定性试验方法和水泥胶砂强度检验方法进行 (见表3) 了应用的安定性试验, 结果表明该集料应用安定性同样合格。

钢渣集料的筛分数据如下表所示:

根据GB 5085.3《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》对钢渣进行浸出毒性分析, 未检出六价铬等重金属。其放射性满足国家标准GB 6566的要求。使用安全性合格。

1.1.1. 2 钢渣微粉

钢渣微粉的检测数据见表7, 各项指标符合GB/T 20491的要求。

通过对钢渣微粉的检测, 我们发现钢渣微粉具有一定的活性, 符合标准的要求可以作为混凝土的掺合料使用。

1.1.2 水泥

采用太仓海螺生产的P.O 42.5水泥, 各项理化指标符合GB 175《通用硅酸盐水泥》中对P.O 42.5水泥的技术要求, 28d强度为48.6Mpa。

1.1.3 矿粉

采用上海宝田新型建材有限公司生产的S95矿粉, 各项理化指标均符合GB/T 18046《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的技术要求, 28d活性指数为102。

1.1.4 中砂

产自浙江湖州, 颗粒级配见表8。

1.1.5 碎石

产自浙江湖州, 规格为5-25mm, 颗粒级配见表9。

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土拌合物的制作

按GB/T 50080的要求进行。

1.2.2 混凝土试件的制作与取样

按GB/T 50107的要求进行。

1.2.2 钢渣集料的筛分

按JGJ 52的要求进行。

2 实验与分析

2.1 钢渣微粉用于混凝土

将钢渣微粉少量替代矿粉, 用于混凝土制备, 结果如表10所示:

从上表中的A1和A2, A3和A4, A5和A6两两对比, 我们可以看出, 以少量的钢渣微粉替代S95矿粉, 混凝土强度直线下降, 越是高等级的混凝土, 强度降得越多。C20等级的商品混凝土降低了1.8Mpa, 即降低了8.4%的强度;C30等级的钢渣混凝土降低了7.4Mpa, 即降低了22.7%的强度;C30等级的商品混凝土降低了5.8Mpa, 即降低了17.5%的强度。

由于钢渣微粉的活性低于矿粉的活性, 以钢渣微粉作为矿物掺合料部分替代矿粉用于制备混凝土, 会引起混凝土强度。若钢渣微粉全部替代矿粉, 则混凝土强度必然会急剧降低。因此, 钢渣微粉不宜直接等量替代矿粉等掺合料加入混凝土中使用。

本文仅研究了等量替代的情况, 但是由于钢渣微粉的价格比矿粉的价格低, 可以考虑尝试进行超量替代, 即可以尝试以70kg或更多的量替代50kg的S95矿粉, 或者选择加入外加剂、激发剂等方式激发钢渣微粉的活性, 提高混凝土的强度。

2.2 钢渣集料用于混凝土

以钢渣集料等替代替代黄砂石子制备混凝土, 实验数据如下表所示:

通过配合比B1和B2的对比, 可以发现, 以少量的钢渣粗集料等体积替代碎石, 可以使混凝土的强度提高约8%。

通过配合比B3和B4的对比, 可以发现, 以钢渣粗集料等体积替代部分碎石、钢渣细集料等体积替代中砂, 可以提高混凝土的强度约5%。

研究表明, 钢渣是一种过烧的水泥熟料, 本身带有一定的胶凝性;同时表面稀疏多孔, 可以更好的与水泥浆包裹结合形成水泥石。因此, 钢渣集料比普通的砂、石集料更适合作为混凝土的骨料使用, 但是由于钢渣密度较大, 重量大约是砂、石的1.3倍, 在某些场合如楼板、墙板等对混凝土重量有要求的地方不适宜用钢渣集料。同时, 不同种类的钢渣性质也不同, 部分钢渣存在安定性问题, 其内在的游离氧化钙 (f.Ca O) 、游离氧化镁 (f.Mg O) 会缓慢地发生反应, 生成Ca (OH) 2和Mg (OH) 2, 体积大约膨胀1倍, 会引起混凝土的膨胀、开裂, 造成混凝土的破坏, 因此必须对钢渣骨料的安定性进行检验合格后方可用于制备混凝土。