活化工业固废钢渣制备绿色胶凝材料的探讨与研究

　　钢渣作为一种冶金工业废渣，随着钢铁工业的发展，大量的钢渣被排放和堆积，不仅占用土地，而且污染周围环境。钢渣组分中含有C3S、C2S等活性矿物组分，具有一定胶凝活性性，水化后具有与水泥类似的水化产物[1-3]。因而，可以用钢渣作水泥和混凝土掺合料。然而，钢渣的生成温度一般在1600℃以上，高于硅酸盐水泥熟料的生成温度1450℃，其矿物结晶致密、晶粒较大，被称为“过烧水泥熟料”，是一种具有潜在活性的胶凝材料[4]。钢渣的活性问题制约着它的发展与应用，因此钢渣的建材资源化利用必须经过活化处理工艺。钢渣的活性激发手段主要有物理激发法、化学激发法以及复掺硅质胶凝材料激发法等，试验在机械激发的基础上研究了不同化学激发剂对钢渣的活化处理，分析不同激发剂的激发效果，为制备钢渣绿色胶凝材料打下了基础。

　　1 试验原材料及方案

　　1.1 试验原材料

　　试验用硅酸盐水泥熟料由陕西声威建材集团有限公司提供；所用钢渣由陕西龙门钢铁有限公司提供；石膏为市售工业石膏；化学激发剂为市售分析纯普通试剂。原材料化学组成见表1。本试验钢渣为转炉钢渣，其碱度系数为2.17，属于硅酸二钙渣。用XRD分析试验用钢渣的矿物组成，如图1所示。其矿物组成主要为钙镁橄榄石、钙铁橄榄石、蔷薇辉石、以FeO为主的RO相、硅酸二钙，还有少量的氢氧化钙、游离氧化钙和氧化镁等。钢渣的SEM图如图2所示，从图中可以看到有较多的呈类圆粒状的C2S晶粒。

　　1.2试验方案

　　利用试验球磨机球磨钢渣至一定比表面积，通过分析确定钢渣最佳比表面积。选用化学激发剂活化处理钢渣，测试其制备钢渣胶凝材料的力学强度值并计算其胶凝活性。依据《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》（GB/T20491-2006）规定的方法，用胶砂强度活性指数(A)来表征钢渣的胶凝活性，活性指数包括7天和28天两个值，计算公式如下：

    在这个公式中，A—钢渣粉的活性指数，%；Rt—受检胶砂相应龄期的强度，单位为兆帕（MPa）；R0—比对胶砂相应龄期的强度，单位为兆帕（MPa）。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 机械激发试验

　　试验研究了不同粉磨时间对选用钢渣比表面积的影响，其测试结果见表3。检测其钢渣活性指数，其测试结果如图3所示。通过表3可以看出：随着球磨时间的增加，钢渣的比表面积逐渐增加。球磨时间从30分钟到60分钟增长速度较快，90分钟以后增长趋势较慢，利用现有的设备，再增加球磨时间，比表面积增加不明显，这是由于粉料球磨到一定程度发生团聚导致的。通过图3可以看出：随着钢渣比表面积的增加，活性指数（A）呈增长趋势。其活性指数与比表面积的关系类似于钢渣的球磨时间与比表面积关系图，在钢渣达到一定比表面积后，随着比表面积的增加，活性指数增速放慢，综合各方面考虑，本文选择球磨时间以60分钟为宜，比表面积控制在480 m2/kg左右，活性指数达80%的钢渣作为推广应用的参数，比较合理。

　　2.2 化学激发试验

　　选用常用的化学激发剂水玻璃（硅酸钠）、碳酸钠、硫酸钠以及自行配制的复合激发剂进行了探索试验研究。

　　2.2.1 单体水玻璃激发

　　选择市售单体水玻璃作为激发剂，其模数为2.44，掺量为胶凝材料的1%~5%，按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）成型胶砂试样并检测其7天与28天胶砂强度，并检测其活性指数A，检测结果图4所示。水玻璃掺量在1%的时候能够较好地激发出钢渣的胶凝活性。但是，随着掺量的增加，钢渣的活性指数逐渐下降。因此，认为单体水玻璃的最佳掺量在1%左右。