钢渣机制砂生产工艺研究

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因天然河砂使用量巨大、开采过度，造成巨大的生态环境压力，迫切需要寻找天然河砂的替代品[1-2]。钢渣作为钢铁企业的固体废弃物，属于过烧“劣质”熟料。钢渣中含有C3S、C2S、C4AF等与水泥熟料相同的矿物成分，具有潜在水硬活性[3]。因钢渣较矿渣等固体废弃物难研磨，且水化活性较低，目前主要通过渣场堆放处理，其综合利用率不足30%[4-5]。国内大部分城市使用固体废弃物生产混凝土空心砌块等轻质新型墙体材料，取代质重、能耗高的实心黏土砖[6]。本文采用钢渣生产机制砂，通过破碎、球磨、筛分出粗钢渣砂及细钢渣粉，采用粗、细钢渣制备混凝土砌块，掺入激发剂激发钢渣水化活性，测试混凝土砌块强度，分析硬化体XRD图谱，探讨钢渣用于混凝土砌块、砂浆、混凝土等的生产技术及水化特征。

1试验

1.1原材料。钢渣：广西力合城市矿产再生资源科技有限公司原料堆场，粘结颗粒，质地坚硬，主要化学成分见表1。钢渣的碱度系数为2.1，大于GB/T20491—2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》中碱度系数≥1.8的要求，说明该钢渣中具有较多的活性矿物成分。该钢渣的MgO含量较高，但对钢渣粉进行体积安定性检测发现其安定性合格。水泥：华润水泥（封开）公司生产的P•O42.5水泥；石膏：苍梧顺风钛白粉有限责任公司生产的β型半水钛石膏粉，灰白色，粉碎后过100目方孔筛，主要化学成分为CaO、SO3及少量TiO2、Al2O3、SiO2等，pH值为6.13；粉煤灰：广西钦州蓝岛环保材料有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰，其主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3及少量CaO、MgO等，pH值为10.05；石：梧州某矿山生产的碎石，粒径为5～10mm。1.2钢渣的有害成分分析。由于铁矿石的化学成分复杂，加上冶炼过程要加入某些添加剂，一些有害元素会随钢渣排放出来，可能会对人体或生态环境造成污染、伤害。对钢渣的有害元素含量及其浸出液进行分析，结果见表2。由表2可见，钢渣的有害元素含量及浸出液浓度均低于GB5085.6—2007《危险废物鉴别标准毒性物质含量鉴别》和GB5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中的标准值，说明钢渣原材料及钢渣机制砂、钢渣粉等可安全用于砂浆、混凝土、砌墙砖等建筑制品中。浸出液的pH值为10.91，呈碱性，可为硅酸盐矿物水化提供良好的碱性水化环境，加速激发钢渣的水化活性。1.3钢渣机制砂的制备。大块钢渣经喷淋润湿在颚式破碎机中2次破碎后，出料粒度为20~40mm，送入隔膜式跳汰机，在隔膜的鼓动作用下钢渣颗粒按密度分层，细而重的钢渣颗粒沉集在储料斗中排出后即是钢渣机制砂，粗而轻的颗粒经湿式球磨得粉料颗粒为30~80目的料浆；料浆经摇床分离不同密度的粉粒，达到带重金属的浑水浆液与普通浆液分离的目的，随后料浆进入带式陶瓷压滤机压滤成为含水率约6%的钢渣粉。另外还可将其送入回转式烘干机中干燥，将其含水率降至1%以下，与适量的粉煤灰、石灰石等进行二次球磨制备颗粒为500目（粒径约为25μm）的矿渣微粉。钢渣机制砂的生产工艺见图1。图1钢渣机制砂的生产工艺流程本生产工艺具有以下特征：（1）2次破碎与粉磨能及时将磨细的钢渣颗粒分离出来，提高块状钢渣的破碎、粉磨效率，降低能耗及耐磨部件的损耗，避免钢渣出现过粉碎现象，获得颗粒级配良好的钢渣机制砂和钢渣粉。（2）钢渣经跳汰机可将钢渣颗粒按密度分离成不同产品。（3）钢渣喷淋润湿、跳汰、摇床用水、压滤用水经沉淀池处理后可循环重复利用，无污水排放。（4）该工艺不仅可以生产钢渣机制砂，副产钢渣粉，通过掺入粉煤灰、石灰石粉混合均匀粉磨后还可生产粒径为500目的矿渣微粉。1.4试验方法。（1）钢渣有害元素含量及浸出液浓度：按照GB5085.6—2007、GB5085.3—2007进行测试。（2）砌块抗压强度：将钢渣粉、钢渣机制砂、石按比例配制，采用石膏、水泥作胶凝材料，激发钢渣机制砂中的硅酸盐矿物活性，用静压砌块成型机压制成型，压制压力10MPa，脱模压力12MPa，钢渣机制砂混凝土砌块规格为240mm×115mm×90mm。当砌块养护至规定龄期后，按照GB/T4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》测试其抗压强度。（3）XRD分析：取部分砌块样品研磨并通过200μm方孔筛筛取粉末，用日本株式会社RigakuMiniflex600X射线衍射仪对样品进行物相分析，X光管为Cu靶，管电压40kV，管电流40mA，测量方法采用2θ扫描，样品扫描范围10°～90°。

2试验结果与分析

2.1钢渣机制砂混凝土砌块配比及抗压强度。将钢渣机制砂、钢渣粉、石、水泥、石膏按比例混合制备钢渣机制砂混凝土砌块，其配比及28d抗压强度试验结果见表3。从表3可知，单掺水泥（2#）的抗压强度为单掺石膏（1#）的1.6倍；复掺水泥、石膏（4#）的抗压强度是单掺石膏（1#）的2.2倍、单掺水泥（2#）的1.4倍，说明水泥作激发剂效果优于石膏，但水泥、石膏复掺效果最佳。这是因为水泥水化后生成的Ca（OH）2和石膏水化生成的CaSO4•2H2O可激发钢渣机制砂中硅酸盐矿物的潜在水化活性，CaSO4•2H2O又可与水化铝酸钙生成钙矾石，加速水化进程，激发钢渣机制砂活性[7]。掺入钢渣粉的砌块（3#）抗压强度高于未掺钢渣粉砌块（2#），这是因为颗粒较细的钢渣粉比机制砂更易水化，且可充当填料，骨料堆积更紧密，砌块密实度增大。钢渣机制砂表面粗糙，凹凸面较多，掺入钢渣粉后可有效填充钢渣机制砂周围孔隙，提高砌块密实度。掺入石子较多的砌块（6#）和未掺石子的砌块（7#），其抗压强度均大幅降低，这是由于掺入石子过多时，钢渣机制砂含量降低，粗细骨料比例不符合骨料最紧密堆积原理，砌块密实度较低，具有胶凝性能的硅酸盐矿物含量降低；而钢渣机制砂用量大，且未掺入粗骨料时，依旧不能满足骨料最紧密堆积原理，其结构疏松，砌块密实度更低，骨料的比表面积增大，需掺入大量水泥参与水化反应方可激发钢渣机制砂水化活性。2.2钢渣机制砂混凝土砌块的生产工艺。按m（钢渣机制砂）∶m（钢渣粉）∶m（石）∶m（水泥）=55%∶5%∶30%∶10%制备钢渣机制砂混凝土砌块。成型压力对钢渣机制砂混凝土砌块抗压强度的影响见表4。表4成型压力对混凝土砌块抗压强度的影响由表4见，随着成型压力的增大，钢渣机制砂混凝土砌块的抗压强度呈递增趋势；但压力达12MPa后，砌块抗压强度增长变缓，过高的成型压力会增大生产成本及脱模难度。成型压力为12MPa时已能获得外形规整、棱角清晰、表面光滑的砌块，且抗压强度满足MU5强度等级要求。2.3钢渣砌块XRD分析。由图2可见，钢渣机制混凝土砌块的主要矿物成分为碳酸钙和镁方解石及少量硅酸钙和微量的斑铜矿。斑铜矿是随钢渣排放而带出，碳酸盐矿物来源于钢渣砌块中的石子和钢渣。在XRD图谱中未发现明显的氢氧化钙衍射峰，主要是在反应过程中消耗掉了。分析硅酸盐矿物成分发现其主要为γ-C2S，γ-C2S晶体较α-C2S、β-C2S稳定，水化活性弱于α-C2S、β-C2S，图23#砌块28d龄期的XRD图谱是钢渣水化活性低难激发的主要因素。另外，XRD图谱上还发现衍射强度极低的铅、钡、锡、钨等物质的衍射峰，经有害元素含量及浸出液浓度分析，含量远低于标准限值（见表2）。

3结论

（1）破碎压滤工艺可同时生产钢渣机制砂及钢渣粉，生产效率高，能耗低、污染少，机制砂颗粒级配良好，且可循环利用废水，适用于生产钢渣机制砂。（2）钢渣的有害元素含量及浸出液浓度均低于GB5085.6—2007、GB5085.3—2007规定的限值，可安全用于生产建筑制品。（3）复掺水泥、石膏的钢渣机制砂混凝土砌块抗压强度是单掺水泥的1.4倍、单掺石膏的2.2倍，且满足MU5强度等级的砌块要求。（4）成型压力加大可提高砌块的抗压强度，但成型压力达到12MPa，砌块抗压强度增长效果不再明显。过高的成型压力会提高生产成本及脱模难度，因此，钢渣机制混凝土砌块的成型压力以12MPa为宜。

作者:李锡松 杨成军 单位:广西建筑工程质量检测中心

参考文献：

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