（材料学专业论文）钢渣高效活化及在绿色建材中的应用.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 钢渣是钢铁工业大量排放的固体废渣。若不妥当处理和综合利 用，则会占用耕地、破坏环境并造成污染，影响钢铁工业的可持续性 发展，也给国民经济的可持续发展带来了巨大的压力和负担。随着国 家相关政策的颁布和实施，钢渣的循环利用必将成为保护能源环境的 重要措施。基于磨细钢渣粉的成分、矿物组成和粒径与水泥熟料的成 分、矿物组成和粒径的比较，发现两者的成分、矿物组成比较接近， 磨细钢渣粉作为一种新的混凝土以及水泥掺合料，它分布广泛，数量 较多，具有较高的研究与应用价值。 本文以湖南涟钢集团公司提供的钢渣作为实验原料，利用机械力 活化、化学激发等技术制备了活性钢渣粉体。并以钢渣为原料，采用 结构分解重组合成了一硅酸二钙( 一c 2 s ) 超细粉体材料。本文的主要工 作以及取得的成果包括以下几个方面。 实验系统研究了钢渣粉体的组成与结构的特点以及机械力活化 钢渣对钢渣粉体粒径频率分布，勃氏比表面积，晶体的无定形化转变 的影响。不同质量的球磨介质、球磨时间、球料比等因素对球磨钢渣 粉体粒径分布以及勃氏比表面积都有着显著的影响。实验表明，用c 球以球料比为5 1 球磨5 h 的球磨活化效果最佳，钢渣粉体的勃氏比 表露积达到5 8 4 6c m 2 g ，粒径分布集中在0 0 9m m 左右，c a ( o h ) 2 等物相转变为无定形化结构，而a 球、b 球和d 球的球磨活化效果 不明显。 采用c a s 0 4 、n a 2 s 0 4 和n a 2 s i 0 4 等碱性试剂作为化学激发剂激发 钢渣粉体。这些化学激发剂可以有效的破坏钢渣的表面结构，促进钢 渣s i 0 4 4 - 等离子基团的释放，从而加快水化反应。实验证明：孤立的 s i 0 4 4 - 离子基团在4 5 9c m o 处的三重简并砥内弯曲振动以及9 7 2c m o 处的三重简并不对称伸缩振动均得到了明湿的加强。实验探讨了不同 激发剂组合和含量对钢渣粉体水化反应的影响，其中c a s 0 4 、n a 2 s i 0 4 会引起水化后期强度的偏移，而n a 2 s 0 4 不会引起这个现象的出现， 并对强度偏移机理进行了初步探讨。 采用热力学由函数法计算得到了c a o s i 0 2 等不同系统的不同反 应的生成能a g o ( t ) 数据，利用一a g ：( t ) 与温度( t ) 的关系预测了最佳热 力学反应条件，即c a o s i 0 2 最佳配比为3 1 ，最佳煅烧温度为1 0 8 0k 。 硕士学位论文摘要 利用钢渣为主要原料合成了超细一硅酸二钙粉体。不同的热处理方式 对晶体形貌产生了明显的影响。 以活化钢渣粉体作为掺合料，取代水泥应用于混凝土中以及取代 水泥熟料制备了钢渣硅酸盐水泥。取代普通硅酸盐水泥3 0 ，可以配 制强度等级为c 3 0 的混凝土。活性钢渣粉体取代水泥熟料5 15 ， 可以配制等级为4 2 5 的水泥：取代水泥熟料2 0 - - - 3 0 ，同时复合定 比例的矿渣粉，可以制备等级为3 2 5 的钢渣硅酸盐水泥，各项指标均 达到图家标准g b13 5 9 0 2 0 0 6 。 关键词：钢渣，球磨加工，激发剂，p 一硅酸二钙( p c 2 s ) ，掺合料 硕十学位论文 a b s t 黜c t a b s t r a c t s t e e ls l a gi st h eb y p r o d u c t sf r o mt h ei r o na n ds t e e lm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，w h i c hi sw i d e s p r e a da l lo v e rt h ew o r l d i tc a np o l l u t et h e e n v i r o n m e n ta n da f f e c tt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ei r o na n ds t e e l i n d u s t r ya n db r i n gt h eh u g ep r e s s u r ea n db u r d e nt on a t i o n a le c o n o m i c s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a l o n gw i t hi m p l e m e n t a t i o no fn a t i o n a lr e l a t e d p o l i c y , t h ec y c l eu s i n go ft h e s t e e l s l a gw i l l b e c o m ea ni m p o r t a n t m e a s u r e m e n tf o re n e r g yc o n v e r s a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n s i n c e t h es t e e ls l a gh a ss i m i l a rm i n e r a lc o n s t i t u e n tw i t ht h ec e m e n tc l i n k e r , i t h a sa g r e a ti m p o r t a n tm e a n i n gf o rr e s e a r c h i n ga n da p p l i c a t i o na s a m i n e r a la d d i t i v ei n 搬ef i e l do fc e m e n t i nt h i sp a p e r ，t h es t e e ls l a gp r o v i d e db yh u n a nl i a n y u a ni r o n & s t e e l g r o u pi s u s e da st h er a wm a t e r i a li nt h e e x p e r i m e n t s m e c h a n i c a l g r i n d i n ga n d d i f f e r e n tc h e m i c a la c t i v a t o r sa r ea p p l i e do na c t i v a t et h es t e e l s l a g a n dt h eu l t r af i n ep a r t i c l e so fb e t a - d i c a l c i u ms i l i c a t e ( 1 3 一c 2 s ) h a v e b e e ns u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e dv i ad e c o m p o s i t i o n r e o r g a n i z a t i o nm e t h o d t h i sm a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sw i l lb ei n t r o d u c e di nt h ef o l l o w i n g p a r a g r a p h s c o m p o s i t i o na n dt h es t r u c t u r ef e a t u r eo fs t e e ls l a gp o w d e r sa r e i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y 强ee f f e c to f m e c h a n i c a lg r i n d i n go nt h es i z e d i s t r i b u t i o n ，t h eb l a i n es p e c i f i cs u r f a c ev a l u ea n dp h a s e t r a n s i t i o ni sa l s o d i s c u s s e di nt h et h e s i s s e v e r a lf a c t o r ss u c ha sd i f f e r e n tb a l l ，d i f f e r e n t m i l l i n gt i m ea n ds oo nh a v eg r e a te f f e c t o nt h es i z ed i s t r i b u t i o na n d b l a i n es p e c i f i cs u r f a c ev a l u e r e s u l t ss h o wt h a tcb a l l ，t h em a s sr a t i oo f b a l lt or a wm a t e r i a l s ( 5 1 ) a n d5 hi st h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rm e c h a n i c a l g r i n d i n g u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n f o rm e c h a n i c a lg r i n d i n g ，t h e b l a i n es p e c i f i cs u r f a c ev a l u ei s58 4 6c m z ga n dt h ep e r c e n t a g eo ff i n e s i z ep o w d e r sp a s s i n gt h r o u g hs t a n d a r ds i e v e ( o 0 9m m ) i st h em o s t t h ea c t i v a t o r ss u c ha sc a s 0 4 n a 2 s 0 4a n dl i q u i dn a 2 s i 0 4a d d e di n s t e e ls l a gw h i c hc a nd a m a g et h es u r f a c es t r u c t u r eo fs t e e ls l a gi st oa c t i v e t h ep o w d e r sf o ri m p r o v i n gt h eh y d r a t i o np r o p e r t y t h a tt h ee x p a n d e d 硕士学铰论文 a b s t & 众c t i n t e n s i t yo fs i os t r e t c h i n gb a n da p p e a r i n ga t9 7 2c m a n daw e a ks i o b e n d i n gb a n da ta b o u t4 5 9 c m 。1p r o v e st h a tt h ea c t i v a t o r sp l a ya s i g n i f i c a n tr o l ei na c t i v a t i n gs t e e ls l a g i th a sb e e nf o u n dt h a tt h et y p eo f a c t i v a t o r sa n di t s d o s a g eh a v eav e r yi m p o r t a n te f f e c to nh y d r a t i o n p r o c e s s t h em e c h a n i s mo ft h a tt h em a x i m u m o fc o m p r e s s i v es t r e n g t h s h i f t sf r o mh i 曲d o s a g eo fg a s 0 4o rl i q u i dn a 2 s i 0 4t ot h el o wd o s a g e w i t hd i f f e r e n th y d r a t i o nt i m ei ss t u d i e di nt h es e r i e so fe x p e r i m e n t s t h e r m o d y n a m i cd a t ao ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ea n d a g o ( k j m 0 1 ) i nc a o s i 0 2s y s t e ma n do t h e r sa r ec a l c u l a t e dt og e tt h e o p t i m u mc o n d i t i o n st op r e p a r e1 3 - c 2 s d i f f e r e n tt h e r m a lt r e a t m e n t sa r e a l s oc o n s i d e r e di nt h i st h e s i s t h eu l t r af i n es t e e ls l a gp o w d e r sa r ea p p l i e di nc e m e n ta n dc o n c r e t e i n d u s t r y a sam i n e r a la d d i t i v ei nt h ec o n c r e t e ，i tc a nr e p l a c e3 0 c e m e n t ( g r a d e3 2 5 ) f o rp r e p a r i n gc 3 0c o n c r e t e t h es t e e ls l a g s i l i c a t ec e m e n t ( g r a d e4 2 。5 ) c a nb eo b t a i n e dw h e n5 一15 c l i n k e ri sr e p l a c e db yu l t r a f i n es t e e l s l a g i f u l t r af i n es t e e l s l a g a n db l a s tf u m a c e s l a g s i m u l t a n e o u s l yu s e da sa d d i t i v et or e p l a c ec l i n k e r , t h es t e e ls l a g s i l i c a t e c e m e n t ( g r a d e3 2 5 ) c a nb eo b t a i n e dw h e n2 0 一3 0 c l i n k e ri sr e p l a c e d b yu l t r af i n es t e e ls l a g ，w h i c hp r o p e t i e sc a nm e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r do f g r13 5 9 0 2 0 0 6 。 k e yw o r d s ：s t e e l s l a g ，m e c h a n i c a lg r i n d i n g ，a c t i v a t o r , b e t a - t h e d i c a l c i u ms i l i c a t e ( 1 3 一c 2 s ) ，a d d i t i v e i v 原创性声明 本入声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书面使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：样吼蛆年互月必 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：举导 ， 白期选业年白互伊 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 钢渣的基本概述 1 1 1 钢渣的概述以及分类 第一章文献综述 钢渣是在炼钢时加入石灰石、自云石和铁矿石等冶炼熔剂以及造渣材料石 灰后，从高温下融化成2 个互不熔解的液相炉料中分离出来的杂质。钢渣基本呈 黑灰色，外观像结块的水泥熟料。其主要成份为：c a o 为3 0 6 0 ；s i 0 2 为8 - - - 2 3 ；a 1 2 0 3 为3 8 ；m g o 为4 l l ；除上述主要成份之外，钢渣中还含 有f e o 、m n o 、f e 2 0 3 以及硫化物等【。钢渣中的主要矿物为橄榄石、镁硅钙石、 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ，c z s ) 、硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ，c 3 s ) 、铁铝酸四钙 o c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ，c 4 a f ) 、铁酸二钙( 2 c a o f e 2 0 3 ，c 2 f ) 、r o 褶( r 代表镁、铁、 锰的氧化物形成的固熔体) 等【2 】。钢渣的分类方式多样，主要有以下几种： ( 1 ) 钢渣按冶炼方法可分为：平炉钢渣、转炉钢渣、电炉钢渣囝。其中电炉 钢渣又分为氧化渣和还原渣。电炉炼钢分氧化期和还原期，氧化期产生的渣称氧 化渣，还原期产生的渣称还原渣： ( 2 ) 钢渣按形态可分为：水淬粒状钢渣、块状钢渣和粉状钢渣； ( 3 ) 钢渣按照碱度划分：碱度m = c a o ( s i 0 2 + p 2 0 5 ) ，m d 于1 8 为低碱度渣， m 介于1 8 - - - - - 2 5 为中碱度渣，m 大子2 5 为高碱度渣1 4 ； ( 4 ) 按不同生产阶段分：炼钢渣、浇铸钢渣和喷溅渣。在炼钢钢渣中，平炉 炼钢又分为初期渣和末期渣。 1 1 2 钢渣的活性 一般用钢渣的碱度c a o ( s i 0 2 + p 2 0 5 ) ( 质量比) 作为衡量钢渣活性的指标【5 1 。通 常按碱度的不同把钢渣分为低碱度渣( 2 5 ) 。钢渣的矿物成分主要取决于钢渣的碱度，当碱度小于1 8 时，钢渣中的矿 物主要有：橄榄石( c a o f e o s i ( 3 2 ) 、镁基薇辉石( 3 c a o m g o 2 s i 0 2 ) 、r o 相( 二价 金属氧化物f e o 、m g o 、m n o 的固溶体) ；当碱度大于1 8 时，主要矿物有：硅酸 二钙( 2 c a o s i 0 2 ) 、硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) 、铁酸钙( 2 c a o f e e 0 3 ) 、游离氧化钙 ( f - c a o ) ，钢渣昭碱度越高，活性越大移胡。转炉钢渣碱度高，矿物以硅酸盐为主， 电炉氧化钢渣碱度低，活性较弱。因此，现有的钢渣水泥生产利用的是转炉钢渣， 硕士学位论文第一章文献综述 这不仅因为转炉钢渣的量大，更重要的是转炉钢渣碱度高，活性大。高碱度铡渣 中含有与硅酸盐水泥熟料相似的c 2 s 和c 3 s ，两者含量在5 0 以上 7 0 9 1 ，同样都具 有如下水化反应的能力： 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 = 3 c a ( o h ) 2 + 3 c a o 2 s 1 0 2 3 h z o ( 1 一1 ) 3 c a o 。a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 = 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 3 0( 1 2 ) 不溺之处在于钢渣的生成温度在1 5 6 0 以上，然丽硅酸盐水泥熟料的生成 温度在1 4 6 0 左右。钢渣的生成温度高，其矿物结晶致密，晶粒较大，导致水 优速度缓慢，因焉需要采取相应的措施提高其水化反应速度。 1 2 钢渣的综合利用现状 1 2 1 国内外钢渣的堆置现状 钢渣是炼钢时产生的一种工业废渣，般为粗钢产量的1 5 一- 2 0 t 删。世 界各国的冶金工业，每生产1t 粗钢都会排放约1 3 0k g 的钢渣、4 0 埏铁粉渣及其它 废料。全世界每年排放钢渣约l 1 5 亿t ，是冶金工业头号廒渣。中因积存钢渣已 有l 亿t 以上，且每年仍以数百万吨的排渣量递增【l 。国外钢渣利用的研究开展的 比较早，钢渣的综合利用已经接近或达到排用平衡。欧美等国家目前的利用率均 达9 0 以上，其中用于道路工程达7 0 左右。美因在2 0 世纪7 0 年代初，钢渣的利 焉就已经达到了排用平衡。日本、法国的镧渣利用率也早巴达到1 0 0 。虽然我 国对钢渣的处理利用的研究始于5 0 年代末，6 0 年代有了一些发展，7 0 年代前后对 钢渣处理工艺进行了广泛的探讨、试验及生产实践，取得了一些宝贵经验，但是 目前我国已经是世界头号产钢大圈，钢渣的年排放量达到了1 6 0 0 万t 以上，其利 用率却仅约1 0 ，远远低于发达国家水平i 豫】。目前我国积存的钢渣已有l 亿t 以上， 这些钢渣基本上都是经过篱单处理后拉到堆场堆放，形成二次污染。大量钢渣的 弃置堆积占用越来越多的土地、污染环境、造成资源的浪费，影响钢铁工业以及 整个国民经济的可持续发展。因此有必要对钢渣进行减量化、资源化和高价值综 合利用研究。 在钢渣综合利用方面，由于各国国情不同，所以世界各豳利用方式不尽相同。 我国正在寻求符合国情的技术路线，即以大宗利用为主，兼顾多功能、高效能的 利用，在取得环境效益和社会效益的同时，尽可能收到良好的经济效益。经过多 年的反复实践，我国主要把钢渣用于道路铺材、农业、去污除杂等低层次领域中。 1 2 。2 钢渣在水泥中的应用 钢渣中含有硅酸二钙( c 2 s ) 和硅酸三钙( c 3 s ) 等水硬性矿物以及镪硅玻璃体， 2 硕士学位论文 第一章文献综述 医而具有良好的胶凝牲能。可以借助井加荆来激发具有潜在活性的钢渣和矿渣生 产高标号钢渣矿渣水泥。钢渣矿渣水泥( 简称钢渣水泥) 是以钢渣、粒化高炉渣为 主要组分，加入适量硅酸盐东泥熟料和石膏，瘗细制成的水硬性胶凝材料。由予 钢渣水泥是以钢渣和粒化高炉矿渣为主要原材料，生产该产品可以节省石灰石资 源，节省能源，减少c 0 2 的排放和烟尘对环境的污染，因此也可称为“绿色水泥。 钢渣水泥不仪具有与矿渣硅酸盐水泥相似的物理力学性能，而且具有后期强度 高、水化热低、耐磨性好、微膨胀、抗渗性好、耐腐蚀等一系列特性，该水泥不 仅可作为通用水泥用于一般工业与民用建筑，而且更适用于水利、道路、海港等 特种工程。钢渣水泥是解决钢铁冶炼废渣研制的一种绿色环保水泥，有纯钢渣水 泥、少熟料钢渣水泥、复合硅酸盐水泥等醛妥。以下是钢渣在水泥领域里的几个 具体应用。 ( 1 _ 生产钢渣无熟拳毒水泥 钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的c 2 s 和c 3 s ，高碱度转炉钢渣中二者的 总质量分数在5 0 以上，中、低碱度的钢渣中主要为c 2 s 。钢渣的生成温度大约 在1 5 6 0 以上，而硅酸盐水泥熟料的烧成温度在1 4 0 0 左右。钢渣的生成温度高， 结晶致密，晶粒较大，水化速度缓慢，因此，可将钢渣称为过烧硅酸盐水泥熟料。 以钢渣为主要成分，加入一定量靛其他掺合料和适量石膏，经磨细而制成的水硬 性胶凝材料，称为钢渣无熟料水泥。生产钢渣无熟料水泥的掺合料可用矿渣、沸 石、粉煤灰等。根据加入掺合料的种类，钢渣无熟料水泥可分为钢渣矿渣水泥、 钢渣浮石水泥和钢渣粉煤灰水泥等。钢渣无熟料水泥的生产工艺简单，由原料破 碎、磁选、烘干、计量配料、粉磨和包装等工序组成。钢渣无熟料水泥可用于民 用建筑的梁、板、楼梯、砌块等方面；也可用于工业建筑的设备基础、吊车梁、 屋面板等方面。另外，钢渣无熟料水泥具有微膨胀性能和抗渗透性能，可以广泛 应用于在防水混凝土工程方面。钢渣无熟料水泥具有与矿渣硅酸盐水泥相似的物 理力学性能，还具有耐磨性好、抗冻、抗渗透性好、水化热低等一系列特性。 ( 2 ) 生产少熟料钢渣水泥 将经破碎磁选过的钢渣、粒化高炉矿渣、少部分硅酸盐水泥熟料、烧石膏相 配合，粉磨加工后可生产老标号3 2 5 、4 2 5 少熟料钢渣水泥。由于水泥中掺加 2 0 左右的硅酸盐水泥熟料。在熟料中c 2 s 、铝酸钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ) 等矿物的激发 下，钢渣中的硅酸盐矿物等发生解体，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水硬性矿 物；在石膏的作用下，钢渣及高炉矿渣中的铝酸箍矿物与其反应生成钙矾石，由 钙矾石的骨架作用使水泥强度得到提高。这种水泥以熟料掺加量衡量，处于矿渣 硫酸盐水泥与矿渣硅酸盐水泥之闻的“空自区 ，类似低热微膨胀水泥。因此， 该水泥不仅水化热低，而且具有微膨胀性能，同时具有良好的抗渗、抗浸蚀能力， 3 硕士学位论文第一章文献综述 宜用于地下及水下工程。 ( 3 ) 生产复合硅酸盐水泥 近年来由于粒化高炉矿渣价格一再上扬，多数地区矿渣价格已与硅酸盐水泥 熟料相当。为降低水泥生产成本，可采用5 o 1 0 的钢渣代替高炉矿渣，经实践 证明不但切实可行，丽且可以降低成本3 5 7 元t 。虽然钢渣的活性不如高炉矿 渣，在复合硅酸盐水泥中，随着钢渣掺入量的增加，水泥强度有所下降，但不是 十分严重。国外学者在关于“孔隙率与粗大致密结晶材料之间关系 的解释中指 出：对一定孔隙率，如果弓| 进较多的粗大致密结晶材料，可以使强度增加。钢渣 系高温条件下的粗大致密结晶材料，在一定掺量条件下对水泥强度有一定的增强 箨用，将钢渣单独粉磨屠与矿渣微粉复合掺入硅酸盐东混，再适当缝掺力瑟石膏和 激发剂，可获得性能良好的具有较高强度的复合硅酸盐水泥。钢渣和矿渣复合掺 加，可在一定程度上实现性能互补，改善水泥的强度，当掺量及配合比合适时， 其后期强度可以达到并超过纯硅酸盐水泥的强度f 1 5 1 7 1 。 ( 4 ) 生产钢渣矿渣水泥 近年来，有关人员研究开发了钢渣矿渣水泥，产品达到老标号的3 2 5 、4 2 5 矿渣硅酸盐水泥技术标准。该水泥的硬化机理是：通过硫碱激发钢渣活性，由于 钢渣碱度臣粒化高炉矿渣高，它又是矿渣的碱性激发剂，参与硅酸盐永泥熟料一 块来激发矿渣的活性，从而达到提高水泥强度的目的。这种水泥具有以下特点： 抗磨牲好、蜃期强度增进率大、抗冻性好、抗渗性好、水化热低、抗硫酸盐浸蚀 能力强、成本低。 ( 5 ) 钢渣可在生料配料中作“一料三代” 钢渣用予水泥生料配料作“一料三代”，所谓“一料三代”是指代替铁质原料、 代替晶种和代替矿化剂。 某些钢渣中氧化铁含量在3 0 左在，在生料中掺鸯羹3 5 - - 一4 即可满足生料 中氧化铁含量的要求。因此，钢渣是一种铁质校正原料，钢渣代替铁粉配料既可 减少工业废渣污染，保护环境，又达到缓解生产矛盾，提高熟料强度，降低水泥 生产成本的目的。 钢渣中的氧化铁主要以f e o 形式存在于橄榄石相中，该相中与f e o 共存的尚 有m n o 、m g o 等氧化物。众所周知，f e o 熔点l z l f e 2 0 3 低，再加上m n o 、m g o 与 之共存，其熔点更低。据试验，纯橄榄石熔点小于1 2 0 0 ，比f e o 低得多。因此， 钢渣是一种矿化剂，它能够降低物料烧成过程中液相生成温度和粘度，提高了 c 2 s 和f - c a o 在熔体中的扩散度，促进了c 2 s 的形成及晶体的成长。生产实践表明： 掺有钢渣的生料易烧性好，窑西上火快，出窑熟料温度下降，f - c a o 含量降低， 出磨水泥安定性大于9 8 。此外，钢渣中尚有1 - - 2 的p 2 0 5 ，通常存在于氟磷灰 4 硕十学位论文第一章文献综述 石和纳盖斯密特石中，可以参与固相反疲生成磷酸三钙( 3 c a o p 2 0 5 ) 和磷酸四钙 ( 4 c a o p 2 0 5 ) ，两种化合物都具有良好的水硬性；同时可以充当b 。c 2 s 的晶格稳定 裁，p 2 0 5 嵌入p c 2 s 品格，阻止多，c 2 s 在6 7 5 转化成￥c 2 s ，从丽防止熟料在冷却 过程中发生粉化。生料中p 2 0 5 的含量在0 1 0 3 的范围内时，其矿化效果最佳， 大于0 3 时效果变差【1 8 识l 。 钢渣中含有c 2 s 、c 3 s 等矿物，引入生料中则起到晶种作用。钢渣与硅酸盐 水泥熟料中的矿物有着“类质同晶现象”，用钢渣作非熟料晶种，与熟料晶种效果 相近，但其成本只有熟料晶种的2 5 。采用钢渣替代熟料做晶种时，有如下特点： 钢渣作晶种能够加速c 3 s 的形成，降低生成温度，明显降低煤耗，使熟料强度有 明显的提高；加入钢渣惹，熟料中的f - c a o 显著降低，可以采用高饱和煅烧；钢 渣中含有较高的铁，使用钢渣作晶种可节约部分铁石；加入钢渣以后，立窑上火 明显加快，可提高立窑台时产量，改善生料易烧性，改善立窑煅烧操作；钢渣中 m g o 的含量较高，但由于掺入量较少( 4 ) ，完全可把m 9 0 控制在图标范围内， 而且钢渣中的m g o 主要存在于钙镁橄榄石及镁蔷薇辉石中，对熟料安定性无不 利影响。 另外钢渣中含有3 5 4 5 的氧化钙，这部分氧化钙不再需要分解热而可直 接参加反应，因而可降低生料的碳酸钙分解热从而降低了熟料的烧成能耗；同 时，出于采用钢渣配料带入了一定量的氧化钙，可使生料中石灰石配比降低 2 5 一3 ，熟料生产成本下降约1 5 2 元t 。 采用钢渣在生料中作“一料三代”的效果是显著的，它不但使水泥企业降低 了生产成本，同时使水泥的安定性合格率大大提高。对钢厂丽言，能够将过去发 愁无处倾倒的废料，变成可对外出售而且获取一定经济收益的商品。水泥与钢铁 企业双方都有所得。 钢渣用作水泥基材料是一顼高附加值的开发利用，此举不仅有利于减少钢 渣堆积侵占耕地，降低污染，更有利于水泥工业的可持续发展。在钢渣预处理工 艺霜益完善后，钢渣嗣作水泥基材料的关键润题是其活性的开发与膨胀的抑翎。 目前，钢渣用作水泥基材料的研究取得了许多成功的经验，但由于钢渣形成过程 的多变性和钢渣成份波动的复杂性是多数厂家不能很好地组织钢渣水泥稳定生 产的个原因，只有有限的几个厂家可以利用接近于硅酸盐熟料的钢渣生产无熟 料钢渣水泥，其余厂家仍是以多掺熟料或少量钢渣为主生产水泥。我国钢渣水泥 的标准g b l 3 5 9 0 9 2 规定，只有掺3 0 以上的钢渣才能称为钢渣水泥。这样就限制 了一些厂家无法按标准组织生产，这是钢渣水泥在近几年得不到显著发展的主要 原霾。 5 硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 3 钢渣在建筑材料中的应用 国家经贸委下发了一系列文件要求加快墙体材料革新，严格限制毁田烧砖， 全面禁止生产经营和使用实心粘土砖。由于钢渣的矿物成分与水泥熟料有些相 似，属于缓凝水硬性胶凝材料，早期强度低，但具有一定的后期强度。同时钢渣 经磨细和加入添加剂，可降低f - c a o 的不安定性，适合作建筑材料。当前钢渣在 建筑材料方面的应用主要有以下几个方面。 ( 1 ) 钢渣用于制备混凝土 钢渣用于制备混凝土有以下两个用途。首先，钢渣微细粉用于制备高强度混 凝土。研究表明，钢渣粉可等量代替1 0 - 4 0 的水泥，从而降低混凝土的成本， 这是钢渣综合利用的一条有效途径。掺入适量的钢渣微细粉取代部分水泥，既可 改善混凝土的和易性，也能提高其结构致密度及力学强度。钢渣的微细化有利于 混凝土后期水化活性的发挥。无论早期强度还是后期强度均随比表面积的增大而 有所提高。钢渣微细粉的比表面积越大，其微细颗粒的含量越耐2 抛引。一方面， 微细颗粒的表面积较大，表面活性点明显增多，大大提高了其水化反应活性；另 一方面，这些微细颗粒易于填充至较小的空隙，提高了混凝土的结构致密度，因 而提高强度。这意味着尽可能提高钢渣的粉磨细度是提高高强混凝土强度的必要 措施。但是坍落度随着比表面积的增大，有所减小，这是由于比表面积增大后钢 渣微细粉本身需水量增大的缘故。所以钢渣微细粉的细度对混凝土坍落度和强度 有较大影响，比表面积较高时，由于颗粒表面活性点增多及良好的填充性，致使 混凝土强度明显提高，但因其需水量有所增大，故混凝土坍落度降低；其次，可 用钢渣等体积全部替代石子配制钢渣混凝土，与普通混凝土相比，这种钢渣混凝 土的各项力学性能均比较好，抗弯强度和劈拉强度有明显改善。钢渣混凝土与普 通混凝土的抗冻性近似相同，吸水率小于普通混凝土，抗氯离子渗透性好于普通 混凝土。由于钢渣自身具有优良的耐磨性，因此使用钢渣作粗集料配制的混凝土 也具有良好的耐磨性。 ( 2 ) 钢渣被用于生产钢渣砖和砌块 钢渣可当作胶凝材料或骨料，用于生产钢渣砖、地面砖、路缘石、护坡砖等 产品。用钢渣生产钢渣砖和砌块，主要利用钢渣中的水硬性矿物，在激发剂和水 化介质的作用下进行反应，生成系列氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙等新的 硬化体【2 7 。3 0 】。利用钢渣生产建筑用砖，工艺简单、生产效率高，生产工艺、设备 与生产粉煤灰砖、灰砂砖等建筑用砖相似。以低活性钢渣为主要原料，加入无机 胶凝材料，充分激发钢渣活性，研制出性能优良的钢渣混凝土空心砌块，该砌块 具有高强、工艺简单、成本低及利用率大等特点，该方法不仅减少了水泥的使用 量，而且提高了强度和抗冻性能。利用钢渣生产的钢渣混凝土多孔砖和钢渣混凝 6 硕士学位论文第一章文献综述 小型空心砌块，尺寸准确，强度较高，可减少抹灰层厚度，加快旄工速度，有 利于降低施工成本。 ( 3 ) 钢渣被用于加固地基 钢渣桩是一种柔性桩，它是利用钢渣作为填料，在软土中按一定的间距， 用机械成孔，分批填入颗粒级配合理的钢渣，然质按一定的质量要求振冲密实， 形成钢渣桩。它是由桩土共同承担上部荷载的一种复合地基。钢渣桩适用予处理 填土、饱和及非饱和粘性土、粉土和淤泥质土等地基。这种桩不单适用于加固软 弱地基，对于较好的地基、建筑物荷载较大或对沉降要求较高的场合也可采用， 以提高地基的承载能力，减少沉降1 3 l 】。其加固机理为： 挤密作用：在成摭过程中桩管对周围软土产生了较大瞧侧向挤压应力。使桩 管周围土体孔隙减小，密实度增大。 置换作用：因钢渣取代了同体积的软土，与桩土共同承受上部荷载时，出现 应力向钢渣桩集中的现象，从而使桩周围土层承受应力较小，沉降也相应减小。 排水作用：因钢渣桩在软土地基中成走一个良好的排水通道，具有排水砂井 的效能，从而大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，加速土沉降固结，使沉降稳定 加快。 加筋作用：因钢渣的抗剪强度高，从而提高了复合地基的抗剪强度，增大了 土体抗滑稳定性。 钢渣桩翔固软地基，主要有如下的特点：适蔫面较广，适用于渗透系数小 的软弱粘土、淤泥质粘土、回填土、吹填土地基及暗、明沟、沼泽地等；加固效 果较快，地基加固完毕后即可产生加固效应；加固方法简单，工期较短；加固后 的复合地基，其承载力可达原地基承载力的2 倍以上，压缩模量可为原地基的3 倍以上。 ( 4 ) 利用废钢渣生产干粉砂浆 建筑砂浆的常用类型有水泥砂浆和混合砂浆。水泥砂浆具有强度高、抗冻性 好、使用范围广等特点，僵易造成强度富余，配制成本高。混合砂浆具有施工操 作性能好，成本较低的优点，但因其抗冻性能差，在有抗冻要求的地区，仪限于 内墙的砌筑和抹灰。钢渣用于生产砂浆有两种形式：一是磨细钢渣作为掺合料等 量取代水泥使用1 3 2 l ，当磨细钢渣作为掺合料等量取代水泥使用时，胶结材料的 标准稠度需水量减少，但是胶砂强度随钢渣掺量的增加而降低【3 3 】；二是磨细钢 渣作为细集料代替砂子使用。当钢渣作为细集料代替砂子使用时，砂浆的抗折、 抗压强度略低予未掺钢渣的砂浆，2 8 天的干缩率却明显低于未掺钢渣的砂浆，这 就说明钢渣作为集料代砂使用，其性能和经济性优于代水泥使用的方式。利用钢 渣、粉煤灰生产砂浆干粉料，工艺简单方便，易于工业应用。利用此干粉料配制 7 硕士学位论文 第一章文献综述 的砂浆，具有水泥砂浆抗冻性好、强度高的特点，同时又兼有瀑合砂浆良好的麓 工性能，有利于节约能源和资源，同时又能创造良好的经济效益。 尽管在建筑材料应用技术方面，钢渣的开发及应用取得了一定的成绩，但是 受一些因素的影响使得钢渣不能稳定可靠的应用。钢渣的体积稳定性是影响其在 建筑工程中应用的主要问题。由于钢渣的膨胀性，使得钢渣作为建筑原料时不能 完全代替永泥，同时我国严禁将钢渣碎石作混凝土骨料使用强稍。钢渣的活性较 低，用其生产墙体材料，必须对以钢渣为主的胶凝材料进行优化配制，利用激发 剂对钢渣进行活性激发。在钢渣微细粉的应用过程中，由于受到研磨技术和巍耗 大的影响，限制了钢渣应用技术的推广。 1 2 4 钢渣在道路铺材领域的应用 钢渣在道路方面的综合利用，大多都是将其用 乍地基圈填材料翻路基填筑材 料，钢渣作为混合料中的骨料可以取代道路混合料中的碎石。具体应用如下。 ( 1 ) 钢渣作为沥青混合骨料来铺筑路面 园内外研究表明，一些钢渣的力学性能较轧制碎石好，不仅耐磨，颗粒形状 和自然级配好，而且与沥青有良好的粘附性，沥青包裹后能防止钢渣膨胀，其比 热值离，很适合作为沥青混合料集料用于铺筑路面1 3 5 - 3 8 1 。其优点为：钢渣表面比 较粗糙，所组成的混合料具有较大的内磨阻力，同时这种粗糙增加了骨料的表面 积，使得与沥青的粘合面积增大，提高了钢渣与沥青的粘结力；钢渣中含有c a 2 + 、 m 9 2 + 、f e ”、a 1 2 十等大量的阳离子，钢渣表面的金属阳离子与沥青中的某些物质( 如 沥青酸) 发生化学反应，生成沥青酸盐，在钢渣表瑟构成化学吸附层，丽化学相 互作用的强度超过分子作用力许多倍，故可提高沥青混合料的水稳性；具有微孔 结构的钢渣对沥青产生选择扩散吸附，有利于沥青中活性较高的沥青质吸附在钢 渣表面。树脂吸附在钢渣表面层的d , s 孑l 中，丽油分则沿着毛细管被吸附到钢渣内 部，使得钢渣表面的树脂和油分减少，沥青质相应增多，致使沥青的粘度提高， 凝聚力增大，铁丽在一定程度上改善了滋合料的水热稳定性。 ( 2 ) 钢渣作为路基的填料 钢渣是填筑路基很好的材料。钢渣具有很强的吸水性，对于软弱潮湿的路基 基底有很好的改良作用，而且钢渣强度高，对提高路基的承载力也有很不错的效 果【3 9 】。钢渣中含有较多的氧化物，与水化合后，具有微弱的水硬性，可增强路 基的强度。由于钢渣具有一定的污染性，在钢渣做为路基填料的时候要求所填深 度限制为3m ，一般要求在地下水位线以上。 ( 3 ) 钢渣代替五质集料用予路面的底层及基层 钢渣用于道路的地基层一般有两种形式。一种形式是全部使用钢渣或钢渣混 8 硕士学位论文第一章文献综述 合料作为路面底基层填筑材料，钢渣底基层在板体性和强度等性能方面明显好于 级配碎右底基层。另外一种形式是经筛分后的粉末作为嵌於料用于级配碎石底基 层中。由于钢渣特殊的性能使得钢渣可以作为一种耐磨材料应用于路面。为了使 路面具备一定的抗滑能力，可以用钢渣作为混凝土路面的集料，使路面从建成起 就具有高抗滑性能；或者作为制备钢渣混凝土砂浆，用于恢复损坏路面的使用功 能。 ( 4 ) 钢渣作为反厩材料加固软弱地基 利用钢渣f - c a o 含量高、高膨胀性以及比重较高的特点，可以替代砂石等集 料用于碎石桩或者堆载预压。钢渣的膨胀力可对周围的软土施鸯羹侧向噩力，促使 软土中的水份被挤出，加速软土的固结；钢渣的高比重，可产生比相同厚度碎石 更大的重力，促成软土的更早固结【4 们。 钢渣作为路用材料，依然存在较多的问题：钢渣中的化学成分波动较大， 含有含量较高的极易膨胀的f - c a o 和f - m g o 等，容易造成填筑体体积的不稳定性， 引起路基的膨胀鼓起或者开裂；钢渣的粒径较大时，容易在局部点产生膨胀等化 学反应，引起局部应力集中，产生路基的不均匀变形；钢渣的密度较大，会影响 到钢渣的运输、拌和、摊铺和碾压等生产过程；钢渣的p h 值沈较高，化学成分 较复杂，某些特种钢的钢渣内甚至可能含有有害物质，用这类钢渣筑路，可能影 响道路沿线的绿化或对周边环境如潜水层水质造成污染。这些相关问题的出现， 为钢渣在路用材料领域的应用与推广带来了重重阻力。 1 2 5 钢渣在农业领域的应用 钢渣中含有较高的硅、钙以及各种微量元素，有些还含有磷，可根据不同元 素的含量作不同的应用，为农作物提供所需要的营养元素。钢渣粒度小于4i n i n ， 并含有一定数量的极细颗粒，是农业上理想的土壤改良裁。钢渣中的c a o l 一范在很 长的时期内缓慢中和改良土壤，对有些农作物特别有利。硅是否为作物生长的必 需元素目前尚无定论。硅对于禾本科作物，特别是对水稻生长发育的积极影响已 成共识。当土壤中的水浸态硅含量低于8 5m g k g - 1 ，施用钢渣硅肥肥效显著。根 据有关水稻硅肥肥效的研究结暴表明，在硅素缺乏的水稻土壤中施用钢渣硅肥能 增加水稻植株体内s i 0 2 的浓度，改善水稻的生长状况，提高水稻的抗病抗倒伏能 力，进而显著提高水稻的产量l 。通过科学的方法把钢渣中的重金属元素除出 后，钢渣作为硅秀芒原料符合国家相关的环境质量标准，符合农用粉煤灰污染物控 制标准。自从2 0 世纪5 0 年代日本用钢渣成功的改良了因缺硅退化的水田土壤后， 钢渣作为重要的硅素肥料受到了世界主要产稻国的普遍重视。2 0 世纪8 0 年代后， 我国在用钢渣改良土壤、提高土壤硅素肥力及增加水稻产量等方面的研究及应用 9 硕+ 学位论文第一章文献综述 上取得了很大的成就。钢渣硅照在农业方面主要有以下几个方面的应用： ( 1 ) 通过施用钢渣提高土壤的p h 施用钢渣以后，土壤p h 有所升高，其升高幅度随钢渣用量增加或粒度变细 而增大。土壤p h 升高是由于钢渣中的弱酸盐类( 如硅酸钙等)