滚筒钢渣用作胶结材的试验研究

2010-03-21方宏辉薛改凤朱书景顾文飞

河南建材 2010年5期

方宏辉，薛改凤，朱书景，顾文飞

1 武钢研究院（430080） 2 宝钢发展有限公司（200942）

滚筒法技术适用于对高温熔渣的处理[1]，与传统的渣处理技术相比，具有占地少，环境污染小，生产成本低，处理流程短，处理后渣子的粒度小，而且游离CaO较低，能够实现渣钢分离等优点。宝钢滚筒法处理装置[2]是一项综合利用环保新技术,利用高温钢渣自身余热和矿相组成发生变化时产生的热应力、化学应力、相变应力及外界机械破碎力，使钢渣速冷、急碎，生成以硅酸三钙和硅酸二钙为主的颗粒状成品渣。

根据滚筒钢渣的矿物组成及水化反应特征,进行了滚筒钢渣细集料配制胶结材的试验研究,发现滚筒钢渣具有异常良好的水化性能,并将滚筒钢细集料渣复合矿渣粉胶结材配制混凝土进行了测试分析，取得了较为满意的结果。

1 原料组成及试验方法

1.1 滚筒钢渣细集料复合矿渣微粉胶结材原料组成

滚筒钢渣细集料复合矿渣粉胶结材是由滚筒钢渣细集料和复合矿渣粉组分组成的胶结材。其中滚筒钢渣细集料为高温熔渣经滚筒法技术处理磁选后,粒径小于4.75mm的自然级配渣；复合矿渣粉（以后简称矿渣粉）主要以高炉粒化矿渣及石膏调节料、外加剂和硅酸盐组合料组成，矿渣粉比表面积大于400m2/kg，80μm方孔筛筛余不超过4.5%，主要原料的化学成分列于表1。

表1 原料的化学成分

1.2 滚筒钢渣细集料矿渣粉胶结材胶砂试样配制及强度检验

胶砂试样制样原料组成,每成型三条试体称量矿渣粉450 g、自然含水滚筒钢渣900g、基准砂675g；用水量的确定，以上述原料组成，按BG/T2419水泥胶砂流动度测定方法选取流动度160～170mm范围内的用水量。成型、养护、强度检验按GB/T17671－1999进行。

1.3 混凝土配制

设计混凝土3组。第1组混凝土原料组成为:矿渣粉390 kg/m3，自然含水滚筒钢渣 600kg/m3，砂（沈阳浑河细砂）260 kg/m3,碎石（辽阳 5～25mm 石灰石）1200kg/m3，外加剂 4.7 kg/m3，用水量165kg/m3；第2组混凝土原料组成为：矿渣粉450kg/m3，自然含水滚筒钢渣 800kg/m3,碎石（辽阳 5～25mm石灰石）1200kg/m3，外加剂 5.4kg/m3，用水量 160kg/m3；第3组混凝土原料组成为：矿渣粉550kg/m3，自然含水滚筒钢渣 800kg/m3，碎石（辽阳 5～25mm 碎石）1100kg/m3，外加剂9.0kg/m3，用水量 150kg/m3。

1.4 混凝土耐久性能和胶结材安定性试验

按1.3混凝土配制中第2组原料组成成型混凝土试样，分别进行混凝土碳化性能试验、混凝土抗冻融试验和混凝土抗氯离子渗透试验。胶结材安定性试验按GB/T1346和GB/T750的规定进行。试验样品制备时矿渣粉与钢渣的质量比为1:1.5。

2 结果与讨论

2.1 滚筒钢渣的显微结构

岩相分析，试样中主要为硅酸二钙，其次有硅酸三钙和方镁石，粘结相为玻璃相。硅酸二钙，无色，园粒状；硅酸三钙，无色，呈板状，结晶比较好。氧化镁呈园粒状，固溶氧化铁呈黄色。粘结相主要为铁质玻璃，红褐色至黑色，半透明。玻璃相呈网状将硅酸二钙和硅酸三钙隔开，试样结构比较均匀，显微结构见图1、图2。

2.2 胶结材与混凝土的强度试验

滚筒钢渣细集料矿渣粉胶结材的胶砂强度及配制混凝土强度试验结果列于表2。

从表2可见滚筒钢渣细集料矿渣粉胶结材具有良好的物理力学性能，胶结材强度符合硅酸盐水泥62.5强度等级指标。可配制各种等级的混凝土，早期强度高，60d、150d强度持续增长；28天强度可超过90MPa。

图1 反光硅酸二钙，硅酸三钙，氧化镁（左）

图2 反光圆粒状硅酸二钙，氧化镁，玻璃相（右）

表2 滚筒钢渣细集料矿渣粉胶结材胶砂强度及配制混凝土强度试验

图3 水化1天

图4 水化3天

图5 水化3天

图6 水化28天

强度是混凝土的最重要的力学性质[3]，这是因为任何混凝土结构物主要都是用以承受荷载或抵抗各种作用力。混凝土的强度主要决定于胶结材的强度。水泥混凝土是通过水泥浆凝结硬化，将细集料、粗集料粘结而形成的水泥石，它的力学性能主要由水泥中C3S、C2S、C3A、C4AF等矿物的性能和数量所支配。钢渣细集料矿渣粉胶结材混凝土[4]是钢渣和矿渣及石膏调节料浆体凝结硬化,将集料粘结而成的人工石,它的力学性能主要由各组分中主要矿物的性能和数量以及它们的组合比所支配。钢渣细集料矿渣粉胶结材1天水化产物可见针状硫铝酸盐水化物和绒絮状硅酸盐水化物交织在一起（见图3），3天硫铝酸盐水化物基本被绒絮状的硅酸盐水化物覆盖（见图4），同时，还可见到棒状和粒状多边形的硅酸盐水化物（见图5）,28天硅酸盐水化物与硫铝酸盐水化物固结在一起,水化硅酸钙和水化硫铝酸盐组成的水化矿物。有研究者指出[5]，从晶体的微观结构看，单纯的某种水化矿物并不能获得最高的强度,由两种或几种水化硅酸钙和其他水化矿物组成的多矿物胶凝物质,其强度才是最高的，因为这样可形成最致密的微晶结构。胶结材正是这样一种多矿物胶凝物质,其表2中混凝土3组的28天强度超过90 MPa，表明钢渣用作胶结材可配制高强混凝土。

2.3 混凝土耐久性能试验

混凝土耐久性能试验由北京东方建宇混凝土科学技术研究院有限公司完成，主要进行混凝土碳化试验、抗冻融试验和抗氯离子渗透试验，试验结果列于表3、表4、表5。

表3 混凝土碳化试验检验报告

从表3可见，混凝土在碳化箱内28天的碳化深度很小，平均0.3mm，单个试样有趋于零。表4混凝土的抗冻融试验检验满足抗冻等级F300的要求，300次冻融循环的重量损失率为1.1%，相对动弹性模量66.0%。表5混凝土抗氯离子渗透试验在6小时通过的电量平均值为898.1库伦，与标准要求对照，结果评定很低。钢渣细集料矿渣粉胶结材混凝土的碳化性能、抗冻融性能、抗氯离子渗透性能良好，表明钢渣细集料矿渣粉胶结材的含水矿物胶凝物质与砂和碎石结合紧密，使混凝土的整体结构密实，可提高抗不同条件破坏的性能，有利于增强混凝土的耐久性能。

2.4 胶结材安定性试验

胶结材安定性试验结果见表6。

从表6可见，胶结材沸煮安定性十分稳定。按GB/T1346的安定性测定要求,测量雷氏夹指针尖端间的距离精确到0.5mm，测量结果误差均小于0.5mm，因此沸煮前后差表现为零。压蒸安定性试验结果膨胀率为0.0468%（GB/T750水泥压蒸安定性试验方法规定:硅酸盐水泥的压蒸膨胀率不大于0.80%；普通硅酸盐水泥、矿渣水泥的压蒸膨胀率不大于0.50%为体积安定性合格，反之为不合格），符合水泥压蒸安定性试验标准的要求。