［摘 要］本研究在熔融態不鏽鋼渣中分別添加鈣質、硅質、硅鋁質校正料，測試摻鋼渣粉的膠砂試件流動度、抗折強度、抗壓強度與活性指數，研究校正料對不鏽鋼渣膠凝活性的影響。試驗結果表明，比水泥顆粒細的鋼渣粉能夠提高膠砂的流動度，添加鈣質或硅質校正料均可將鋼渣粉活性指數提高到 100% 以上，在爐前可以利用鋼渣餘熱加熱校正料來改善鋼渣活性。

［關鍵詞］不鏽鋼渣；膠凝活性；礦物校正料；強度；流動度

0 引言

鋼渣是鍊鋼過程中產生的固體廢棄物，其產生量爲粗鋼產量的 10%～15%。2017 年，全國冶金渣產生量爲 3.94 億噸，其中鋼渣產生量爲 1.08 億噸，同比增長300 萬噸，但綜合利用率卻很低，轉爐鋼渣的利用率僅爲 10%～20%。而在發達國家，鋼渣的利用率已經超過了 95%[1]，而且大都將鋼渣用於土木工程和道路工程。此外，日本還將鋼渣作爲營養貧瘠化海域的基質材料和肥料，製造海藻場，改善海底質量[2]。

鋼渣主要化學成分爲 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO 和少量 f-CaO、MnO、FeO、P2O5 及金屬 Fe 組成，成分與水泥相似[3]，是一種富有潛在利用價值的資源。但是鋼渣活性低、雜質含量高，導致其利用率很低。

目前，鋼渣活性激發方式分爲機械激發、化學激發和熱力激發三種。機械激發一般是通過磨細的方式，增大鋼渣的比表面積，加速水化，提高鋼渣的活性。用粒徑大於 61μm 的粗鋼渣磨細和原樣鋼渣對比，早期和後期水化活性都有所增長，但激發效果不明顯[4]。化學激發主要是通過在鋼渣加入激發劑，在激發劑形成的鹼性環境中與溶液中的 OH-、Ca2+ 和 Na+ 相互反應，使玻璃體瓦解[5]。試驗表明，鹼激發劑能夠有效提高摻鋼渣水泥的強度[6,7]。熱力激發通過提高鋼渣的水化溫度，使Si-O 鍵和 Al-O 鍵更易斷裂，促進鋼渣玻璃體的瓦解，激發鋼渣活性。經 100℃ 蒸壓處理的鋼渣—粉煤灰—石膏體系，預處理料摻量爲 35% 和 40% 時，強度仍可達到 42.5 級水泥標準[8]。硅酸三鈣（C3S）是硅酸鹽水泥熟料的主要礦物。C3S 在低於 1250℃ 會分解爲硅酸二鈣（C2S），C2S 有多種晶型，主要爲α-C2S、β-C2S 和γ-C2S 等。α-C2S 在630～680℃ 轉變爲 β 型，溫度降至 500℃ 以下，β-C2S轉變爲γ-C2S。β-C2S 在常溫下是介穩的高溫型礦物，具有較高的活性[9]。所以通過在高溫下與校正料拌合然後急冷的方式以獲得大量的β-C2S，以此達到提高鋼渣活性的目的。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

（1）試驗所用鋼渣爲不鏽鋼渣，其主要化學成分見表 1。

（2）試驗所用水泥爲 P·I 52.5R 硅酸鹽水泥，密度爲 3.15g/cm3，比表面積爲 301m2/kg；28d 抗壓強度爲55.2MPa，其它性能指標詳見表 3 中的 0# 樣。

（3）試驗所用石膏爲溼式脫硫二水石膏。

1.2 試驗方法

在鍊鋼車間剛剛排出的熔融態不鏽鋼渣中，分別添加鈣質（1#）、硅質（2#）和硅鋁質（3#）校正料，趁熱（約 1300℃）拌合、急冷。（注：由於涉及專利內容，本文三種校正料分別用 1#、2#、3# 表示）將冷卻後的鋼渣磨成比表面積 450m2/kg 的鋼渣粉，按標準 GB/T 20491—2017《用於水泥和混凝土中的鋼渣粉》[10] 和GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》[11] 測試相關性能與活性指數，具體試驗方案見表 2。

2 結果與討論

按照標準方法，分別測定膠砂流動度和膠砂強度，計算流動度比和活性指數，試驗結果如表 3 所示。

通過摻鋼渣粉膠砂試樣的流動度與基準樣的流動度比（見圖 1）可以看出，1# 樣和 2# 樣流動度略大於基準樣，3# 樣流動度比最大，1# 樣流動度比最小。各試樣流動度相對於基準樣都有所提高，說明摻入比水泥細的鋼渣對水泥的流動性是有利的，且硅鋁質校正料效果最爲明顯。

對比各齡期抗折強度（見圖 2），3d 強度最高爲基準樣（0#），其次是添加硅質校正料的試樣（2#），添加硅鋁質校正料者（3#）最低；28d 強度最高爲添加鈣質校正料者（1#），其次爲基準樣，說明添加鈣質校正料無助於提高膠砂的早期強度，但有利於後期強度的增長。在鋼渣中添加鈣質校正料能夠促進體系中 C2S 的生成，提高膠凝材料的活性。當體系中 C2S 含量較高時，水化反應速度較慢，所以早期強度較低；隨着養護時間的增加，C2S 的水化越來越完全，膠砂試件後期強度增長較多。

對比各齡期抗壓強度（見圖 3），3d 強度最高爲基準樣，其次爲添加鈣質校正料的試樣（1#），最低爲添加硅鋁質校正料者（3#）；28d 強度最高爲添加鈣質校正料者（1#），其次爲添加硅質校正料者（2#），最低爲添加硅鋁質校正料者（3#）。說明鋼渣添加鈣質和硅質校正料後，作爲混合材製作的膠砂試件早期強度比較低，但後期強度增長多，且能超過基準樣的強度。各齡期的活性指數變化趨勢（見圖 4）與抗折強度、抗壓強度的變化趨勢相同，添加鈣質校正料者（1#）和添加硅質校正料者（2#）早期活性指數較低，而 28d 活性指數均超過了 100%。

在添加校正料的各試樣中，各齡期抗壓強度最高均爲添加鈣質校正料者，而且活性指數在各齡期也是最高。在高溫下鈣質校正料與鋼渣發生反應，體系中生成了較多的 C2S，而且在水化過程中，體系的鹼度（pH值）提高，表現爲體系中 OH- 離子的增多，促進了鋼渣玻璃體的解體，從而激發了活性。與添加鈣質校正料者相比，添加硅質校正料者抗壓強度與活性指數雖然略低，但 28d 強度與活性指數均超過了基準樣，說明在高溫下添加硅質校正料也能部分解體鋼渣中的非活性成分，從而提高鋼渣的膠凝活性。

3 結論

（1）鋼渣本身具有一定膠凝活性，但由於活性成分被非活性成分包裹，致使鋼渣活性較低。

（2）在爐前添加鈣質、硅質或硅鋁質校正料，鋼渣試樣的流動度比均大於 100%，其中添加硅鋁質校正料者流動度比最大，說明比水泥顆粒細的鋼渣摻入水泥中能提高膠砂的流動性。

（3）在熔融態鋼渣中添加鈣質校正料有利於生成更多的 C2S，添加硅質校正料有利於解體鋼渣中的非活性成分，這兩種校正料均能提高鋼渣活性。由於 C2S 水化速率慢，膠砂試件的早期抗折強度、抗壓強度和活性指數都低於基準樣，隨着 C2S 不斷水化，添加鈣質或硅質校正料的鋼渣按 30% 摻入水泥之後， 28d 抗折強度、抗壓強度與活性指數均有大幅提高。

（4）在爐前添加校正料對鋼渣活性的改善，有效地利用鋼渣餘熱，同時促進鋼渣的有效利用，減少鋼渣排放對環境的污染，具有重大的低碳環保意義。

來源於河南大學蔡基偉等

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