宝钢钢渣微粉及其胶凝材安定性和相容性研究

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张晖，高卫波，张键，金强

(中冶宝钢技术服务有限公司，上海200941)

摘要：在研究宝钢钢渣微粉的化学成分及其矿物相组成X射线分析的基础上，通过压汞

法测定了矿渣微粉与钢渣微粉的孔结构数据，分析了钢渣微粉孔结构特性和分布情况，比较了矿渣与钢渣微粉显微的照片形貌；对掺30％钢渣微粉的钢渣水泥进行了压蒸法安定性试验；以不同厂家水泥为基准，并采用四种不同类别的外加剂，对掺加30％钢渣粉进行了凝结时间和强度、塑性扩张度等水泥及外加剂相容性对比试验，提出了宝钢钢渣微粉可以作为水泥混凝土掺合料利用的技术可行性。

关键词：钢渣微粉：安定性：相容性

0 前言

由于钢渣中含有大量的游离CaO和MgO，这些矿物经过炼钢过程的高温死烧，导致结构致密活性较差，在水泥水化初期，它们一般不会水化，但在后期，这些矿物遇水水化，形成氢氧化钙和氢氧化镁，发生体积膨胀，就将破坏混凝土结构。但宝钢的钢渣经过先进的渣处理工艺处理后，其中的游离CaO含量少于5％，由于已经经过较长时间的存放，同时粉磨得非常细，不会造成安定性不良，在水泥中掺入量高达60％仍然安定性合格，可以用来作为混凝土的掺合料和水泥的混合材料。将经检验符合有关标准的钢渣微粉掺加到水泥沙浆或混凝土中，在一定范围内不会改变水泥、混凝土等的原有特性，与水泥、混凝土及其外加剂有较好的相容性。

1 试验概况

1．1原材料及设备

钢渣微粉采用中冶宝钢技术服务有限公司生产的钢渣。水泥采用海螺牌P．O42．5普通硅酸盐水泥，其化学成分及物理力学性能见表1、2。

试验用到压蒸机、电子显微镜及凝结时间、水泥胶砂强度测试机等。

1．2试验方法

根据研究方案和目的，确定各种掺量的钢渣微粉对胶凝材的安定性影响和与其相容性，其中采用了GBJ 117—2000《水泥胶砂强度实验方法》测试掺各种掺渣量钢渣微粉水泥砂浆力学性能，还采用了压蒸法和水泥凝结时间等相关标准。

2 试验结果与讨论

2．1钢渣的化学与矿物组成

2．1．1 一般钢渣的化学组成

一般钢渣的主要化学成分有SiO₂，Fe₂O₃，FeO，CaO，MgO，MnO，P₂O₅，SO₂，Fe等。不同炼钢厂的钢渣成分大不相同，不同炉型的钢渣成分差别很大，甚至同一台炼钢炉不同炉次的钢渣成分也往往有所差异。因此钢渣本身的性能变化很大，稳定性较差，使钢渣的有效利用难度增大。转炉渣和平炉渣成分较接近，并与水泥熟料成分类似，但是CaO和Al₂O₃含量稍低于水泥熟料，Fe₂O₃，FeO和MgO比熟料高。钢渣含有一定量的P₂O₅。前期渣中FeO含量较高，一般达25％以上；后期渣中FeO较低，一般小于15％。

2．1．2一般钢渣的矿物组成

一般转炉和平炉后期渣中含有的主要矿相有：钙镁橄榄石(CMS)、镁蔷薇辉石(C₃MS₂)、硅酸二钙(C₂S)、硅酸三钙(C₃S)、铁酸钙(C₂F)、RO相、游离CaO等。转炉渣和平炉渣后期渣的矿物组成中均含有一定量的水硬性矿物，如C₃S、C₂S、C₂AxF1-X、C₂F等，故是水硬性材料。但其水硬性低于水泥熟料，尤其是早期水化硬化速度慢。Mason B提出的钢渣碱度=CaO／(SiO₂ P₂O₅)及其分类概念，可将钢渣化学成分与矿物组成相联系。钢渣碱度对水泥强度有重要的影响：钢渣碱度提高，渣中C₃S和C₂S含量提高；但是，当钢渣中P₂O₅含量提高时，它和CaO、SiO₂形成CaO·SiO₂·P₂O₅，消耗了较多的CaO。这样就将由于CaO的水化产生的膨胀降到比较小的程度，使钢渣水泥的安定性良好。

2．1．3宝冶钢渣组成分析

中冶宝钢技术服务有限公司生产的钢渣化学成分见表3，其矿物组成见表4。

2．2钢渣微粉的特性和安定性研究

钢渣微粉的孔特性和孔径分布情况见表5、6，显微结构如图l。

由试验结果可以看出，钢渣微粉微孔数量明显比矿渣粉多，钢渣微粉中小于500 nm的孔比矿渣粉多1倍以上，因此在相同细度情况下，钢渣微粉比表面积比矿渣粉大，需水量也有可能比矿渣粉多。

钢渣中含有大量的游离CaO和MgO，这些矿物由于经过炼钢过程的高温死烧，因而结构致密活性较差，在水泥水化初期，它们一般不会水化，但在后期，这些矿物遇水水化，形成氢氧化钙和氢氧化镁，发生体积膨胀，就将破坏混凝土结构。试验通过蒸煮快速测定掺钢渣水泥砂浆的后期稳定性。采用胶砂比为1：3，水灰比为0．5的砂浆试件在标准养护条件下养护7 d后放置于100℃水中7 d，然后测定其强度作为掺钢渣粉水泥砂浆试件的安定性指标。图2是各种掺量钢渣粉水泥浆在100℃水中7 d后强度变化情况。

在100℃水中7 d，水泥砂浆强度随钢渣粉掺量增加而降低，但各种掺量钢渣粉的水泥砂浆强度均比砂浆在标准养护条件下7 d强度要高，并且随钢渣粉掺量增加，砂浆在100℃水中的强度比标准养护7 d强度提高幅度逐渐增大。在钢渣粉掺量10％时，提高12％左右；当钢渣粉掺量30％时，提高20％；钢渣掺量50％时，已经接近28 d强度；特别是当钢渣粉掺量60％时，其强度甚至比标准养护条件下28 d强度还要高。

在100℃水中7 d后强度无变化的情况下，对掺30％钢渣微粉的水泥浆进行压蒸法安定性检测，结果显示两种水泥浆压蒸后的膨胀率：P．O42．5水泥 30％钢渣粉的膨胀率为0．34％；钢渣粉：矿渣粉：熟料：石膏=32：52：10：6的膨胀率仅为0．08％，因此可以认为钢渣微粉对水泥浆体安定性无不良影响。

磨细钢渣粉在水泥砂浆或混凝土中使用无安定性问题，这可能是由于钢渣经粉磨达到一定细度后，游离的CaO和MgO被活化，在水泥水化早期就参与反应，生成Ca(OH)₂和Mg(OH)₂，虽然反应产物体积大于反应物，但此时混凝土还处于塑性状态中，因此不会造成混凝土结构破坏。

2．3钢渣微粉与水泥及外加剂相容性研究

所谓钢渣与水泥及外加剂之间的相容与不相容，可以这样认为：配混凝土(砂浆)时，按照混凝土和水泥的应用技术规范，将经检验符合有关标准的钢渣微粉掺加到水泥砂浆或混凝土中，若能产生应有的效果，则该水泥与钢渣微粉是相容的；相反，若不能产生应有的效果，则该水泥与钢渣微粉是不相容的。

2．3．1钢渣微粉与水泥间相容性的试验

本研究对宝钢钢渣微粉与数种水泥之间的相容性进行试验。采用六种牌号的P．O 42．5普通硅酸盐水泥，测定掺加30％的钢渣微粉后水泥浆体的凝结时间和强度的变化，随后进行对比。试验中，钢渣微粉的掺加方式、搅拌时问和养护条件等均相同，结果如表7、8所示。由表中结果可见，将钢渣微粉掺加到不同品种的水泥中，其所起的效果不尽相同，也即钢渣微粉与不同水泥间存在着不同的相容性。