CN101792274A

CN101792274A - 对中碱度钢渣进行在线高温重构的钙硅铝质性能调节材料及其应用

Info

Publication number: CN101792274A
Application number: CN201010127650A
Authority: CN
Inventors: 余其俊; 宫晨琛; 韦江雄
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2010-08-04

Abstract

本发明公开对中碱度钢渣进行在线高温重构的钙硅铝质性能调节材料及其应用，性能调节材料由石灰和矿渣以及少量的辅助材料混合制备而成。所述应用是将性能调节材料投放到钢渣渣包中，利用熔融钢渣的余热促使二者发生化学反应，增加中碱度钢渣中具有胶凝活性的硅酸盐矿物含量，提高钢渣的胶凝活性，重构后钢渣中游离CaO含量小于2%，比表面积控制在350～450m²/kg时，28d活性指数大于85%。本发明利用炼钢厂的少量原料石灰和工业废渣矿渣作为性能调节材料以及熔融钢渣的所自带的余热，制备具有良好水硬胶凝性能的重构钢渣，可用作水泥的混合材或混凝土掺合料，广泛应用于工业与民用建筑、水利、道路和机场等建设工程。

Description

对中碱度钢渣进行在线高温重构的钙硅铝质性能调节材料及其应用

技术领域

本发明涉及中碱度钢渣性能调节材料，具体涉及用于对中碱度钢渣进行在线高温重构的钙硅铝质性能调节材料及其应用。

背景技术

随着国民基础设施建设的发展和钢结构应用领域的扩大，我国钢材产量持续稳步增长，2008年我国粗钢产量达到5.31亿吨。多年来我国钢材产量的持续增长已造成其副产品钢渣堆存问题的急剧恶化。迄今为止，我国钢渣累积堆存超过4亿多吨，每年仍约以近8000万吨的速度在不断增长，其中中碱度钢渣（CaO与（SiO₂+P₂O₅）的重量比介于1.8~2.5）约4000万吨/年，这些钢渣的排放不但占用耕地，浪费资源，并由于粉化和其中钙、钾、硫和可溶性重金属组分等的溶出，造成了土壤、空气和地下水的严重污染。

众所周知，经历1650℃以上高温的钢渣在组成上与水泥熟料或高炉矿渣相近，其中主要存在矿物为硅酸二钙（2CaO·SiO₂，简称C₂S）、硅酸三钙（3CaO·SiO₂，简称C₃S）、RO相（(Fe，Mn，Mg)O）、铁铝酸四钙（4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃，简称C₄AF）、镁蔷薇辉石（3CaO·MgO·2SiO₂），但根据钢渣化学组成的不同，其矿物组成和水硬胶凝活性存在显著差异。其中，钢渣的碱度系数（CaO与（SiO₂+P₂O₅）的重量比）就是一个区分和衡量钢渣矿物组成和水硬活性的重要指标。根据碱度的高低，可将钢渣分为低碱度渣（R<1.8）、中碱度渣（R=1.8～2.5）和高碱度渣（R>2.5）。钢渣矿物组成规律取决于其碱度（CaO/SiO₂+P₂O₅），碱度<1.8时，主要矿物为橄榄石、蔷薇辉石；碱度为1.8～2.5时，主要矿物为硅酸二钙、蔷薇辉石和RO相；碱度为2.5以上时，主要矿物为硅酸三钙、硅酸二钙、RO相。

当碱度大于1.8时，钢渣中含有一定量的硅酸盐矿物，具有一定的水硬胶凝性能，一直被认为在水泥混凝土行业中具有良好应用前景的辅助性胶凝材料，特别是占钢渣总排放量50～60％的中碱度钢渣。但是，由于钢渣中的矿相存在以下一些特点：（1）C₃S中固溶有铁、硫等；（2）C₂S中固溶有磷且部分C₂S以低活性的γ-C₂S形态存在；（3）铁铝酸盐中铝含量低和晶粒粗大、结构致密等特点，导致胶凝活性差；（4）同时由于f-CaO、方镁石（MgO）所致的安定性差等问题，严重制约了钢渣作为辅助性胶凝材料在水泥、混凝土行业的广泛利用。目前，钢渣在水泥混凝土工业的利用率仅约10%，其主要利用方式是用作筑路材料、回填料等，只能说是一种低附加值的利用模式。如果其胶凝性得到进一步提高或充分发挥，将可以在很大程度上替代水泥，弥补水泥、混凝土行业中辅助性胶凝材料资源的不足的问题，又减少了钢渣的堆存和由此产生的二次污染。因此，开拓新技术或研发新装备，改善钢渣的胶凝活性，既可一定程度上减轻水泥、混凝土工业辅助性胶凝材料不足的压力和降低水泥、混凝土生产成本，又可为钢厂减轻环境压力和产生经济效益。

就改善钢渣的物化和胶凝性能，国内外众多学者开展了大量工作，钢渣活化是迄今为止的主流性研究工作，主要有以下几种方法。

机械力活化：通过研磨，钢渣颗粒变小，比表面积增大，粉磨能量中的一部分转化为新生颗粒的内能和表面能，同时颗粒表面形成易溶于水的非晶态结构，因而钢渣活性提高。甄广常等在水泥中掺入30～50%的磨细钢渣粉，制备了52.5复合硅酸盐水泥。但是，钢渣易磨性差，粉磨能耗高，而且通过此方法其胶凝活性的提高也有限。

压蒸养护：通过压蒸养护，可促进硅酸盐矿物、镁橄榄石、黄长石等惰性或低活性矿物发生水热反应。YasumasaFukashima提出，压蒸加速了钢渣与矿渣混合料的水化，可制备出托贝莫来石含量达20％以上的各种道路建筑材料制品；钱光人、徐光亮等通过采用压蒸手段加速了中碱度钢渣的水化速度，制备出了蒸压强度50MPa以上的石英砂橄榄石类钢渣胶凝材料。

化学激发：化学激发是通过化学的作用（一般是掺加化学外加剂）加速钢渣的水化硬化。常用激发剂为石膏、熟料、石灰和碱金属的硅酸盐、碳酸盐氢氧化物等。林宗寿等以Na₂SiO₄+Na₂CO₃活化处理钢渣、粉煤灰，在掺量达35%时可稳定生产42.5早强型水泥。

以上活化措施均属于“后端”处理技术，是传统的方法，主要是建立在利用钢渣中所含有效或潜在的胶凝组分基础上，但由于钢渣在活性方面的先天性不足，性能改善的空间不大，而且每种方法也都存在着一定的局限性，对钢渣在水泥、混凝土行业的大规模应用意义不大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供对中碱度钢渣进行在线高温重构的钙硅铝质性能调节材料及其应用。本发明利用熔融钢渣的余热和工业废弃物，增加中碱度钢渣中硅酸盐矿物的含量，提高其水硬胶凝性能，拓展其在水泥混凝土工业的应用领域和范围，保护环境、节约资源，节约水泥用量，减少CO₂排放，同时，也为钢渣的有效综合利用提供新的途径。本发明通过如下技术方案实现。

对中碱度钢渣进行在线高温重构的钙硅铝质性能调节材料，由石灰和矿渣以按如下重量份数混合得到：

石灰 0～50

矿渣 45～98 。

上述的性能调节材料中，还包括重量份数为2～5的辅助材料，即由石灰、矿渣和辅助材料混合得到。

上述的性能调节材料中，所述矿渣为高炉矿渣。

上述的性能调节材料中，所述矿渣中的主要成分的重量百分比为SiO₂25～40％、Fe₂O₃0～2％、Al₂O₃10～20％、CaO30～50％、MgO5～10％。

上述的性能调节材料中，所述辅助材料为淀粉类聚合物。

上述的性能调节材料中，所述辅助材料为淀粉或聚乙烯醇。

本发明还提供性能调节材料的应用，具体是在中碱度钢渣排渣过程中，将所述性能调节材料投放到中碱度钢渣渣包中，利用熔融钢渣的余热促使性能调节材料与钢渣发生化学反应，提高钢渣的胶凝活性。

上述性能调节材料的应用中，所述中碱度钢渣中CaO重量与SiO₂和P₂O₅重量之和的比为1.8~2.5。

上述性能调节材料的应用中，所投放的性能调节材料占钢渣排渣量的重量百分比为10～30％。

上述性能调节材料的应用中，性能调节材料与中碱度钢渣发生化学反应后得到重构钢渣，重构钢渣中游离CaO重量含量小于2%，重构钢渣在勃氏比表面积为350～450m2/kg时，28d活性指数大于85%。

本发明主要内容是利用石灰和矿渣作中碱度钢渣的性能调节材料，在中碱度钢渣排放过程中投放到钢渣渣包中，利用熔融钢渣的余热使二者发生化学反应，改善钢渣的组成与结构，尤其是增加具有胶凝活性的硅酸钙和铝酸钙矿物含量，从而提高中碱度钢渣的胶凝活性。

本发明得到的重构钢渣，可作为水泥混合材或混凝土掺合料，广泛用于工业与民用建筑、水利、道路和机场等建设工程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

（1）本发明根据中碱度钢渣的组成特点，以钙硅铝质材料作性能调节材料，在高温下与中碱度钢渣发生重构反应，提高钢渣的水化硬化性能；

（2）利用熔融钢渣余热，从源头上实现钢渣水化与胶凝活性的提高和调控，克服“后端”处理中由于钢渣成分波动而引起活性差异大的缺点，并同时降低能耗，推进钢渣在水泥、混凝土工业中的大规模应用；

（3）参照国家标准GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》进行重构钢渣粉的性能试验。重构钢渣中游离氧化钙含量小于2%，重构钢渣粉的比表面积为350～450m2/kg时，28d活性指数大于85%，可广泛应用于水泥混凝土行业，实现钢渣的高效再资源化利用；

（4）本发明不但以废治废，保护环境、减少耕地占用，节约水泥用量，减少CO₂排放，而且有效地降低成本，为中碱度钢渣的有效综合利用提供新的途径。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实例1～4中涉及的钢渣（碱度为1.98）、石灰、矿渣的化学组成如下：（重量百分比%）。

实例1

1、将石灰、矿渣和辅助材料制备性能调节材料，具体按如下重量份数进行混合：

石灰 20

矿渣 78

淀粉 2；

2、在中碱度钢渣排渣过程中，性能调节材料以钢渣排渣量的10％（重量）投放到钢渣渣包中；

3、用螺旋输送机将性能调节材料送至钢渣包中，并利用熔融钢渣倾倒的冲击力将性能调节材料和钢渣混合，以使二者充分发生重构反应；

4、破碎重构钢渣，磁选分离，并粉磨至比表面积为395±5m2/kg。

实例2

石灰 30

矿渣 67

淀粉 3；

2、在中碱度钢渣排渣过程中，性能调节材料以钢渣排渣量的15％（重量）投放到钢渣渣包中；

4、破碎重构钢渣，磁选分离，并粉磨至比表面积为417±5m2/kg。

实例3

石灰 40

矿渣 57

淀粉 3；

2、在中碱度钢渣排渣过程中，性能调节材料以钢渣排渣量的20％（重量）投放到钢渣渣包中；

4、破碎重构钢渣，磁选分离，并粉磨至比表面积为425±5m2/kg。

实例4

石灰 50

矿渣 48

淀粉 2；

2、在中碱度钢渣排渣过程中，性能调节材料以钢渣排渣量的25％（重量）投放到钢渣渣包中；

4、破碎重构钢渣，磁选分离，并粉磨至比表面积为388±5m2/kg。

实例5、6中涉及的柳钢钢渣（碱度2.1）、石灰、矿渣的化学组成如表2：（重量百分比%）。

实例5

石灰 45

矿渣 53

淀粉 2；

4、破碎重构钢渣，磁选分离，并粉磨至比表面积为407±5m2/kg。

实例6

石灰 35

矿渣 63

聚乙烯醇 2；

4、破碎重构钢渣，磁选分离，并粉磨至比表面积为410±5m2/kg。

参照国家标准GB/T20491-2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》对实例1~6的重构钢渣粉进行性能试验，物理性能如表3所示。

表3结果说明：将以钙硅铝质调节材料重构的转炉钢渣粉掺入水泥中，28d活性指数均大于85%，游离CaO含量小于2%。可见，利用石灰和矿渣作组分调节组分，在高温下与转炉钢渣发生二次化学反应，提高钢渣的胶凝活性，实现了转炉钢渣、矿渣等工业废弃物的资源化再利用，为转炉钢渣的有效综合利用提供新的途径。

Claims

1.对中碱度钢渣进行在线高温重构的钙硅铝质性能调节材料，其特征在于由石灰和矿渣以按如下重量份数混合得到：

石灰 0～50

矿渣 45～98 。

2.根据权利要求1所述的性能调节材料，其特征在于性能调节材料中还包括重量份数为2～5的辅助材料。

3.根据权利要求1或2所述的性能调节材料，其特征在于所述矿渣为高炉矿渣。

4.根据权利要求1或2所述的性能调节材料，其特征在于所述矿渣中的主要成分的重量百分比为SiO₂25～40％、Fe₂O₃0～2％、Al₂O₃10～20％、CaO30～50％、MgO5～10％。

5.根据权利要求2所述的性能调节材料，其特征在于所述辅助材料为淀粉类聚合物。

6.根据权利要求2所述的性能调节材料，其特征在于所述辅助材料为淀粉或聚乙烯醇。

7.权利要求1或2所述性能调节材料的应用，其特征是在中碱度钢渣排渣过程中，将所述性能调节材料投放到中碱度钢渣渣包中，利用熔融钢渣的余热促使性能调节材料与钢渣发生化学反应，提高钢渣的胶凝活性。

8.根据权利要求7所述性能调节材料的应用，其特征是所述中碱度钢渣中，CaO重量与SiO₂和P₂O₅重量之和的比为1.8~2.5。

9.根据权利要求7所述性能调节材料的应用，其特征是所投放的性能调节材料占钢渣排渣量的重量百分比为10～30％。

10.根据权利要求5所述的应用，其特征是性能调节材料与中碱度钢渣发生化学反应后得到重构钢渣，重构钢渣中游离CaO重量含量小于2%，重构钢渣在勃氏比表面积为350～450m²/kg时，28d活性指数大于85%。