鋼渣對水泥性能的不利影響分析與改進

向叢陽，郭貴瀧，張玉清，彭 輝，鄭志龍，汪吉虎

（1.中國葛洲壩集團水泥有限公司，湖北 武漢 430070;2.葛洲壩漢川漢電水泥有限公司，湖北 漢川 431600）

0 引言

鋼渣是鋼鐵廠煉鋼過程中的副產品，通常所說的鋼渣多數來自轉爐或電爐煉鋼產生的廢渣，其主要礦物組成為硅酸二鈣、硅酸三鈣、RO相、鐵酸二鈣和游離氧化鈣等。但鋼渣按煉鋼方法可分為轉爐鋼渣、平爐鋼渣、電爐鋼渣等；按不同生產階段可分為煉鋼渣、澆鑄渣和噴濺渣。因此，不同的煉鋼方法、生產階段以及鋼種生產等，所排出的鋼渣的組分是各有差異的，將其作水泥混合材使用對水泥的性能也會產生一定差異[1-23]。公司下屬企業使用鋼渣作混合材試驗時，發現部分鋼渣會導致水泥速凝、速干和強度下降等問題，為此進行原因分析，并提出質量控制方法與優化改進措施。

1 原材料

熟料、脫硫石膏和其他混合材來自同一水泥廠，3種不同外觀鋼渣分別為小顆粒鋼渣（5～15 mm）、大顆粒鋼渣（20～40mm）、塊狀鋼渣（長度>40 mm），化學分析結果見表1，可看到塊狀鋼渣氧化鋁和氧化鈣含量相對更高。所有鋼渣粉磨60 min后過0.9 mm篩與熟料粉（含石膏）按30%+70%混勻配粉進行活性試驗與物檢性能檢測，結果如表2所示，可看到細顆粒和大顆粒鋼渣水泥樣品的稠度和強度等性能較為正常，3 d和28 d活性均在67%和72%以上，而小塊狀鋼渣制備的水泥漿體發干，硬化較快，強度壓不出數值。

表1 不同鋼渣化學分析結果 %

表2 不同鋼渣物檢結果

2 原因分析及改進措施

2.1 原因分析

對三種鋼渣進行XRD衍射分析，其XRD圖譜如圖1所示，采用Rietveld法進行物相定量分析的結果如表3所示?？煽吹礁麂撛饕锵喑杷岫}、鐵酸鈣、鐵鋁酸鈣、鐵相和RO相（Fe、Mg、Mn、Ni等二價金屬氧化物固溶體）外，塊狀鋼渣中含有高達20%的七鋁酸十二鈣（C12A7），該物相水化速度快，常溫水化產物主要為六方片狀的C2AH8和鋁膠（AH3），當溫度大于25℃后，則直接生成立方C3AH6或C2AH8轉化為C3AH6，而無論水化產生C2AH8以及生成或轉化為C3AH6，都會產生30%以上的體積收縮而增加漿體孔隙率[4]。因此，由XRD物相結果初步分析塊狀鋼渣中含有較高含量的C12A7是導致水泥凝結過快，且無強度的原因。表1的鋼渣化學分析結果也與表3物相分析結果一致，其中塊狀鋼渣因含有較高的C12A7導致氧化鋁含量較高。

表3 不同鋼渣物相分析結果

圖1 不同鋼渣XRD圖譜

2.2 質量監控

凝結正常（細顆粒和大顆粒）的鋼渣與造成水泥快速硬化的塊狀鋼渣用振動磨粉磨后按0.45的水灰比拌制對比，鋼渣粉初始甚至在10 min后仍具有漿體流態狀，而塊狀鋼渣粉加水幾秒內干硬成小球團。將塊狀與大顆粒鋼渣粉按不同比例混合加水的攪拌，依次比例為3∶1、2∶1、1∶1、1∶4和0∶1，右下角為熟料粉（含石膏），水灰比均為0.45。隨著塊狀高C12A7含量鋼渣摻比增加，漿體硬化更快，而只含大顆粒鋼渣的漿體10 min后仍具有漿體流態狀。

對礦點或進廠取樣、破碎、篩分、振動磨粉磨，然后稱取20 g鋼渣粉，加入9 g水進行攪拌，觀察鋼渣漿液凝結情況。一般正常的電爐或者轉爐鋼渣10 min后仍舊具有漿體流態，而含有較高的C12A7鋼渣（一般來自精包爐冶煉渣）會表現瞬凝現象，C12A7含量20%會在幾秒內速凝干硬成團或成球粒，含量10%～13%會在5 min內硬化成整體，含量4%會在5 min后漿體成糊狀，較黏、無流動性。對于日常監控發現不同硬化速度的鋼渣樣，可留樣進行XRD分析與監控的凝結現象作比對。

2.3 性能改進

因塊狀鋼渣中含有較高的C12A7，因此，可以考慮采用增加石膏摻量來改進其作水泥混合材使用性能。采用熟料粉（含石膏）與脫硫石膏粉和鋼渣等混合材粉配粉進行對比試驗，配比和對應的物檢性能分別如表4和表5所示?？煽吹?3樣品通過增加脫硫石膏摻量水泥強度得到明顯改善，甚至高出正常鋼渣#4樣，但稠度仍舊較大，雖初始流動度有所改進，但經時損失較大。分析原因，摻入更多的脫硫石膏可提供更多的可溶性硫酸根離子以與塊狀鋼渣中C12A7進行反應生成鈣礬石，使水泥的水化速度得到一定程度的降低，同時生成的鈣礬石不僅作為水化產物，還可以降低水泥漿體的收縮，因此，水泥強度得到明顯改善。但鈣礬石的快速形成過程中需要較多的水，且鈣礬石晶體的形成會增加水泥漿體的屈服應力和漿體黏度，進而使水泥的稠度增加，凈漿流動性降低[5]。

表4 配粉方案 %

表5 配粉樣品物理性能

因此對于速凝鋼渣，可考慮采取低摻量（2%左右）搭配增加（1%）脫硫石膏生產對工作性能要求不高而早期強度較高的水泥，最好在冬季處置利用。

4 小結

通過分析找出一種鋼渣造成水泥快硬快干、強度下降的原因主要是其含有較高含量的七鋁酸十二鈣（C7A12），該物相水化較快，且在溫度變化過程中會伴有晶型轉變與較大體積收縮，導致水泥強度下降明顯，稠度和流動性影響較大。對該類鋼渣可采取以下質量監控與性能改進方法。

（1）對進廠或礦點鋼渣進行制粉，然后直接按0.45水灰比加水攪拌觀察漿體狀態，其中C7A12含量較高的鋼渣漿體硬化較快，而正常凝結鋼渣漿體呈流態。

（2）可考慮水泥中摻入少量該類鋼渣，同時增加0.25～0.5倍的石膏摻量來改進水泥強度，從而應用于對水泥工作性能要求不高而早強和快凝要求的需求中。