攀钢含钒钢渣制备钢渣复合微粉及在混凝土中的应用

2016-12-18何奇

四川水泥 2016年3期

关键词：含钒微粉钢渣

何奇

(攀枝花钢城集团有限公司四川省攀枝花市 617000)

攀钢含钒钢渣制备钢渣复合微粉及在混凝土中的应用

何奇

(攀枝花钢城集团有限公司四川省攀枝花市 617000)

攀钢含钒钢渣游离钙含量高、活性低，处理难度大，利用率低，为减少含钒钢渣对环境的污染，提高钢渣综合利用率，本文利用含钒钢渣制备钢渣复合微粉，并进行混凝土配制试验。结果表明，制备的钢渣复合微粉28天活性指数达到90%以上，配制的混凝土工作性较好，抗压强度满足设计要求。

含钒钢渣；复合微粉；混凝土

0 前言

攀枝花－西昌地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿资源，攀钢采用“半钢冶炼工艺”，成功解决了钒钛磁铁矿的冶炼问题。但钒钛磁铁矿冶炼过程中，形成的含钒钢渣不同于普通钢渣。与普通钢渣相比，含钒钢渣具有含钒1～3wt%、高碱度、高RO相、高过热度、渣铁难分离等特点[1]。目前，攀钢攀枝花地区每年产生含钒钢渣50万吨左右，钢渣资源化利用率仅约15%。

大量的含钒钢渣对周边环境、地下水系带来较大影响，钢渣的堆存和处理将会成为制约攀钢可持续性生产的重要因素。利用钢渣的潜在活性制备钢渣微粉用于水泥、混凝土是钢渣利用的有效途径之一[2～4]。本研究以攀钢含钒钢渣为原料，采用多种方法提高钢渣水化活性，并将其用作混凝土掺合料。对实现含钒钢渣综合利用具有重要意义。

1 含钒钢渣的基本性质

表1 含钒钢渣的化学成分

1.1 含钒钢渣的化学成分和矿物组成

攀钢以钒钛磁铁矿为主要原料，采用特殊的“半钢冶炼工艺”使得攀钢钢渣中CaO含量较高，SiO2含量较低，钢渣碱度系数达到3.0以上。其中，钢渣中V2O5的含量约为 0.5～2.0%，因此被称为含钒钢渣，钒主要与钙形成钒酸钙，存在于玻璃相中。通过XRD分析，含钒钢渣中的主要物相为硅酸二钙、FeO、铁酸二钙、CaTiO3。含钒钢渣的主要化学成分见表1，矿物组成见图1。

1.2 含钒钢渣的基本物理性质

攀钢含钒钢渣目前采用热泼打水，露天堆放的处理方式。由于含钒钢渣自身游离钙含量较高，该处理工艺又无法充分消解，因此渣中的游离钙含量达到9%以上，用于建材行业易产生安定性不良等严重后果，需进行陈化处理，陈化处理后钢渣的游离钙含量可降至3%以下。

将含钒钢渣用SM-500水泥试验小磨磨制成钢渣微粉，按GB/T20941《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》技术要求测试其基本性能，结果见表2。

表2 含钒钢渣微粉性能

从表2可以看出，磨制的含钒钢渣微粉安定性表现合格。除活性指数外，其指标基本满足一级钢渣粉的技术要求。活性指数是用于水泥或混凝土中的微粉的重要指标，活性指数较低时在应用中会受到较大限制，因此制备钢渣微粉的关键在于充分激发钢渣的活性。

2 含钒钢渣微粉活性激发方法

2.1 试验原材料

含钒钢渣微粉：攀钢含钒钢渣磨制而成，金属铁含量小于1%，主要性能指标见表2。

水泥：水泥为三鼎牌42.5R硅酸盐水泥。主要性能指标见表3。

表3 试验用水泥性能

激发剂：A、B、C、D四种常见激发剂；

矿物掺合料：攀枝花本地产O、P、Q三种固体废弃物。

2.2 化学激发剂对钢渣微粉活性的影响

试验选取了A、B、C、D四种激发剂，分别测试其能使钢渣微粉达到最高强度的最佳掺量，并进行综合比较，测试四种激发剂的最佳掺量分别为0.2%、1.5%、1%、3%。将含钒钢渣微粉与激发剂混合，在小型振动磨上磨制5分钟，测试其比表面积为430～440m2/kg，按照GB/T20941《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》附录A的方法对钢渣粉的活性进行测定。试验结果见图2。

图2 不同激发剂对含钒钢渣微粉活性的影响

表4 钢渣及其它固体废弃物的活性指数

试验结果表明：四种激发剂对钢渣微粉的早期强度的增长均有一定的促进作用；激发剂B、D对钢渣微粉的前期强度和后期强度的增长均有促进作用，其中在激发剂D的作用下，钢渣7d活性指数为70%，28d活性指数为82%，达到一级钢渣粉水平。

2.3 含钒钢渣与其它固体废弃物复合对钢渣微粉活性的影响

试验选取了O、P、Q三种攀枝花常见的具有一定水化活性的固体废弃物，采用水泥小磨分别磨制成比表面积为430～440m2/kg的微粉，测试它们的活性指数，试验结果见表4。从表4可见，几种材料的活性指数由大到小的顺序为：Q＞P＞O＞钢渣，其中固体废弃物Q的28天活性指数达到90%。

表5 钢渣复合微粉的活性指数

将含钒钢渣微粉与其它固体废弃物按比例混合，测试混合制成的含钒钢渣复合微粉（简称钢渣复合微粉）的活性指数。试验结果见表5。

从表5可以看出，O和P的活性与钢渣相差不大，因此与钢渣复掺对于微粉的强度没有明显影响。钢渣粉和Q按1:1或3:7的比例得到的钢渣复合微粉，28d的活性指数达到最大值，且超过了单掺Q的最大值，说明钢渣与Q之间能够相互激发、相互促进水化，产生类似于钢渣和水淬矿渣间的“复合超叠加效应”[5]，其中钢渣与Q的较优比值为1:1。

3 钢渣复合微粉配制混凝土的工作性能和强度

3.1 试验原材料

钢渣复合微粉：按钢渣与Q为1:1配制的钢渣复合微粉，性能指标见表6。

水泥：水泥为三鼎牌42.5R硅酸盐水泥。主要性能指标见表3。

矿渣碎石：攀钢高钛型高炉渣经热泼处理得到的石质材料破碎而成，粒度5～31.5mm，堆积密度1280kg/m3。

矿渣砂：攀钢高钛型高炉渣经热泼处理得到的石质材料破碎而成，细度模数2.8，堆积密度1650kg/m3。

表6 钢渣复合微粉基本指标

减水剂：腾丰公司产FDN-300系减水剂。

3.2 试验方法

以钢渣复合微粉做掺合料配制强度等级为C30的混凝土，基准配比为：水泥：矿渣碎石：矿渣砂=385：1192：726。钢渣复合微粉取代水泥量分别为 10%、20%、30%、40%，外加剂掺量为胶凝材料总量的1.5%，水灰比取0.38。

表7 钢渣复合微粉掺量对混凝土性能的影响

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法》、《普通混凝土力学性能试验方法》拌制混凝土，测定混凝土的工作性能和力学性能。

3.3 试验结果及分析

钢渣复合微粉掺量对混凝土性能的影响见表7。

从表7可知，由于钢渣复合微粉需水性小及微集料效应，混凝土坍落度随着钢渣掺量的增加而增加，说明钢渣复合微粉在一定范围内可以改善混凝土的工作性。从表7可知，掺入钢渣复合微粉后，混凝土7天抗压强度有一定下降，28天抗压强度逐渐接近基准混凝土。说明，钢渣复合粉在混凝土强度前期强度增长较慢，主要是钢渣复合微粉中的活性物质前期反应速度较慢，对混凝土强度贡献较小，在水泥不断水化形成大量Ca(OH)2的激发下，活性物质中的SiO2、Al2O3等物质逐渐形成硅酸钙及铝酸钙，填充于混凝土网络结构中，使混凝土结构逐渐密实，后期强度持续增长。当然随着钢渣复合粉掺量的增加到 30%以上后，混凝土强度下降趋势较为明显，可见随着水泥总量的减少，钢渣复合粉活性无法获得足够的Ca(OH)2而不能最大限度的激发，混凝土强度则大幅下降。因此，钢渣复合粉的掺量控制在20～30%既可以保证混凝土强度，也可最大限度降低水泥用量。