综合利用沙钢治金钢渣制砖技术研究20120214

综合利用沙钢冶金钢渣制砖技术研究 苏州市墙体材料改革与建筑节能办公室 张家港墙体改革办公室 陈晓龙 李光球 薛亮亮 苏州市建筑科学研究院有限公司 215129 摘要 处理和回收沙钢冶金产生的钢渣 制得混凝土多孔砖生产用细集料 并与水泥 矿粉 水渣 球磨污泥等进行 复配试验 确定了钢渣多孔砖的配比 并制得性能合格的混凝土多孔砖 通过压蒸试验确定其长期的尺寸稳定性 为后期 钢渣制砖生产提供了可行性依据 进而实现冶金钢渣的回收利用最大化 Abstract The use of disposal and recycling sand steel metallurgy slag to produce fine aggregate mixed cement slag milling sludge to produce the qualified concrete perforated brick through the autoclave testdetermine its long term dimensional stability and a feasibility basis for post slag brick production and thus maximize the use of metallurgical slag recovery 关键词 钢渣集料 多孔砖 性能 安定性 Key words steel slag aggregates porous brick performance stability 1 前言 钢铁工业是国民经济的基础产业 在国家经济快速发展的形势下 钢铁工业也呈现出跳跃式发展的 态势 钢产量近几年不断提高 钢渣作为炼钢工艺流程的衍生物随着钢产量的提高年产量不断递增 据 最新资料统计 2007 年我国钢铁产量已突破 4 亿吨 钢渣的产生量为近 6000 万吨 2008 年钢铁产量将 达到 5 亿吨 钢渣产生量为 7000 万吨 据统计报道 我国的钢渣利用率仅为 20 左右 部分企业钢渣处 理技术滞后 大量磁选尾钢渣未经处理堆积至渣场或填埋等简单处理 不仅占用了大量场地 也造成了 二次资源的极大浪费 随着钢铁企业固体废弃物 零 排放政策的推进 积极开发和应用先进有效的处 理技术和资源化利用新技术 提高其利用率和附加值 是钢铁企业发展循环经济 实现可持续发展的重 要课题之一 钢渣主要成分是 CaO SiO2 FeO f CaO 含量比高炉渣多 矿物相以硅酸二钙为主 因固溶 P2O5 所以是 稳定相 几乎无反应特性 钢渣遇水后 水溶液呈强碱性 可作为高炉水淬渣的碱性刺激剂来利用 也 是水硬性材质 因钢渣内含有 CaO 和 FeO 可作为部分原料返回高炉 烧结而循环使用 使用量要根据 试验结果而定 大部分钢渣经过处理 消除因 f CaO 引起膨胀崩坏因素后 可作填埋材料 道路材料 建 筑材料等 钢渣的外循环主要是建筑建材行业 钢渣在建筑建材行业有以下几种利用途径 1 做水泥生料 做钢渣水泥原料和复合硅酸盐水泥的混合材 钢渣微粉做混凝土掺和料 钢渣砖 砌块等墙体材料 项目以江苏沙钢集团的炼钢生产中产生的钢渣为主要原料辅以水泥 高炉矿粉 污泥粉等进行复配 试验 并试生产出适合建筑使用的空心砖产品 达到最大程度循环利用炼钢废渣的目的 2 钢渣制砖试验 2 1 制砖材料 2 1 1 钢渣 本项目使用经过闷蒸处理的沙钢钢渣集料 同时在进行多道破碎球磨磁选过筛后得到的粒径 小于 5mm 的机制细集料 其性能指标如下表 表 1 钢渣检测结果 序号检测项目技术要求检测结果 1压碎值指标 30 29 2坚固性指标 8 5 2 3表观密度 kg m3 2900 3310 4体积安定性 2 0 0 05 MPa 压力合格合格 0 030 5金属铁含量 2 0 1 88 2 1 2 水泥 张家港海螺水泥厂 P C 32 5 水泥 2 1 3 水渣和矿粉 高炉水渣是沙钢高炉炼铁的副产品 经水淬急冷处理后 呈浅灰色玻璃晶体颗粒状 属于工业废渣材料 矿渣微粉是将高炉水渣经过研磨得到的一种超细粉末 作为胶凝材料掺合料使用 可改善混凝土和其他水泥基材料的多项性能 我们选取了沙钢高炉炼铁产生的水渣和 S95 等级矿渣粉进行配合比试验 2 1 4 球磨污泥 球磨污泥是钢渣后期球磨清洗时随泥浆水流出后沉淀干燥后的产物 具有一定的胶凝活 性 作为活性填料代替粉煤灰和矿粉掺加在钢渣砖中 起到降低成本 提高密实度 增加强度等等效果 2 2 制砖设备 我们选用了张家港市淳隆机械有限公司生产的 QT8 15 型全自动砌块生产线进行制砖的试生产 设备 参数详见表 2 表 2 QT8 15 型全自动砌块生产线规格参数 机器型号QT8 15 砖块尺寸240 115 9021 块 板 底板尺寸920 850 25 木制 实际生产效率1250 块 h 机器生产效率25m3 h 拌料仓容积进料容积 800L 出料 500L 储料仓容积1 2m3 布料小车容积0 15m3 振动形式台振 振动频率50Hz 振动时间15s 振动电机功率7 5kW h2 台 加压荷载31 5MPa 加压时间15s 保压时间15s 加压电机功率18 5kW h 2 3 钢渣砂浆试验 钢渣制砖中 钢渣主要作为中粗骨料填充在钢渣砂浆中 钢渣这种固体废弃物用作粗骨料取代河砂 配制砂浆不但可以改善砂浆的某些性能 还可以一定程度上缓解天然砂的供需矛盾 但制约其应用最大 的因素是钢渣集料所引起的体积稳定性问题 钢渣中含有质量分数为 5 10 的游离氧化钙 水化反应时 钢渣粉化膨胀使体积增大 1 2 倍 不适合用作建筑材料 2 即钢渣细集料砂浆会产生膨胀变形乃至开裂 破坏 如何从材料组成的角度来改善钢渣细集料砂浆的稳定性是钢渣细集料应用于砂浆混凝土的最核心 问题 本章所研究的内容就是以此为根本出发点来进行钢渣细集料砂浆的配合比设计 并探寻钢渣集料 砂浆的体积变形规律及其与制渣细集料安定性指标间的相关性 众所周知 钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁由于经过高温死烧 结构致密 晶粒尺寸大 晶格畸 变小 以及固溶了杂质氧化物 其水化活性较差 必须采用加速实验预测长期稳定性 我们选择在实验 室设计了以下的快速实验参数 1 常温成型标准养护 1d 2 脱模后养护温度选定为 100 水养护 3 脱模后测初长后立即置于水中养护至 28d 控制砂浆流动度在 135mm 145mm 成型砂浆试样 以下列情况为指标对比研究了不同胶砂比的 不 同矿物掺和料种类及掺量的 不同钢渣细集科种类的及不同河砂取代方式的和不同河砂取代量的砂浆的 膨胀性能及力学性能 从而优选出砂浆的配合比最终再进行制砖的试验 我们首先在实验室以钢渣为骨 料 试配钢渣砂浆进行试验 试验试件为 160mm 40mm 40mm 的胶砂试件 为充分利用沙钢生产中废 弃物 我们在配比中掺入污泥进行试验 检测钢渣试件的强度影响及膨胀率变化 表 3 钢渣砂浆强度 7d MPa 28d MPa 序号 龄期 水泥 污泥 钢渣抗压抗折抗压抗折 11 1 1 520 154 4230 686 37 21 1 2 钢渣砂浆18 463 9026 525 33 31 1 2 5 钢渣砂浆15 993 2521 454 29 41 1 3 钢渣砂浆15 342 9920 674 03 图 1 为不同胶砂比的钢渣集料砂浆在 100 养护条件下 不同龄期时的线性膨胀 率曲线 从图中可以看出 试样在 1d 标养 6d100 时 1 2 3 的膨胀率基本接近 4 的膨胀率差异较大 随着养护龄期的增 长 不同胶砂比砂浆试件的膨胀率均逐渐 增大 且同龄期的膨胀率随胶砂比的减小 而逐渐增大 其差值随龄期的增长越来越 大 这是因为随着胶砂比的减小 单位体 积内的钢渣的用量增大 试样中的膨胀组 分也相对越多 而与此同时 水泥石粘结 力减小 试样自身抵抗膨胀变形的能力减 弱 膨胀率会逐渐变大 在几组配比中 1 2 3 的钢渣砂浆其膨胀还保持在可控范围内 而 4 钢渣砂 浆在 21d 龄期时其膨胀率就达到了 0 4 并且还在不断增长 到 28d 时 3 4 的钢渣砂浆表面已出现 细微的不规则裂纹 结构已破坏 其稳定性存在很大隐患 不同胶砂比钢渣砂浆试样的强度及膨胀特点 可以看出钢渣用量达到 60 时 单位体积钢渣用量太 高 其膨胀率发展最快 最易开裂 不宜配制钢渣砂浆 1 2 钢渣砂浆的力学性能和膨胀性能均在可 控范围内 未出现破坏性的结构裂缝 由上面的分析可知 采用 50 以内的钢渣掺量并适当降低胶凝材 料进行制砖试验 钢渣砖强度等级控制在 10 15MPa 较为合适 同时进一步复配矿粉进行钢渣砖性能试 验 2 4 钢渣制砖配比试验 2 4 1 钢渣用量对钢渣砖的性能影响 选用经过球磨磁选后的钢渣进行试验 在制砖的混合料中 以钢渣为主要原料 我们对比了钢渣掺 量变化时成品钢渣砖的性能变化 找出规律并进行配比的调整 我们选用了 15 水泥 钢渣最大量 50 15 球磨污泥 其余为中粗砂的配比进行试验 随着钢渣的掺量增加 成品钢渣砖的强度明显增加 钢渣中含有的大量 CaO 和 MgO 提供良好的水凝 效果 使得钢渣在砖体中不光提供了骨料的作用 更提供了大量的胶凝作用 提升了钢渣砖的强度等级 在 15 水泥的情况下 强度即可达到了 MU15 的等级 但由于钢渣中含有大量的氧化铁成分 随着掺量 增加 钢渣砖的质量明显增加 在 50 的掺加量时 钢渣砖的重量增加了 25 2 4 2 矿粉对钢渣砖性能的影响 矿渣微粉作为混凝土的第六组分 矿物外加剂 可等量代替水泥 直接掺加在商品混凝土中 掺入 矿渣微粉的混凝土 性能明显得到改善 主要作用是可以提高水泥 混凝土的早强和改善混凝土的某些 特性 如易和性 提高早强 减少水化热等 我们用矿粉等比代替了 3 7 的水泥 拌合 料总量 进行试验制砖 检测矿粉对钢渣砖的 性能影响 矿粉的加入对钢渣砖早期的强度略有影响 随着水化时间的增加 矿粉继续水化 其强度 不断增长 到 7d 时 强度已与不掺矿粉的基准 砖强度相当 到 28 龄期时 掺矿粉的砖强度普 遍高于不掺矿粉的基准砖 其强度增加达到了 11 随着养护龄期的继续增加 其强度仍有增 长空间 在钢渣砖中 中粗砂 钢渣骨料可看作连 续级配的颗粒堆积体系 粗集料的间隙由细集 料填充 细集料由水泥颗粒填充 而水泥颗粒 间的间隙则需要更细的颗粒来填充 矿粉的细 度比水泥颗粒细 所以可以改善钢渣砂浆的孔 结构 降低孔隙率并减少孔径的尺寸 使钢渣 砂浆形成密实充填结构和微观层次的自然紧密 堆积体系 从而可有效地改善钢渣砂浆的综合 性能 降低吸水率 提高钢渣砂浆的抗冻融性 随着矿粉的添加 钢渣砖的吸水率呈线性 下降 在 5 6 的添加量下 吸水率最低 达到 了 5 2 添加量继续增加 钢渣砖的用水量增 加 导致毛细孔有所增加 吸水率又有所增加 钢渣砖的抗冻融性随着矿粉的添加 强度损失 和质量损失也随之下降 矿粉在钢渣砂浆中的填充效果大大降低了砖体内的吸水率 使得砂浆内水分的 冻融对钢渣砖的性能影响大大降低 2 4 3 水渣对钢渣砖性能的影响 在钢渣砖的拌合料中 我们掺加了部分水渣代替中砂 来检验钢渣砖的性能变化 水渣的化学成分与硅酸盐水泥熟料接近 主要是 SiO CaO Al2O3 MgO 等氧化物 经水淬急冷后的水渣玻璃体含量较多 机构处于高能量状态 不稳定 所以 水渣除了具有一定的火山灰活性外 还具有一定的胶凝活性 能与水泥水化生成氢氧化 钙反应 生成一定的水化产物 还能带来微膨胀 减少钢渣砖的收缩 这些水化产物会使钢渣砖结构更 密实 提高钢渣砖的抗压强度 2 4 4 球磨污泥对钢渣砖性能的影响 球磨污泥作为钢渣处理产物 我们掺加在制砖的 拌合料中 作为粉末填充物 提高了循环利用价 值 而球磨污泥中含有的 fCaO 和 MgO 也能部分的提 供胶凝作用提高钢渣砖的强度 随着球磨污泥增 加 其强度略有增长 同时 污泥粉填充在砖体 空隙中 提高了砖体的表观密实度 表面看起来 更平整 但用量增加到 12 以上后 拌合料和易性 下降 用水量增加 同时表面进行粉饰砂浆时 粘附性降低 落地灰大大增加 所以球磨污泥的 掺量在 8 12 较为适宜 图 8 污泥对钢渣砖表观影响 2 5 钢渣制砖的配比确定 32 5 水泥 8 15 S95 矿粉 0 7 球磨污泥 8 12 水渣 5 15 中粗砂 0 20 钢渣 35 45 经过处理后过 5mm 方孔筛 2 6 钢渣砖性能检测 2 6 1 钢渣砖物理性能检测 我们试生产了一批钢渣砖 按标准进行了检验 性能完全符合标准 表 4 钢渣砖检验结果 检测项目 计量 单位 标准规定 合格品 检测结果单项判定 1 长度mm240 2240 0合格 1 宽度mm115 21150合格 0 高度mm90 2 590 1合格 最小外壁厚mm 1516 5合格 1 尺寸 偏差 最小肋厚mm 1016 5合格 2外观弯曲mm 2 0合格 个数个 20合格 掉角 缺棱 三个方向投影 尺寸的最小值 mm 20 0合格 质量 裂缝延伸 投影尺寸累积 mm 20 0合格 3孔洞排列 矩形孔或其它孔型 条面方向至少 2 排以上 空洞率 30 矩形孔 条面方向两排有 序排列 空洞率 48 合格 4抗压强度MPa 平均值 10 0 单块最小值 8 0 平均值 14 6 单块最小值 8 3 合格 5干燥收缩率 0 045 0 04 合格 6相对含水率 使用地平均湿度条件 中等一年平 均相对湿度 50 70 的地区 干燥 收缩率 0 03 0 045 相对含水率 35 34 合格 7抗冻性强度损失 抗冻标号 D15 强度损失 25 质量损失 5 强度损失 8 5 质量损失 0 合格 8抗渗性mm水面下降高度 三块中任一块 10 加水 2h 后玻璃筒面下降高 度分别为 2 3 2 合格 9放射性 IRa 1 0 I 1 3 IRa 1 0 I 1 3 合格 2 6 2 钢渣成品砖的安定性检测 我们将制成钢渣砖切割成宽度约 15 15 240mm 的