鋼渣機制砂生產工藝研究

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因天然河砂使用量巨大、開采過度，造成巨大的生態環境壓力，迫切需要尋找天然河砂的替代品[1-2]。鋼渣作為鋼鐵企業的固體廢棄物，屬于過燒“劣質”熟料。鋼渣中含有C3S、C2S、C4AF等與水泥熟料相同的礦物成分，具有潛在水硬活性[3]。因鋼渣較礦渣等固體廢棄物難研磨，且水化活性較低，目前主要通過渣場堆放處理，其綜合利用率不足30%[4-5]。國內大部分城市使用固體廢棄物生產混凝土空心砌塊等輕質新型墻體材料，取代質重、能耗高的實心黏土磚[6]。本文采用鋼渣生產機制砂，通過破碎、球磨、篩分出粗鋼渣砂及細鋼渣粉，采用粗、細鋼渣制備混凝土砌塊，摻入激發劑激發鋼渣水化活性，測試混凝土砌塊強度，分析硬化體XRD圖譜，探討鋼渣用于混凝土砌塊、砂漿、混凝土等的生產技術及水化特征。

1試驗

1.1原材料。鋼渣：廣西力合城市礦產再生資源科技有限公司原料堆場，粘結顆粒，質地堅硬，主要化學成分見表1。鋼渣的堿度系數為2.1，大于GB/T20491—2006《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》中堿度系數≥1.8的要求，說明該鋼渣中具有較多的活性礦物成分。該鋼渣的MgO含量較高，但對鋼渣粉進行體積安定性檢測發現其安定性合格。水泥：華潤水泥（封開）公司生產的P•O42.5水泥；石膏：蒼梧順風鈦白粉有限責任公司生產的β型半水鈦石膏粉，灰白色，粉碎后過100目方孔篩，主要化學成分為CaO、SO3及少量TiO2、Al2O3、SiO2等，pH值為6.13；粉煤灰：廣西欽州藍島環保材料有限公司生產的F類Ⅱ級粉煤灰，其主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3及少量CaO、MgO等，pH值為10.05；石：梧州某礦山生產的碎石，粒徑為5～10mm。1.2鋼渣的有害成分分析。由于鐵礦石的化學成分復雜，加上冶煉過程要加入某些添加劑，一些有害元素會隨鋼渣排放出來，可能會對人體或生態環境造成污染、傷害。對鋼渣的有害元素含量及其浸出液進行分析，結果見表2。由表2可見，鋼渣的有害元素含量及浸出液濃度均低于GB5085.6—2007《危險廢物鑒別標準毒性物質含量鑒別》和GB5085.3—2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》中的標準值，說明鋼渣原材料及鋼渣機制砂、鋼渣粉等可安全用于砂漿、混凝土、砌墻磚等建筑制品中。浸出液的pH值為10.91，呈堿性，可為硅酸鹽礦物水化提供良好的堿性水化環境，加速激發鋼渣的水化活性。1.3鋼渣機制砂的制備。大塊鋼渣經噴淋潤濕在顎式破碎機中2次破碎后，出料粒度為20~40mm，送入隔膜式跳汰機，在隔膜的鼓動作用下鋼渣顆粒按密度分層，細而重的鋼渣顆粒沉集在儲料斗中排出后即是鋼渣機制砂，粗而輕的顆粒經濕式球磨得粉料顆粒為30~80目的料漿；料漿經搖床分離不同密度的粉粒，達到帶重金屬的渾水漿液與普通漿液分離的目的，隨后料漿進入帶式陶瓷壓濾機壓濾成為含水率約6%的鋼渣粉。另外還可將其送入回轉式烘干機中干燥，將其含水率降至1%以下，與適量的粉煤灰、石灰石等進行二次球磨制備顆粒為500目（粒徑約為25μm）的礦渣微粉。鋼渣機制砂的生產工藝見圖1。圖1鋼渣機制砂的生產工藝流程本生產工藝具有以下特征：（1）2次破碎與粉磨能及時將磨細的鋼渣顆粒分離出來，提高塊狀鋼渣的破碎、粉磨效率，降低能耗及耐磨部件的損耗，避免鋼渣出現過粉碎現象，獲得顆粒級配良好的鋼渣機制砂和鋼渣粉。（2）鋼渣經跳汰機可將鋼渣顆粒按密度分離成不同產品。（3）鋼渣噴淋潤濕、跳汰、搖床用水、壓濾用水經沉淀池處理后可循環重復利用，無污水排放。（4）該工藝不僅可以生產鋼渣機制砂，副產鋼渣粉，通過摻入粉煤灰、石灰石粉混合均勻粉磨后還可生產粒徑為500目的礦渣微粉。1.4試驗方法。（1）鋼渣有害元素含量及浸出液濃度：按照GB5085.6—2007、GB5085.3—2007進行測試。（2）砌塊抗壓強度：將鋼渣粉、鋼渣機制砂、石按比例配制，采用石膏、水泥作膠凝材料，激發鋼渣機制砂中的硅酸鹽礦物活性，用靜壓砌塊成型機壓制成型，壓制壓力10MPa，脫模壓力12MPa，鋼渣機制砂混凝土砌塊規格為240mm×115mm×90mm。當砌塊養護至規定齡期后，按照GB/T4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》測試其抗壓強度。（3）XRD分析：取部分砌塊樣品研磨并通過200μm方孔篩篩取粉末，用日本株式會社RigakuMiniflex600X射線衍射儀對樣品進行物相分析，X光管為Cu靶，管電壓40kV，管電流40mA，測量方法采用2θ掃描，樣品掃描范圍10°～90°。

2試驗結果與分析

2.1鋼渣機制砂混凝土砌塊配比及抗壓強度。將鋼渣機制砂、鋼渣粉、石、水泥、石膏按比例混合制備鋼渣機制砂混凝土砌塊，其配比及28d抗壓強度試驗結果見表3。從表3可知，單摻水泥（2#）的抗壓強度為單摻石膏（1#）的1.6倍；復摻水泥、石膏（4#）的抗壓強度是單摻石膏（1#）的2.2倍、單摻水泥（2#）的1.4倍，說明水泥作激發劑效果優于石膏，但水泥、石膏復摻效果最佳。這是因為水泥水化后生成的Ca（OH）2和石膏水化生成的CaSO4•2H2O可激發鋼渣機制砂中硅酸鹽礦物的潛在水化活性，CaSO4•2H2O又可與水化鋁酸鈣生成鈣礬石，加速水化進程，激發鋼渣機制砂活性[7]。摻入鋼渣粉的砌塊（3#）抗壓強度高于未摻鋼渣粉砌塊（2#），這是因為顆粒較細的鋼渣粉比機制砂更易水化，且可充當填料，骨料堆積更緊密，砌塊密實度增大。鋼渣機制砂表面粗糙，凹凸面較多，摻入鋼渣粉后可有效填充鋼渣機制砂周圍孔隙，提高砌塊密實度。摻入石子較多的砌塊（6#）和未摻石子的砌塊（7#），其抗壓強度均大幅降低，這是由于摻入石子過多時，鋼渣機制砂含量降低，粗細骨料比例不符合骨料最緊密堆積原理，砌塊密實度較低，具有膠凝性能的硅酸鹽礦物含量降低；而鋼渣機制砂用量大，且未摻入粗骨料時，依舊不能滿足骨料最緊密堆積原理，其結構疏松，砌塊密實度更低，骨料的比表面積增大，需摻入大量水泥參與水化反應方可激發鋼渣機制砂水化活性。2.2鋼渣機制砂混凝土砌塊的生產工藝。按m（鋼渣機制砂）∶m（鋼渣粉）∶m（石）∶m（水泥）=55%∶5%∶30%∶10%制備鋼渣機制砂混凝土砌塊。成型壓力對鋼渣機制砂混凝土砌塊抗壓強度的影響見表4。表4成型壓力對混凝土砌塊抗壓強度的影響由表4見，隨著成型壓力的增大，鋼渣機制砂混凝土砌塊的抗壓強度呈遞增趨勢；但壓力達12MPa后，砌塊抗壓強度增長變緩，過高的成型壓力會增大生產成本及脫模難度。成型壓力為12MPa時已能獲得外形規整、棱角清晰、表面光滑的砌塊，且抗壓強度滿足MU5強度等級要求。2.3鋼渣砌塊XRD分析。由圖2可見，鋼渣機制混凝土砌塊的主要礦物成分為碳酸鈣和鎂方解石及少量硅酸鈣和微量的斑銅礦。斑銅礦是隨鋼渣排放而帶出，碳酸鹽礦物來源于鋼渣砌塊中的石子和鋼渣。在XRD圖譜中未發現明顯的氫氧化鈣衍射峰，主要是在反應過程中消耗掉了。分析硅酸鹽礦物成分發現其主要為γ-C2S，γ-C2S晶體較α-C2S、β-C2S穩定，水化活性弱于α-C2S、β-C2S，圖23#砌塊28d齡期的XRD圖譜是鋼渣水化活性低難激發的主要因素。另外，XRD圖譜上還發現衍射強度極低的鉛、鋇、錫、鎢等物質的衍射峰，經有害元素含量及浸出液濃度分析，含量遠低于標準限值（見表2）。

3結論

（1）破碎壓濾工藝可同時生產鋼渣機制砂及鋼渣粉，生產效率高，能耗低、污染少，機制砂顆粒級配良好，且可循環利用廢水，適用于生產鋼渣機制砂。（2）鋼渣的有害元素含量及浸出液濃度均低于GB5085.6—2007、GB5085.3—2007規定的限值，可安全用于生產建筑制品。（3）復摻水泥、石膏的鋼渣機制砂混凝土砌塊抗壓強度是單摻水泥的1.4倍、單摻石膏的2.2倍，且滿足MU5強度等級的砌塊要求。（4）成型壓力加大可提高砌塊的抗壓強度，但成型壓力達到12MPa，砌塊抗壓強度增長效果不再明顯。過高的成型壓力會提高生產成本及脫模難度，因此，鋼渣機制混凝土砌塊的成型壓力以12MPa為宜。

作者:李錫松 楊成軍 單位:廣西建筑工程質量檢測中心

參考文獻：

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