转炉滚筒渣在商品干粉砂浆中的应用技术研究

转炉滚筒渣在商品干粉砂浆中的应用技术研究

刘建生，顾文飞，徐莉，唐欧靖（宝钢发展有限公司，上海201900）

商品砂浆的生产和应用是我国近年来继商品混凝土之后正在大力推广的新技术。近年来上海城市建设的快速发展给商品砂浆的应用带来了极大的机遇。据统计，上海每年建筑砂浆用量折合干粉砂浆达1000 万～1200 万t。而上海地区缺乏天然资源，从社会可持续发展要求出发，寻求可利用的二次资源替代日趋紧缺的砂石资源势在必行。宝钢是我国特大型钢铁企业，年排放转炉钢渣达200 多万t，钢渣的处置利用是固废资源化的重要课题之一。本文针对宝钢钢渣处理工艺的改进，对具有代表性的转炉滚筒渣在商品砂浆中应用的质量要求、安全性、钢渣砂浆配制技术等方面进行了较全面、系统的研究，为下一步推广应用钢渣代砂生产商品砂浆和混凝土技术提供了重要依据。

1 原材料及试验方法
1.1 原材料
1.1.1 钢渣砂（GZ）
滚筒法钢渣处理技术是宝钢近年来引进消化国外实验室技术基础上，自主创新拥有自主知识产权的钢渣处理新工艺。该装置具有流程短，投资少，环保好，处理成本低，处理后的钢渣粒度小而均匀、渣钢分离良好、渣的性能较稳定等优点。表1 为宝钢转炉滚筒渣的主要化学成分。

试验用的钢渣砂采用转炉滚筒渣经破碎、磁选，过3 mm筛网筛分而成，其主要物理力学性能指标见表2。
表2 滚筒钢渣主要物理力学指标

表2 结果表明，滚筒渣钢渣砂的压碎值、坚固性、有害物质含量等物理力学性能均符合JCJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中规定的质量要求；滚筒钢渣破碎后只经过3.0 mm 筛筛分加工成的钢渣砂颗粒级配处于Ⅰ区，细度模数在3.4～3.7，属于粗砂范围。为了在以后的实验中具有较好的对比性，本研究参照所用普通砂的颗粒级配，对钢渣砂筛分后进行重新组合，以便在实验中所用的钢渣砂和普通砂都具有相同的级配（Ⅱ区）和细度模数（Mx=2.6，属中砂）。

1.1.2 水泥（C）
采用浙江桐乡水泥厂生产的复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5。
1.1.3 河砂（S）
中砂，最大粒径小于5.00 mm，细度模数Mx=2.6，级配属Ⅱ区。

1.2 试验方法
本研究中的试验方法主要参照以下标准规范：GB 6566—2001《建筑材料放射性核素限量》；GB/T 1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》；GB/T 750—1992《水泥压蒸安定性试验方法》；JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量标准及检验方法》；JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》；GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》。

2 滚筒渣代砂的使用安全性
滚筒渣能否代砂用于商品干粉砂浆，除了符合GB/T14684—2001《建筑用砂》标准规定的物理力学指标外，最关键的技术是钢渣代砂的使用安全性，即不会对环境产生放射性污染；不会对构筑物产生体积安定性不良影响。
2.1 钢渣放射性
宝钢转炉钢渣加工成的钢渣砂经放射性检验，放射性内、外照射指数分别为0.1，远低于GB 6566《建筑材料放射性核素限量》中规定的不大于1.0 的限量要求。
2.2 钢渣砂体积安定性
钢渣安定性是衡量钢渣是否能代砂用于水泥商品砂浆的最重要指标。目前，检测钢渣粉安定性的常用方法是沸煮法体积安定性，如GB 13590—92《钢渣矿渣水泥》和GB/T 20491—2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》都规定采用GB/T1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定的沸煮法，只有当钢渣中MgO 含量大于13%时，采用压蒸法检验。由于大多数钢厂的钢渣MgO 含量小于13%（宝钢钢渣在5%～10％），故一般都采用沸煮法来测试钢渣粉体积安定性。关于钢渣替代细集料砂用于砂浆混凝土的安定性检测目前还没有统一的规定方法，如湖北大学胡曙光[1]利用武钢钢渣配制钢渣砂浆时，采用0.5 MPa 压蒸4 h 观察试件表面是否有裂纹和变形来判断安定性是否合格；武钢技术中心方宏辉[2]利用钢渣细集料配制混凝土时采用沸煮法判断砂浆安定性是否合格。本研究综合分析现有国内钢渣安定性检测方法，结合多年来对宝钢钢渣安定性的研究经验，认为在研究钢渣砂安定性时有必要同时采用沸煮法和压蒸法进行对比试验，并设定压蒸试验采用28 d 龄期试件在1.0 MPa 蒸汽压力下压蒸6 h，先观测试件外观无裂纹或变形，然后对压蒸前后的试件进行强度测试，最终判断安定性是否合格，以确保钢渣砂体积安定性检测结果的可靠性。
2.2.1 沸煮法体积安定性
对6 个批量不同游离氧化钙的滚筒渣，用不同粒径、不同代砂量以1∶3 灰砂比配制砂浆，进行试饼法检测。结果表明，不同f-CaO（2%～14%）滚筒渣不管是用哪种粒径代砂，代砂量直至100％，沸煮法测试的体积安定性都合格。
2.2.2 压蒸法体积安定性
对相同6 个批量的滚筒钢渣进行不同代砂量配制的砂浆试块进行1.0 MPa、6 h 压蒸法体积安定性实验，结果见表3。

从表3 可见，滚筒钢渣代砂砂浆的压蒸安定性实验结果与沸煮法实验结果有显著差异，显示试件的安定性与钢渣的f-CaO 含量和掺量密切相关。总的趋势是，随着钢渣f-CaO 含量和掺量增加，试件的安定性变差。当f-CaO 含量为3.5%～5.4％时，钢渣代砂量可达50%～100％。当f-CaO 含量在8％左右时，掺量应控制在50％以内；当f-CaO 含量大于12％时，压蒸后试块基本碎成粒状。
综上试验结果可得出如下结论：
（1）虽然沸煮法检测结果表明宝钢滚筒渣体积安定性良好，但没有真实反映钢渣砂体积安定性，以沸煮法来评价钢渣砂代砂砂浆的安定性其可信度不足。
（2）压蒸法检测结果表明，滚筒渣体积安定性与钢渣的f-CaO 含量和掺量显著正相关，但波动起伏较大。由此可见，滚筒钢渣体积安定性不能简单地以f-CaO 含量作判定，同时还应考虑到f-CaO 在滚筒钢渣中的存在状态。如果再考虑到其它影响体积安定性的因素（如游离氧化镁），则情况更趋复杂。因此，有必要建立一个综合、可靠、简便而实用的技术要求和检测方法。
（3）宝钢滚筒渣代砂率达30％～100％，大掺量用于普通干粉商品砂浆时，f-CaO 含量宜控制在10％以内，且必须对其体积安定性进行检测。从安全可靠性出发，钢渣砂体积安定性的判断，宜采用压蒸法（1.0 MPa，6 h），且试件龄期28 d，判定依据可采用压蒸与未压蒸试件的抗压强度比。

3 滚筒渣代砂配制砂浆的力学性能研究
3.1 和易性
3.1.1 滚筒渣代砂对砂浆和易性的影响
表4 为在不掺砂浆改性剂或稠化粉条件下，对滚筒渣（GZ）不同代砂率配制的砂浆与普通砂配制的砂浆进行和易性对比试验结果。
表4 无稠化粉时滚筒渣不同代砂率砂浆的性能比较

注：编号中A、B、C 分别代表不同的分组，0、50、80、100分别代表钢渣的代砂率为0、50%、80%、100%。
由表4 可以看出，相同稠度时，用宝钢滚筒渣代砂配制砂浆可减少用水量、降低分层度，与普通砂砂浆相比，滚筒渣砂浆有助于提高保水性，改善和易性。

3.1.2 改性剂对钢渣砂砂浆和易性的影响
和易性差，易泌水、离析是普通水泥砂浆的通病。为改善干粉砂浆的和易性，一般需在砂浆中添加一定量的砂浆改性剂或稠化粉等外掺料，本研究通过自配的砂浆改性剂和市售稠化粉进行对比试验，结果见表5。
表5 外加剂对钢渣砂砂浆和易性的影响

由表5 可见，在相同用水量下，自制B 型砂浆改性剂与市售稠化粉保水效果相近，配制的砂浆稠度和分层度基本相同；而用自制A 型砂浆改性剂则砂浆分层度显著降低，保水效果优于市售稠化粉，完全满足干粉砂浆的和易性等施工性能要求。
3.2 钢渣代砂配制砂浆的强度特性
本研究中，首先对原级配钢渣砂不同代砂量的钢渣砂浆强度与普通砂浆强度进行了比较，实验结果表明，在不对滚筒渣砂级配作调整的条件下，不同代砂率的钢渣砂浆强度与普通砂浆强度基本一致。进一步实验是把钢渣砂的级配及细度模数调整到与普通砂一样。然后参照JGJ 70 中的规定，对3种代砂率（50％、80％、100％） 的3 种强度等级（M7.5、M10、M15）的砂浆进行强度对比试验，结果见图1。

图1 滚筒渣掺量对砂浆抗压强度的影响
图1 结果表明，（1）滚筒渣代砂可以配制出符合要求的各种强度等级的砂浆，在相同稠度下，钢渣砂砂浆强度均显著高于普通砂浆的抗压强度，提高率可达30％以上；（2）砂浆强度随滚筒渣掺量的增加而提高，当钢渣砂代砂量为80%～100％时，砂浆抗压强度达到最大。

3.3 钢渣代砂配制砂浆的凝结时间（见表6）
表6 钢渣代砂配制砂浆的凝结时间

表6 结果表明，在等稠度下滚筒渣代砂配制砂浆，其凝结时间与普通砂浆基本一致，均能满足使用要求。

3.4 钢渣代砂配制砂浆的干缩性（见表7）
表7 钢渣代砂配制砂浆的干缩性

表7 结果表明，用滚筒渣代砂配制的砂浆，其干缩率较普通砂配制的砂浆略小，其干缩率随钢渣代砂率的增加而减小；在早期（7 d 龄期前）还略显膨胀。因此，钢渣代砂有助于克服传统水泥砂浆易产生收缩裂缝的弊病，尤其适合用于有微膨胀的特种砂浆中。

3.5 钢渣代砂配制砂浆的后期强度（见图2）

图2 钢渣代砂配制砂浆的后期强度
图2 结果表明，相同稠度和相同灰砂比条件下，钢渣代砂配制砂浆28 d 强度达到甚至超过不掺钢渣的砂浆强度，随龄期增长，不同钢渣代砂率配制的砂浆强度增长显著高于空白组强度的增长，180 d 强度增长率在40％～90％。

4 结语
（1）宝钢转炉滚筒渣的化学成分波动较小，经加工的钢渣砂各项指标均满足普通混凝土用砂质量标准，其内、外照射指数远低于GB 6566《建筑材料放射性核素限量》中规定的指标，因此，钢渣砂作为主体建筑材料使用是安全的。
（2）滚筒渣代砂配制干粉砂浆代砂率可达30％～100％，但f-CaO 含量宜控制在10％以内，且必须对其体积安定性进行检测。滚筒渣砂浆的压蒸安定性试验结果与沸煮法试验结果有显著差异，从安全可靠性出发，钢渣砂的体积安定性的判断，宜采用压蒸法（1.0 MPa，6 d），且试件龄期28 d，判定依据可采用28 d 压蒸与未压蒸试件的抗压强度比。
（3）宝钢滚筒渣代砂配制的砂浆和易性、干缩性、抗压强度等性能均优于普通砂配制的砂浆，28 d 抗压强度较基准组强度可提高30％以上，且后期稳定增长，180 d 强度增长率达40％～90％。
（4）钢渣砂替代普通砂配制商品干粉砂浆的应用技术为钢渣的资源化利用开辟了新的途径，同时可降低干粉砂浆生产成本，节约天然砂石资源，符合资源综合利用、发展绿色建材和循环经济的可持续发展方向，具有广阔的推广应用前景。