钢渣全组分梯级利用研究

田孝武，丁卫青，谢 君,2，蔡悟阳，邓 骞

(1.葛洲坝武汉道路材料有限公司，武汉 430070；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

钢渣全组分梯级利用研究

(1.葛洲坝武汉道路材料有限公司，武汉 430070；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

提出了一种钢渣全组分梯级利用的方式，研究发现利用4.75 mm以上的钢渣作粗集料制备AC-13沥青混凝土，其各项性能与普通玄武岩AC-13基本相同；利用4.75 mm以下钢渣作细集料制备砂浆，当采用20%～40%的钢渣等体积取代石灰岩机制砂时，砂浆的性能与普通机制砂砂浆基本一致；将磨细钢渣粉用作水混合材时，单掺10%～20%的钢渣粉所制备的水泥和采用30%的钢渣粉与20%的矿渣微粉所制备的水泥都能达到P·O 42.5水泥的标准。

钢渣; 沥青混凝土; 砂浆; 混合材

钢渣排放量一般为粗钢产量的10%～15%，据估计，2013年我国钢渣排放量约为1亿吨，大量钢渣堆积，不仅占用土地，污染环境，而且钢渣中的重金属元素经过雨水浸出对土壤及地下水造成严重的污染，给人民的生活和生存带来了潜在的威胁。我国钢渣处理和综合利用发展较晚，现在钢渣的有效利用率不足30%[1,2]。影响钢渣在公路工程中利用的主要原因在于钢渣中游离氧化钙和氧化镁造成的不安定因素，但研究表明，通过将钢渣进行自然陈放、磨细等不同方式进行预处理可以很好地消除这些不稳定因素[3-5]。目前钢渣的利用主要有两种形式，一是将块状钢渣直接用于填海、工程回填料、附加值较低,这也是国内大部分钢渣的处理方式，资源流失比例很大，二是将钢渣磨细后用作水泥混合材生产钢渣水泥或充当铁质矫正原料用于水泥熟料的煅烧，但钢渣的用量小、利用率太低。此外，也有利用钢渣代替传统集料制备混凝土的研究[6,7]。文中提出了一种钢渣全组分在公路工程中的梯级利用方式，即将钢渣破碎成不同粒径范围内的钢渣粒料，然后根据粒径的大小分别以不同的方式加以利用，实现钢渣全组分的梯级利用。

1 试 验

1.1 试验原料

钢渣：试验选用钢渣为葛洲坝武汉道路材料有限公司嘉鱼生产基地所生产的钢渣集料，粒径为16～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～0 mm，密度分别为3.157 g/cm3、3.205 g/cm3、3.21 g/cm3，试验所用钢渣陈化时间均超过1年。

玄武岩：试验选用京山玄武岩，粒径为16～9.5 mm、9.5～4.75 mm，密度分别为2.856 g/cm3、2.823 g/cm3。

石灰岩机制砂：试验选用阳新石灰岩，粒径为4.75～0 mm，密度为2.725 g/cm3。

石灰石粉：试验采用阳新石灰岩磨制的石粉，表观相对密度为2.706 g/cm3，亲水系数为0.8，粒径范围均在JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》所要求的范围内。

矿渣微粉：试验选用武汉冶金渣环保工程有限公司生产的S 95级矿粉。

钢渣粉：试验选用经磨细至比表面积为450～500 cm2/g的钢渣粉。

沥青: 试验选用SBS改性沥青，其各项性能指标见表均满足JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

水泥：试验选用三峡牌P·O42.5水泥，其各项性能指标见表1。

表1 水泥性能指标

1.2 试验方案

1)钢渣粗集料在沥青混凝土中的应用 试验分别选用钢渣与玄武岩作粗集料，与石灰岩细集料和石灰石粉进行级配优化，配制AC-13沥青混合料，并进行最佳油石比和混合料性能对比，合成级配曲线见图1。

2)钢渣细集料在砂浆中的应用 试验分别选用石灰岩机制砂和4.75～0 mm钢渣作为细集料来制备砂浆，并对其工作性和力学性能进行研究。由于钢渣与石灰岩密度差别较大，试验拟在保证砂浆体积相同的情况下，采用钢渣等体积取代石灰岩机制砂的方式来制备砂浆，取代比例分别为0、20%、40%、60%、80%、100%，具体试验方案见表2。

表2 砂浆试验方案

3)钢渣粉作为混合材在水泥生产中的应用 由于钢渣中含有与水泥熟料相似的C3S、C2S等具有水化活性的矿物，试验拟采用磨细钢渣粉代替部分硅酸盐熟料来制备水泥。将4.75～0 mm的钢渣细集料单独粉磨90 min后，其比表面积为475 cm2/g，等质量分别取代0%、10%、20%、30%、40%、50%的熟料，研究钢渣粉对水泥性能的影响，具体试验方案见表3。

表3 混合材试验方案

2 结果与讨论

2.1 钢渣沥青混合料试验结果

AC-13沥青混合料试验结果见表4。从性能对比试验结果可知，钢渣AC-13各项性能均满足规范要求，且与玄武岩AC-13试验结果非常接近。由试验结果可知，钢渣AC-13具有很好的高温稳定性和水稳定性。钢渣AC-13最佳油石比略高于玄武岩AC-13，这主要是因为钢渣粗集料颗粒空隙率略高于玄武岩，在几近相同矿料级配的情况下，钢渣集料表面吸附的沥青高于玄武岩，但是钢渣集料低成本的优势可以充分弥补钢渣AC-13油石比略高造成的成本增加，因此并不影响钢渣在沥青混凝土中的应用。钢渣AC-13的浸水膨胀率也高于玄武岩，这主要是由经自然陈化后未完全消解的游离氧化钙和氧化镁造成的，但是其膨胀率也远低于规范要求的上限。此外，钢渣AC-13的水稳定性能甚至高于玄武岩AC-13，这主要是因为钢渣属碱性集料，能提高沥青在其表面粘附力，而且钢渣表面较玄武岩更加粗糙，增大了与沥青接触面积，从而提高了水稳定性[8]。

表4 AC-13沥青混合料试验结果

2.2 钢渣砂浆试验结果

钢渣砂浆稠度的强度的试验结果见图2。采用等体积法取代石灰岩机制砂的目的是保证混合料的体积不变，保证不会因混合料体积的变化对砂浆工作性能造成影响。由试验结果可知，砂浆的稠度和抗压强度的总体趋势是随着钢渣掺取代量的增加而降低。当钢渣掺量在20%～40%时，稠度和抗压强度与纯机制砂砂浆基本相同，这主要是因为钢渣中细颗粒含量高于石灰岩机制砂，这些细颗粒的微集料效应能够改善机制砂的级配，保障砂浆的流动性，此外也能使砂浆颗粒体系更加致密，从而保证其强度。随着钢渣掺量的继续增加，在相同体积的情况下，细颗粒比例更大，导致颗粒体系总的比表面积增加，颗粒表面吸附水过多，降低了砂浆体系的有效拌合水，因此砂浆的工作性明显降低，砂浆工作性的降低随之降低了砂浆的成型质量，导致砂浆密实度降低，因此砂浆的强度也明显降低。

2.3 钢渣混合材试验结果

钢渣对水泥性能影响的实验结果见表5。由试验结果可知，掺入钢渣粉后，水泥安定性均合格，其标准稠度用水量、凝结时间随钢渣粉掺量的提高而增加，抗折抗压强度则依次降低。当掺入10%～20%的钢渣粉时，水泥性能达到了P·O42.5的标准。钢渣中的C3S、C2S可认为是过烧的熟料，其活性要远低于熟料中的C3S、C2S，往往需要通过活性材料的激发才能释放出活性，因此在此前试验的基础上采用矿渣微粉作为激发剂，取代50%的水泥进行了矿渣与钢渣复配的试验，试验方案与试验结果见表6。由结果可知，采用钢渣与矿渣复掺代替50%的水泥时，其强度远高于单独采用钢渣代替50%的水泥，特别是采用30%的钢渣和20%的钢渣粉复配时，水泥强度仍然达到了P·O42.5的标准。原因在于钢渣的胶凝性能主要来源于钢渣中过烧的C2S 和C3S，而矿渣胶凝性主要来源于颗粒表面活性硅钙质玻璃体的水化。水泥水化产物Ca(OH)2与活性硅钙质玻璃体和过烧的C2S 和C3S发生反应，生成低钙型的水化硅酸钙凝胶[9]。钢渣与矿渣复合可以相互激发、促进水化，从而在大量替代熟料的情况下提高水泥的强度。

表5 钢渣混合材试验结果

表6 钢渣-矿渣复配试验结果

3 结 论

传统钢渣资源化利用往往只选用某一部分的钢渣颗粒，导致钢渣资源化利用率不足。本研究针对不同粒径钢渣的提出了一种钢渣全组分梯级利用的方式，实现钢渣的100%应用于建材行业。主要思路是将4.75 mm以上的钢渣粗颗粒充当粗集料用于沥青混凝土路面，将4.75 mm以下的钢渣充当细颗粒用于建筑砂浆行业，将钢渣细颗粒粉磨至一定细度后用作水泥混合材。通过实验，得出以下结论：

a.钢渣AC-13的各项性能与玄武岩AC-13基本相同，且钢渣AC-13的水稳定性略优于玄武岩AC-13。

b.在砂浆中掺入20%～40%的钢渣细集料时，其工作性与强度与普通机制砂砂浆基本相同。

c.在熟料中单独掺入10%～20%的磨细钢渣粉时，所制备的水泥能够达到P·O42.5的标准，当采用钢渣粉与矿渣微粉复掺代替50%的熟料时，30%的钢渣粉和20%的矿渣微粉复掺所制备的水泥强度明显高于单独采用50%的钢渣粉代替熟料，且仍然能够达到P·O42.5的标准。

[1] 丁卫青, 谢 君, 吴少鹏.转炉钢渣集料微观性能研究[J].交通科技, 2014,(6): 116-118.

[2] 熊付刚.钢渣代砂对砂浆的强度和工作性的影响[J].建材世界, 2009,30(1):19-22.

[3] 吕心钢.钢渣的处理方式及利用途径探讨[J].河南冶金, 2013, 21(3): 27-30.

[4] 张建国, 徐永华.几种钢渣处理工艺方法的对比分析[J].资源再生, 2014(4):58-60.

[5] 赵连琦, 姜 涛.转炉钢渣处理新方法与利用[J].冶金工程, 2009: 351-354.

[6] 戴荟郦, 陈德鹏, 查坤鹏.全钢渣集料水泥混凝土基本力学性能研究[J].建材世界, 2013,34(6): 15-18.

[7] 任德良, 任志强, 陈宗武.钢渣作为主集料的ATB-25设计[J].建材世界, 2012,33(2):13-16.

[8] 李灿华.钢渣在沥青混凝土中的应用[J].中国废钢铁, 2010,(4): 5-55.

[9] 徐 鹏, 潘如意.不同细度钢渣矿渣复合对水泥砂浆强度的影响[J].混凝土, 2008(12): 82-84.

Study on the Graded Utilization of All Components in Steel Slag

TIAN Xiao-wu1,DING Wei-qing1,XIE Jun1,2,CAI Wu-yang1，DENG Qian1

(1.Gezhouba Group Wuhan Road Materials Co,Ltd, Wuhan 430070, China; 2.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

The graded utilization of all components in steel slag was proposed in this paper.Results showed that AC-13 asphalt concrete, utilizing the steel slag with particle size greater than 4.75 mm as coarse aggregate, had the same performances as AC-13 general basalt concrete.Steel slag with particle size smaller than 4.75 mm was employed to prepare mortar.The properties of mortar, with 20%～40% limestone manufactured sand replaced by steel slag, and mortar prepared with manufactured sand are consistent.When the ground steel slag was utilized as admixture, the cement prepared with 10%～20% steel slag powder or with mixed addition of 30% steel slag powder and 20% fine slag powder could come up to the standard of P·O42.5 cement.

steel slag; asphalt concrete; mortar; admixture

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.006

2015-02-11.

湖北省中小企业技术创新计划(2014DLA129).

田孝武(1989-)，助理工程师.E-mail:tianxw5615@163.com