钢渣三合一水泥研究报告

钢渣三合一水泥研究报告南京化工大学化工建材设计研究所北京特首新型建材有限公司二零零六年十二月1目录1.概述......................................................................11.1钢渣的物理性质.........................................................11.2钢渣的化学成分.........................................................21.3钢渣的矿化组成.........................................................21.4钢渣的综合利用现状.....................................................31.5项目的提出及研究思路...................................................42.实验原料及方法.............................................................53.实验结果及分析.............................................................93.1钢渣细度对产品性能的影响..............................................123.2钢渣掺量对产品性能的影响..............................................133.3外加剂种类及掺量对产品性能的影响......................................143.4钢渣种类对产品性能的影响..............................................143.5钢渣三合一水泥耐久性..................................................143.5.1抗冻性............................................................143.5.2抗硫酸盐性........................................................153.5.3干缩性............................................................163.6钢渣三合一水泥的水化机理探讨..........................................174.结论......................................................................1821．概述钢渣是炼钢过程中产生的废渣，数量约为钢产量的15～25%，2005年我国的钢产量近4亿吨，即表明我国每年要排放钢渣近亿吨，至今我国堆存钢渣近5亿吨，占用了大量的土地，同时对空气造成粉尘污染和地下水源污染，对渣堆周围的生态环境造成严重的危害。1.1钢渣的物理性质由于化学成分及冷却条件不同造成钢渣外观形态、颜色差异很大。碱度较低的钢渣呈黑灰色。碱度较高的钢渣呈褐灰色、灰白色。渣块松散不粘结，质地坚硬密实，孔隙较少。渣坨和渣壳结晶细密，界线分明，尤其是渣壳，断口整齐。自然冷却的渣块堆放一段时间后，发生膨胀风化，变成土块状和粉状。钢渣含水与焖渣方式和冷却条件关系很大。钢渣通常含水在3%～8%，溶重在1.32～2.26t/m3,抗压强度在115MPa左右。平炉渣比重略小，孔隙稍多，稳定性要好一些。1.2钢渣的化学成份随着钢品种、原料、冶炼工艺及堆放期限的不同，钢渣的化学成份波动较大。大多数情况下，钢渣的主要化学成份为CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3、MnO、f-CaO等，其混合样的化学成份范围见表1。表1钢渣混合样的化学成份范围%CaOSiO2Al2O3Fe2O3MnOMgOFeOf-CaO54.0635.4616.1619.984.7221.7730.1021.63～20.97～7.72～0.71～0.38～0.39～3.00～0.60～在选取不同种类、不同堆放期的钢渣进行化学成份分析，其化学成份基本一致，结果见表2、表3。此外，平炉钢渣化学成份波动大，Fe2O3和MgO含量高，碱度低，一般在1.6～2.4之间。与平炉钢渣相比，转炉渣的化学成份较稳定，MgO和Fe2O3含量低，碱度高，一般为2.9～3.2，杂质含量少，并随堆放期的延长f-CaO含量降低。可以想象，混合渣的化学成份波动较大。同时，堆放的平炉渣和转炉渣发生自然膨胀风化，形成不同粒径的钢渣颗粒，当钢渣的粒径不同时，其化学成份不同，随着堆放期的延长，化学成份差异增大。3表2钢渣在不同堆放期下的化学成份编号钢渣种类堆放期CaOSiO2Al2O3Fe2O3MnOMgOf-CaOCaO/SiO21平炉渣1年32.6415.964.2422.133.2610.762.962.052平炉渣2年33.9617.523.2726.863.5613.160.691.943转炉渣1个月40.8914.313.1621.361.027.145.712.854转炉渣6个月42.2913.273.3620.251.436.462.103.195转炉渣1年41.9214.353.3220.811.196.320.542.92表3钢渣在不同堆放期和粒径下的化学成份%钢渣种类堆放期粒径mmCaOSiO2Al2O3Fe2O3MnOMgO平炉渣1年＜1.2535.7615.973.8919.062.8912.961.25～532.0415.894.0122.863.1410.01＞529.9614.985.1024.983.269.15平炉渣2年＜1.2536.5416.783.8120.142.7013.811.25～532.0415.894.0122.863.1410.01＞529.9618.085.1024.983.269.15转炉渣3个月＜1.2542.9713.943.5619.141.396.631.25～542.4113.763.1420.981.436.25＞541.7813.673.4621.741.195.28转炉渣1年＜1.2543.8512.143.0519.031.047.891.25～540.2813.693.7422.021.435.89＞539.0315.743.9126.192.104.871.3钢渣的矿物组成钢渣的主要矿物组成一般为：-C2S、C3S、C3MS2、CSH、RO相和金属铁等。但随着堆放期的延长和粒径增大，C2S和C3S的含量降低，C3MS2和金属铁的含量增大。钢渣矿物的组成决定了钢渣具有一定的胶凝性，主要源于其中一些活性胶凝4矿物的水化，如平炉渣CaO含量高时，常生成C3S、C2S及铁铝酸盐；转炉渣的C3S含量更多，故活性高于一般平炉渣。电炉还原渣中常含有C2S、CA、C12A7等，若CaO含量高时还形成C3S、C3A。与硅酸盐水泥熟料比，钢渣中这些矿物含量要少得多，且晶体发育粗大，活性较低。钢渣中游离的CaO、MgO含量较高，因而稳定性差。此外。钢渣中铁和锰的含量也比较高，由于铁、锰离子具有较强的极化能力，对氧有很大的亲和力，因此，氧离子能脱离正硅酸钙(锰)四面体破坏正硅酸盐结构，使四面体互相连接起来，生成巨大而复杂的硅氧团，从而降低其易磨性。1.4钢渣的综合利用现状1.4.1用于炼钢和炼铁，包括烧结原料和配料及冶金炉熔剂等，这是钢厂起初利用钢渣的的动机和目的所在，在生产中已取得好的应用成效。1.4.2用于生产新型建筑材料，主要制备砌块空心砖等混凝土制品及生产耐火粘土砖、镁砖。钢渣微晶玻璃、钢渣纤维及其制品等亦在研究中。1.4.2用于道路材料。建设部编制的《钢渣筑路规范》肯定了钢渣筑路的研究工作和实际应用的可能性，利用钢渣填筑路基和修建路面基层和底层已被公路、铁路实际应用所证明。将钢渣作为耐磨集料制备高耐磨水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的研究也取得较大进展。1.4.3用于农业生产，主要是用于农业生产磷肥、硅肥及作为酸性土壤改良剂等。1.4.5用于建筑回填、填海、喷丸清理的清洁剂、水体滤池滤料、工业及医用发热剂或干燥剂等。1.4.6用于水泥生产。主要为生产碱—钢渣—矿渣水泥，少熟料钢渣矿渣水泥，作为水泥生料原料代替石灰石、粘土生产水泥熟料，生产钢渣微粉作为混凝土的添加材料等，以上各类产品中，钢渣的利用率均较低，一般不大于30%。据统计资料估计，我国钢渣的利用率约在10%左右。1.5项目的提出及研究思路我国黑色冶金废渣主要有矿渣和钢渣，其中矿渣的研究应用，我国是走在世界前列的，其中，本课题组也获得多项技术成果，矿渣在水泥混凝土行业已变成5不可或缺的抢手的资源。而钢渣由于化学成份波动性大、活性差、易磨性差等原因，使得在水泥行业中的应用受到很大的限制。而钢渣的化学成份和矿物成份与水泥熟料又很接近，是一种优质的有潜在活性的水硬性胶凝材料，不能被充分利用或是粗放性利用是由于目前的技术水平造成的。针对这一情况我们提出高掺量钢渣应用的“钢渣三合一水泥”研究课题。所谓三合一水泥是指该水泥是有钢渣、水泥熟料、工艺添加剂三种成份组成，其主要指标为水泥中钢渣掺量大于60%。本课题的研究思路和技术路线主要从以下两个方面考虑(1)采用物理的方法激发钢渣的潜在活性，利用机械力-化学原理，尽可能地提高钢渣的比表面积，主要依靠课题组的专利设备—相向旋转超重力磨粉机，使得钢渣比表面积很容易达到600㎡/㎏以上，该设备可使物料对撞速度达到240m/s，出料粒径很容易达到1200目以上。(2)采用化学方法激发钢渣的潜在活性，利用课题组建立的钠—钙—硫激发理论，研制一种适用钢渣成份的外加剂，使钢渣在水化过程，在碱性条件下解聚同时聚合具有潜在活性的钙、硅、铝等活性组份，使水泥获得强度。在上述措施下获得性能相当于矿渣硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥32.5级以上的“钢渣三合一水泥”。2．实验原料及方法2.1实验原料(1)包钢钢渣：取自包钢渣场，其化学组成见表4，矿物组成见图1；(2)首钢陈渣：取自首钢渣场，其化学组成见表4，矿物组成见图2；(3)马钢陈渣：取自马渣场，其化学组成见表4，矿物组成见图3；(4)马钢新渣：取自马钢渣场，其化学组成见表4，矿物组成见图4；(5)硅酸盐水泥：江南小野田PⅡ42.5，熟料，其化学组成见表4；(6)工艺外加剂：自制。6表4原料的化学成份(%)序号原料名称CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOTiO2MnOP2O5K2ONa2OSO3其它合计1包钢钢渣36.2635.7612.410.548.121.510.700.080.550.911.162.001002马钢陈渣44.9412.791.6825.618.091.222.821.660.020.031.141003马钢新渣46.1212.621.6125.488.031.222.151.590.020.031.131004首钢陈渣43.5422.965.4015.506.340.831.350.980.310.330.612.851005水泥熟料66.6021.715.063.560.880.550.050.810.75100图1马钢陈渣XRD图7图2马钢新渣XRD图图3首钢陈渣XRD图8图4包钢钢渣XRD图由表4和图1～图4的分析可知：①包钢钢渣的碱度系数CaO/(SiO2+P2O5)仅为1.03，远低于YB/T022-92标准中大于1.8的要求，从XRD中可见其矿物组成主要为钙镁黄长石的晶体，综合表明该渣的活性非常低。②马钢陈渣的碱度系数为3.11。③马钢新渣的碱度系数为3.25。④首钢陈渣的碱度系数