钢渣在水泥生产中的运用 - 图文

钢渣作为混合材或矿物掺合料的应用

1前言

1.1研究背景以及意义

随着社会和经济的飞速发展，人类的生活水平和质量得到了很人的提高，但是我们赖以生存的环境却在口益恶化。我们生活和生产中排放了越来越多的垃圾和废物。特别是其中的工业废渣、废弃物，不仅占用了大量的土地，对生态环境也造成了巨大的危害，而且还给人类的生活和健康带来了极大的危害。因此，如何处理工业废渣，保护生态环境已成为我们目前迫切需要解决的问题。 水泥作为发展国民经济的主要原材料，水泥产业作为发展国民经济的支柱产业在处理工业废渣上有其特殊的优势。某些工业废弃物含有对水泥熟料烧成有利的离子，某些冶炼工业废渣经过了高温锻烧，在成渣过程中加入了石灰，经过高温成渣反应，改变了物料中的SiO2， Al2O3：等氧化物的积聚状态，生成了一些和水泥矿物相同或者相近的矿物，经过水淬处理，形成以玻璃体为主的固体。这些玻璃体和熟料矿物，在适当条件下，可促进水泥熟料烧成。废渣中含有的某些微量元素，有可能改变熟料矿物的微观结构，提高水硬活性。所以资源化、有利化利用工业废渣现在也被作为水泥研究的主要课题之一，同时这也是水泥生产绿色化和高性能化的结合点。

在国家重点基础研究发展规划项目(973项目)一一“高性能水泥制备和应用的基础研究”的实施过程中，陈益民教授等水泥混凝土专家做了将工业废渣(钢渣、磷渣、赤泥)作为水泥原料配料烧制水泥熟料方面的工作，并获得了很多宝贵的研究成果。但是，这些研究成果只是证明了某些工业废渣作为水泥工业原料 配料的可行性，至于更进一步的研究还需要继续进行。钢渣作为炼钢过程的副产品，具有难磨的特性。所以当其作为水泥原料配料时势必会给水泥烧成过程中带来较大的钢渣颗粒。具体研究方法是在水泥生料中掺加不同粒径的钢渣颗粒，同时并配以不同的掺量分析并研究其对水泥生料易烧性、水泥熟料矿物形成以及熟料性能的影响，试图寻找出合适的掺量范围。以此来解决由于易磨性不好给水泥生产所带来的问题。 1.2国内外研究现状

工业发达国家很早就开始重视环境保护问题，因而他们的钢渣综合利用率一般较高，以下就是典型的几个工业发达国家的钢渣利用情况。

在上世纪70年代初，美国的钢渣就已达到排用平衡，实现了钢渣利用的资源化、专业化、企业化，历史上的渣堆现已基本消除。最新数据统计表明，2001年美国钢渣产量665万吨，其中37%用于路基工程，22%用于工程回填料，22%用于沥青混凝土集料。 1999年口本钢铁环境公报统计结果显示 1998年口本钢渣总产量为12，879， 000吨，其中22%用于道路工程，40. 7%用于土木建筑工程，19.3%用于回炉烧结料，8%用于深加工原材料，5.9%用于水泥原材料，1.1%用于肥料，4%用于回填料。

统计数据表明，整个欧洲每年产钢渣约1200万吨，其中65%已得到高效率的利用，但仍有35%的钢渣堆积未利用。相比之下德国的钢渣利用率相对较高，1998德国约97%的钢渣已作为集料广泛应用于公路交通、地下工程及民用建筑。

加拿大年产钢渣约100万吨，大部分的钢渣就堆积在钢厂附近或运往其它

地方进行回填，仅少量钢渣卖到水泥厂用作钙质或铁质原材料，近年来加拿大学者也开始将钢渣作为水泥混合材进行研究，但掺量仅10-20%左右，而且目前还处于实验研究阶段。

据统计， 1998年我国钢渣的年排放量己达1600万吨，回收利用率为79%。从利用数字分析，我国钢渣利用率并不低，但实际上钢渣的利用情况并不理想，许多钢渣实际上采取的是粗放式处理方法。据初步估算，我国每年钢渣利用情况是：回炉烧结利用120万t，筑路用250万t，作工程回填料200万t，配制水泥最多40万t，作其他建材约10万t，年利用量约620万t，按资源性和有效性评定，我国钢渣实际利用率仅为40%左右。 1.3本文研究主要内容 1.31钢渣水泥：

钢渣是炼钢过程中排除的废渣，约占钢产量的20%。将钢渣制成水泥，既是增产水泥的途径之一，而更重要的是解决炼钢厂的炼钢废渣处理问题。钢渣主要来源于铁水与废钢中所含元素氧化后形成的氧化物，金属炉料带入的杂质，加入的造渣剂如石灰石、萤石、硅石以及氧化剂、脱硫产物和被侵蚀的炉衬材料等。

炼炼钢分为平炉炼钢、转炉炼钢和电炉炼钢。平平炉钢渣随炼钢过程中出渣的前后分初期渣、精炼渣和后期渣。转炉渣分为前期渣、和后期渣。电炉钢渣分氧化渣、和还原渣。用于制造水泥的主要是CaO含量较高的平炉精炼渣、后期渣和转炉后期渣。电炉还原渣还可用于制造白色和彩色钢渣水泥。

以化学成分而言，钢渣与水泥熟练有些相似，当氧化物含量差别较大。同时钢渣成分波动很大，长随炼钢品种、原料来源、操作控制等而变。下面为几种钢渣的化学成分。

钢渣的化学成分（%） CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO MnO P2O5 F fCaO 钢渣种类 平炉精炼渣 46.68 14.04 4.13 2.69 12.06 7.06 1.13 9.20 0.58 - 57.46 15.46 3.63 3.03 10.47 6.09 _ 1.28 _ 4.75 转炉渣 电炉还原渣 52.98 20.12 15.12 0.71 0.46 8.80 0.31 0.61 2.31 _ 根据对钢渣的岩相鉴定和x射线鉴定表明，钢渣之所以具有胶凝性，主要是其中含有水泥熟料中的一些矿物，例如CaO含量较高的平炉钢渣中，常含有C3S、C2S和铁铝酸盐。转炉渣中C3S含量更多一些，因而其活性一般比平炉渣高一些。电炉还原渣中场含有C2S、CA、C12A7，CaO含量很高时还可以形成C3S和C3A。这些矿物都具有胶凝性，但其含量一般比熟料中少，而且晶体发育也较大，比较完整，活性较低。

根据标准，钢渣水泥的定义如下：凡以平炉、转炉钢渣为主要组成，加入一定量粒化高炉矿渣和适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为钢渣矿渣水泥。钢渣的掺入量，以质量计，不少于35%，必要时，可掺入质量不超过20%的硅酸盐水泥熟料。

凡由平炉、转炉炼钢时所含硅酸盐、铁铝酸盐为主要矿物，经淬冷或自然冷却的钢渣，均适用于制作钢渣水泥。钢渣的碱度（

CaOSiO2?P2O5）不得小于1.8.

钢渣中不应混有炉前垃圾、补炉材料及废耐火砖等外来夹杂物。钢渣必须经过磁选，金属铁的含量，应严格控制。

钢渣中的氧化镁存在形式主要有三种：即化合态（钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石等）、固溶体（二价金属氧化物MgO、FeO、MnO的无限固溶体，即RO相）、游离态（方镁石晶体）。关于以固溶体存在的氧化镁对水泥长期安定性的影响，存在着不同看法。有人认为钢渣中RO相固溶体中的氧化镁仍会水化，从而起着有害作用；另一种看法认为，RO相的氧化镁因固溶有其他二价氧化物，不会引起安定性问题。多数人认为，RO相中的氧化镁的水化会因FeO、MnO等二价金属氧化物的固溶体而受到抑制。

钢渣中的MgO含量为5%-13%，如粒化高炉矿渣掺入量大于40%时，制成的钢渣水泥不作压蒸实验。当钢渣中MgO含量大于13%时，水泥必须用压蒸法检验安定性合格。

钢渣水泥中的石膏，可利用天然硬石膏，经600-800℃煅烧的无水石膏和天然二水石膏。硬石膏和煅烧石膏中的无水硫酸钙含量应大于85%。天然二水石膏必须符合石膏标准中的3、4、5级石膏要求。钢渣矿渣水泥中的三氧化硫含量不得超过4%。如水浸安定性合格，则SO3含量允许放宽到6%。

硅酸盐水泥熟料中游离氧化钙含量不得超过3%，氧化镁含量不得超过5%。 钢渣矿渣水泥分为22.5、27.5、和32.5三个标号，其各龄期的强度指标如下表。

钢渣矿渣各龄期的强度 水泥标号 抗压强度（MPa） 抗折强度（MPa） 7天 28天 7天 28天 22.5 8.8 22.5 2.3 4.4 27.5 10.8 27.5 2.7 4.9 32.5 12.7 32.5 3.2 5.4 钢渣矿渣水泥的细度，以表面积计，不得小于3500cm2/g。用筛析法测定时，在0.08mm方孔筛上筛余不得超过8%。钢渣矿渣水泥的初凝应大于45分钟，终凝应不迟于24小时。蒸煮安定性必须合格，安安定性试饼在湿气中养护72±3小时后，在进行蒸煮实验。

钢渣矿渣水泥的主要缺点是早期强度低，冬季施工困难，但后期强度不断增长，后期强度高，具有与矿渣硅酸盐水泥相似的物理学性能，并具有耐磨、耐腐蚀、抗冻性好，大气稳定性好，微膨胀和水化热低等特点。

钢渣矿渣水泥主要适用于一般工业与民工建筑、地下工程和防水工程、大体积混凝土工程、要求抗渗、抗硫酸盐侵蚀和对耐磨性有一定要求的混凝土工程。钢渣矿渣水泥不适用于抢修工程和早期强度有较高要求的的工程。 1.32 主要技术路线

钢渣是炼钢过程的副产品，是由石灰或萤石等造渣材料、炉衬的侵蚀以及铁水中硅、铁等物质氧化而成的复合固溶体。钢渣中含有一些和水泥矿物相同或者相近的矿物。这些矿物在熟料锻烧过程中起到了“诱导晶种”的作用。该作用可有效地降低晶体形成时的核化势垒，打破原CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3系统的动态平衡，促使化学反应速度进一步加快，为C2S吸收关f-Ca0形成C3S的反应创造条件，最终促进水泥熟料烧成。另外，钢渣中含有的某些微量元素，是熟

料烧成过程中良好的矿化剂和促进剂，能够降低CaCO3分解温度，并加速化学反应提高CaCO3的分解率。

2.钢渣的利用

2.1全国各地不同地方钢渣化学成分比较

【参考文献：魏航宇，邢宏伟等. 钢渣处理生产硅酸盐水泥的探讨.甘肃冶金. 2009（4）：12-15】

【参考文献：舒型武. 钢渣特性及其综合利用技术. 钢铁技术. 2007（6）：48-51】

转炉钢渣(表1)的特点是碱度高(碱度一般大于2.4) , f- Ca0高。

平炉和电炉钢渣(表2, 3, 4)均具有碱度低(碱度一般小于2 .4) , P2O5低，Mg0高，f - C a0低的特点，同属于低碱度钢渣。

从钢渣的外观结构来看，可以将钢渣分为两类:致密块渣和疏松多孔渣，二者的化学成分存在明显的差异:疏松渣比致密渣碱度低，Fe2O3或FeO含量高(见表5).

【参考文献：徐光亮，钱光人等. 低碱度钢渣基油井及地热井胶凝材料的研究——I 低碱度钢渣的化学成分、矿物组成和矿物特征*. 西南工程学院学报. 2000(3):10-14】

【参考文献：李伦.韶钢钢渣的综合利用. 南方金属. 2002（6）：30-31】

可以看出，转炉钢渣的特点是碱度高(碱度一般大于2.4) , f- Ca0高。平炉和电炉钢渣均具有碱度低(碱度一般小于2 .4) , P2O5低，Mg0高，f - C a0低的特点，同属于低碱度钢渣。

2.2 低碱度钢渣的矿物组成

钢渣的矿物组成主要决定于钢渣的化学成分，特别是其碱度。在钢渣冶炼过程中，由于不断添加石灰，碱度不断增加，则依次发生下列反应:

RO：表示FeO、MgO和MnO的固溶体：

根据M ason的碱度分类方法，按碱度(CaO/(SiO2十P2O5))高低：

【参考文献：M anon B. The constitution of basic open-heath slag，jpurnal of Iron and Steel Institute，1994；(11) 69】

碱度 渣类

0.9一1. 4 橄榄石渣

1. 4- 1. 6 镁蔷薇辉石渣 1. 6一2 .4 硅酸二钙渣 >2 4 硅酸三钙渣

按此分类方法，碱度较高的转炉钢渣(碱度一般大于2. 4)属于硅酸二钙渣。平

炉钢渣和电炉钢渣(碱度一般小于2. 4)等低碱度钢渣属于硅酸二钙渣、镁蔷薇辉石渣或橄榄石渣，其中致密的平炉和电炉氧化渣均为硅酸二钙渣，疏松的平炉和电炉氧化渣为橄榄石渣和镁蔷薇辉石渣，电炉还原渣属于硅酸二钙渣。

通过XRD和偏、反光显微镜对钢渣的矿物种类及性能研究得出，低碱度钢渣的矿物组成如下表所示。由此可见，低碱度钢渣的主要矿物组成为橄榄石、镁蔷薇辉石、硅酸二钙、RO相等。

低碱度钢渣的矿物组成

2.3 低碱度钢渣矿物的岩相特征 (1) 橄榄石

分子式为CaO?RO?SiO2(简写为CRS)，它是前期钢渣的常见矿物。X一射线衍射特征峰与钙镁橄榄石(CM S)非常接近。主要特征峰是5. 54， 4. 18， 3 .62， 2.93， 2.66， 2. 58等。但d值有移动，当钢渣中碱度比较低，含铁量又比较高时，Ca2?常被Fe2?所取代，生成镁铁橄榄石(M，F) 2S)。或者Mg2?

被Fe2?所取

代，生成钙铁橄榄石((CFS)。总之，钢渣中的橄榄石是多种多样的，多半以连续固溶体存在。

在薄片中多呈无色透明的菱形、粒状、条状，解理不完全，突起较高，平行消光，正延性，双折射率较低，正交偏光下的干涉色为一级灰白。光片用10%HCl 溶液侵蚀，CM S或接近CM S的橄榄石侵蚀严重，呈棕色，表面有明显的擦痕，其他成分的橄榄石侵蚀较轻，呈浅棕色，表面光滑。 (2) 镁蔷薇辉石

分子式为3C aO?MgO?2SiO2(简写为C3M S2)，其主要X射线衍射特征峰为2 66，1. 90， 1. 81，1. 5 3。钢渣中C3MS2的Mg2?常被Mn2?和Fe2?所取代，

故分子式应写成3C aO?MgO?2SiO2(简写C3M S2)。

当M gO含量较高时，常发现发育良好的镁蔷薇辉石，在透射光下呈无色透明的柱状、长纺锤状、菱形、粒状，突起很高，在正交偏光下消光，但消光角不大，干涉为一线浅灰，比橄榄石略低，’常可看到波形消光，简单双晶，聚片双晶以及多连晶，负延性。 (3)硅酸二钙

分子式为2C aO?S iO2(简写为C2S)，转炉渣、平炉渣和电炉氧化渣多以介C2S存在，电炉还原渣多以γ- C2S存在。

直通光下钢渣的βC2S为透明或带黄色的圆粒状，干涉色为一级灰白至一级黄，二轴晶，正光性，光轴角小。其主要X射线衍射峰为：2 79, 2 78, 2 74， 2 87， 2.80。

(4)硅酸三钙

分子式为3C aO? SiO2(简写为C3S)，一般出现在碱度大于2. 4的钢渣中，碱度小于2 .4的钢渣含C3S较少。当有过量的P 2O5存在时，C3S的生成将受到阻止，并使C3S分解。在二重平炉致密钢渣中可见到C3S。

直通光下呈柱状，无色透明，正交偏光下干涉色为一级灰或一级灰白，一轴晶，负光性，平行消光或近于平行消光，正延性，光轴角很小。其主要X射线衍射特征峰为：3 03，2 96， 1. 76。

(5) RO相 RO相为FeO、MgO和MnO形成的连续固溶体。由于Fe2?、Mg2?、 Mn2?的

离子半径分别为0. 83埃、0. 78埃、0.91埃，相差小于15%，根据结晶化学理论，FeO、MgO和MnO可形成连续固溶体，这种固溶体一般以RO表示。

钢渣中RO相的成分变化很大，碱度低的前期渣(疏松渣)RO相以FeO(方铁石)为主，这种RO相的X射线衍射数据似于FeO的衍射峰，但有偏移，FeO的X射线衍射特征峰为：2.48， 2.15， 1. 53。当RO固溶MgO较多，衍射峰向高角度方向移动；固溶MnO较多，衍射峰向低角度方向移动。以FeO为主的RO相在透光下黑色不透明，为骨骼状、六方放射状，反射光下反射率较强。随着钢渣碱度的提高，RO相中MgO含量随之增加，RO相在透射光下呈中棕黄或浅黄的点滴状，折射率大大降低，逐渐向1. 736靠近。

钢渣碱度的提高，RO相中的MgO含量随之增加，逐渐形成以MgO为基体的RO相。这种RO相的X射线衍射数据是MgO的衍射线条向低角度偏移。 电炉还原渣的RO相则以MgO(方镁石)形式存在，MgO的X射线衍射特征峰为：2 11， 1. 49。

(6）镁蔷薇辉石一硅酸二钙固溶体

分子式为(3CaO?MgO?2SiO2)44(2CaO?SiO2)56(简写为(C3MS2) 44 (C2S)56)，在电炉氧化钢渣中常发现这种矿物。其岩相特征与镁蔷薇辉石相似，二轴晶，正光性，负延性，反光下观察，象许多小锤连接在一起。X射线衍射特征峰为：2.829， 2.732， 2.718， 2.668，2.210，1. 924。 (7）枪晶石

分子式为3CaO?2SiO2 ?CaF2，在长钢电炉氧化渣中可见到。直通光下无色，多数无双晶，有的呈矛型或聚片双晶，斜消光，二轴晶，正光性。X射线衍射特征峰为：3.06， 2. 94， 3.26。

2.4 钢渣的物理性质

（1） 密度：含铁量约为10%~12%一般在3.1~3.6g/cm3

（2） 容重和含水率：受成分和粒度影响一般约为1.6~2.26g/cm3 固定线渣道上的钢渣经强制打水冷却,钢渣含水率控制在5%~6%范围内,利于磁选加工线的粉尘控制。

（3） 抗压性：钢渣抗压性能好，压碎值为20.4%~30.8%。

（4） 易磨性：由于钢渣结构致密和它的组成关系，钢渣较耐磨，用易磨指数表示，标准砂为1高炉渣0.96钢渣为0.7。 2.5 钢渣的化学性质

（1） 碱度：指钢渣中的CaO与SiO2 、P2O5含量比，根据碱度高低分低碱度渣（黑褐色）中碱度渣和高碱度渣（褐灰色）

（2） 稳定性：钢渣含游离氧化钙（fCaO、MgO、Ca2SiO3、Ca3SiO4等，这些组分在一定条件下都具有不稳定性。碱度高的熔渣在缓冷时，Ca3SiO41250到1100摄氏度时缓慢分解成Ca2SiO3和fCaO，Ca2SiO3在675摄氏度发生变化体积膨胀，膨胀率达10%。此外钢渣吸水后，fCaO消解为Ca（OH）2 体积膨胀1~3倍，MgO消解成Mg(OH)2体积膨胀达77%当消解基本完成后钢渣稳定。 （3） 活性：Ca2SiO3、Ca3SiO4等为活性矿物，具有水硬胶硬性，当钢渣CaO/（SiO2+P2O5）>1.8时便含有60~80ê2SiO3、Ca3SiO4，并且随比值（碱性）提高，Ca3SiO4含量也增加，当碱度提高到2.5以上时，钢渣主要矿物为Ca3SiO4用碱度高于2.5的钢渣与10%的石膏研磨。其强度可达325#水泥强度。因此高碱度钢渣可作水泥生产原料和制造建材制品。

（4） 钢渣矿物组成：与炼钢过程中加入石灰量有关。

钢渣中的主要硅酸盐矿物C2S及CAS的X衍射数据及岩相特征与硅酸盐水泥熟料中的B矿及A矿基本相同，钢渣中存在的硅酸盐相决定了钢渣具有一定的胶凝性能。尽管如此，由钢渣化学组成特点，钢渣中活性相对较高的硅酸盐矿物及铁铝酸盐矿物仅40%-70%，远低于硅酸盐水泥熟料;另外钢渣在处理工艺中其C3S易转化为C2S及二次游离石灰，钢渣中的高活性的C3S相对含量非常低而且高温融熔形成的C3S结构较致密，水化速度也低于熟料中的C3S。正因为如此，尽管钢渣具有胶凝性能，但其胶凝性能尤其是早期胶凝性能远远低于硅酸盐水泥熟料。

2.6 影响钢渣在水泥混凝土中应用的若干因素

钢渣的处理之所以大都采用粗放式的方法是因为钢渣在水泥混凝土的使用上存在着一些不好解决的问题。 2.61 难磨

普遍认为钢渣是难以粉磨的物料，生产中也的确存在一个事实，即同一条粉磨生产线用于粉磨钢渣时，磨机的产量显著降低(品质指标不变)。 2.62安定性差

体积安定性是钢渣用于水泥、混凝土领域时需要考虑的重要因素之一。钢渣中含有较多的游离CaO， MgO， FeO等，特别是关CaO， MgO水化后易产生体积膨胀，被认为是影响钢渣安定性的主要因素。 (1)游离氧化钙（f-CaO)对钢渣安定性的影响

钢渣中绝大多数CaO都参与反应生成了硅酸盐、铝酸盐及铁铝酸盐等活性矿物，以此类化合态形式存在的CaO不影响钢渣的安定性。只有少量CaO以游离态形式存在，f-CaO水化生成，Ca(OH)2体积增大1.98倍，国内外一致认为这是导致钢渣安定性不良的主要原因。f-CaO的生成主要有3种方式，即：未吸收的原生CaO，部分吸收的弥散状CaO和在液渣中析晶的次生CaO。不论哪种方式生成的f-CaO都经历了1600 0C左右的高温锻烧，其矿物结晶完好、晶粒粗大，并固溶有一定量的FeO， MgO和MnO，水化速率缓慢，被称为“死烧”的CaO。钢渣中关CaO 含量在1%一7%。

(2) RO相与方镁石晶体子MgO、FeO对钢渣安定性的影响

方镁石水化生成Mg(OH)2，体积增大2.48倍，称为方镁石水解。钢渣中f-MgO含量为1%-10%。MgO在钢渣中的存在形式取决于钢渣的碱度。低碱度钢渣中MgO主要生成钙镁橄榄石和镁蔷薇辉石，以化合态形式存在，此时的RO相主要是FeO为基体的固溶体(方铁石)，几乎不存在f-MgO。高碱度钢渣中MgO除少量固溶于硅酸盐相外，主要与FeO和MnO形成以MgO为基体的RO相。 (3) FeS， MnS对钢渣安定性的影响

钢渣中的FeS， MnS一般含量较少。当钢渣中硫含量大于3%时，钢渣中的硫化业铁、硫化业锰水化生成Fe(OH)2和Mn(OH)2体积分别增大1.4倍和1.3倍，膨胀产生的应力导致钢渣制品安定性不良。 (4)铁粒对钢渣安定性的影响

在钢渣破碎磁选过程中可以除去大部分金属铁，但仍有少量铁存在。钢渣水泥标准中规定，用于生产钢渣水泥的钢渣，其金属铁的含量必须低于1%。研究发现，当钢渣微粉中金属铁粒含量在2.2%以上时，压蒸试验的安定性不合格。 2.7 钢渣的利用

2.71钢渣的应用领域 到目前为止，钢渣综合利用所涉及的主要领域除了作为掺入生料烧制水泥熟料外还包括以下几种用途：返回冶金再用、做水泥、作筑路与回填工程材料、作农肥和酸性土壤改良剂及用于废水处理。 （1)钢渣返回冶金再用

钢渣返回冶金再用，包括返回烧结、返回高炉和返回炼钢。由于钢渣作冶炼熔剂可以回收钢渣中的Ca， Mg， Mn的氧化物和稀有元素等成分，能大量节

钢渣取自武钢自然冷却的转炉钢渣堆场，晒干后过4. 75mm的筛，钢渣的主要成分见表3。

细集料为河砂，细度模数为2. 76。外加剂为某茶系减水剂，黄色粉末状，减水率为20 % 。拌合水采用纯净的自来水。钢渣取代砂的质量掺量分别为0，20 %，40 %，60 % ，80 % ，100 %，粉煤灰掺量为20 %。具体配合比见表4。

3.42 实验结论

稠度、密度随钢渣掺量的变化趋势基本一致，随钢渣掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，在钢渣掺量为40%时，稠度和密度出现最大值。对于钢渣的分层度，钢渣掺量20 %的砂浆保水性较差，钢渣掺量较大的砂浆分层度过小，不利于施工。钢渣掺量40%的砂浆保水性较好。

强度、弹性模量随钢渣掺量的变化关系见图2。

砂浆弹性模量随钢渣掺量的变化趋势基本上和抗压强度随钢渣掺量的变化趋势相同。在钢渣掺量为40%时，砂浆弹模最大。这是因为：砂浆的弹性模量和砂浆的强度有一定的相关性。砂浆的强度越高，弹性模量越大。砂浆静力受压弹性模量受砂浆的组成相及孔隙率影响，并和砂浆的强度有一定的相关性。钢渣掺量40%的砂浆级配最好，空隙率最低，因而相对比其他掺量的钢渣砂浆的弹模最大。

【参考文献：熊付刚. 钢渣代砂对砂浆的强度和工作性能的影响. 建材世界 2009(30)：19-22】

3.5钢渣对水泥稳定碎石的干缩有一定抑制作用提高水泥强度

水泥稳定碎石基层具有良好的板体性、较高的早期强度和抗裂性能，以及较强的抗变形能力，广泛应用于高等级公路、城市道路和机场道路。水泥稳定碎石的收缩性较大，施工时若控制不好容易产生裂缝，使基层的性能受到影响。钢渣具有潜在的水化活性，而且钢渣微细颗粒在水泥稳定碎石混合料中可以作为填充料，增加其密实性。钢渣含有较多的CaO，其微细颗粒具有微膨胀性，可以减少水泥稳定碎石的收缩。

试验结果表明，钢渣对水泥稳定碎石的干缩有一定的抑制作用，钢渣的颗粒越细其干缩越小，钢渣的掺量越多效果也越显著。 3.51配合比的确定

本试验在水泥、集料的配合比一定的情况下，将细钢渣作为一种掺合料，或以粗钢渣代替部分集料，研究不同粒径的钢渣对水泥稳定碎石干缩性能的影响。根据《公路路而基层施工技术规范》和相关资料采用水泥与集料的比例为(质量比)6：94，配合比如表1所示。

3.52 试件的制作、养生与测试

本试验采用压力机静压成型的方法制作10 cm x10cm x 51. 5cm的小梁试件每一组做两个试一个试件测干缩变形，另一个试件测失水量。试件成型后放入标准养护箱(25士2)℃下养生7d后取出，平放在试验室平台上自然干燥，通过应变仪表读出不同时间的干缩量，同时测出相对应试件的失水量。测定过程直至试件含水量不再减少，应变仪的读数变化很小为止(约13~ 17d)。 3.53试验结果分析

水泥稳定碎石基层材料经拌和压实成型后，由于干燥引起水分挥发，同时混合料内部胶结料的水化作用，使得混合料中水分不断减少，所以水泥稳定碎石的体积将产生收缩。描述材料干缩特性的指标有干缩应变、干缩系数、干缩量、失水量、失水率和平均干缩系数。 以上指标的关系如下： ?d??ll ?d??d?W

l为试件的长度;?l为含水量损失时，式中：试件的整体收缩量;?d为干缩应变，

指由水分损失引起的试件单位长度的收缩量，10?6mm;。，?d为平均干缩系数，指某失水量时，试件干缩应变与试件失水率之比， 10?6mm;?W为试件平均失水率，%。

(1)时间对干缩应变的影响

从图1可以看出，干缩应变随着时间的增加而逐渐增大，第l0d时干缩应变达到最大值，干缩应变基本完成。图1显示A组的干缩应变最大，C， E组相对较小，B， D， F组居于之间。由此可以看出，细钢渣的掺量越多其干缩越小，较粗的钢渣对水泥稳定碎石的干缩也有一定的影响，但效果比细钢渣次之。

(2)失水率对干缩特性的影响

从图2可以看出，随着失水率的增大，干缩应变逐渐增大，在失水率2%左右，其干缩应变增长速度比较快，随后到达最大失水率时，才有变缓和的趋势。 (3)钢渣对水泥稳定碎石干缩性能影响的分析

试验利用钢渣的微膨胀性来抑制或减小水泥稳定碎石的干燥收缩，研究钢渣的颗粒大小和其掺量这两种因素对水泥稳定碎石收缩所产生的效应。试验结果表明钢渣的膨胀率随着钢渣颗粒的增大而减小(见图3)，因此细钢渣减小水泥稳定碎石收缩的作用比粗钢渣显著。而且细钢渣掺量越大，减小水泥稳定碎石收缩的作用就越明显。

钢渣的微膨胀性主要原因是其含有f - CaO，在水化过程中，生成Ca(OH)2，体积变大。但是如果f- Ca0含量过高，就会产生膨胀裂缝，反而会造成危害，所以要控制其f- Ca0的含量。根据《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》( CJJ 35 -90)中规定，f- Ca0含量应小于3%，本试验使用的钢渣f- Ca0的含量为2. 67%，是满足要求的。

【参考文献：张澎，王元纲，李芸等. 钢渣对水泥稳定碎石干缩性质的影响. 森林工程. 2007（9）：15-18】

而熊付刚，刘秀梅，何永佳等人也做了同样类型的实验，为降低砂浆的体积收缩，提高其抗裂性能，他们以30 % ，50%超细钢渣矿粉取代部分水泥，同时掺入纤维，用于制备水泥砂浆。研究了砂浆的物理力学性能、体积收缩性能.并用平板法研究了砂浆的抗裂性能。结果表明，与空白试样对比超细钢渣矿粉和纤维的合理掺入可降低砂浆的体积收缩(56 d时可降低20 % —30 %)，提高砂浆的的抗裂性能。

1.原材料

钢渣矿粉：武汉绿色冶金渣公司生产，再加工磨细至比表而积550m2/ kg北学成分及XRD图谱分别见表1及图1所示，颗粒形貌见图3。水泥：华新水泥厂P O 42. 5水泥，化学成分及XRD图谱分别见表1及图2。砂：天然河砂，细度模数2. 2。纤维：北京中纺纤建科技有限公司生产的凯泰聚丙烯睛短切纤维，基本性能见表2。水：自来水。

砂浆配合比见表3。

2试验方法

强度性能试验按上述配合比成型70.7 mm x 70.7 mm x 70.7 mm尺寸试块和

40 mm x 40 mm x 160 mm棱柱体试块分别用于抗压和抗折性能试验，1d脱模后在标准条件下养护至3 d，7 d和28 d龄期测试其抗压和抗折强度。

收缩性能试验按上述配合比成型带铜制测头的40 mm x 40 mm x 160 mm棱柱体，在标准条件下养护1d后脱模，然后在(202 )、RH = 60 %5%环境下养护，在相应龄期用于分表测定其长度变化。

抗裂性能试验一是参照混凝上平板试验的方法，用如下图的自制钢模具成型平板，在终凝之后开始计时，用电扇吹风，风速8 m/ s，用数显刻度显微镜观察裂缝的扩展情况，终凝24 h之后，停止用电扇吹风，将试件置于室内自然环境下进行养护至56 d龄期。

3实验结果

测得砂浆试块3 d，7 d和28 d龄期抗压和抗折强度见表4。测得40 mm x 40 mm x 160 mm棱柱体试块各龄期收缩值见图5对砂浆平板试块进行裂缝观察，结果见表5。

从表4所小的砂浆物理力学性能可以看出，随着钢渣矿粉的掺入，砂浆试块的强度稍有下降，但钢渣掺量为30%时后期强度增长率较高，在28 d龄期时接近空白砂浆的强度等级。钢渣掺量高达50%时对砂浆早期抗压强度和抗折强度有较明显的影响，但到28 d龄期时与空白试样的抗压及抗折指标差值变得较小。事实上，如图1所示，在钢渣的XRD图谱当中能够看到明显的水泥熟料矿物

的衍射峰，这是炼钢时由造渣材料在高温条件下产生固相反应而形

成。与水泥中的熟料矿物不同，这些矿物形成的温度较高，部分已处于死烧状态，因而使其水化活性要低于水泥中的熟料矿物，但当钢渣粉磨至足够的细度时，能够表现出较高的水化硬化能力。因而在水泥砂浆中以30%甚至50%的高细度钢渣矿粉替代水泥，仍然能够获得较佳的物理力学性能。另外高细度的钢渣矿粉的微集料效应也可能是使大掺量钢渣水泥砂浆仍具有较高抗压和抗折强度的原因之一，钢渣细粉填充在水泥颗粒形成的空隙当中，使浆体的堆聚更加紧密。

在钢渣矿粉的矿物组成当中，除了之外，还包含一定数量的RO固溶相，结晶度高的f-CaO， f-Mg0，以及和少量金属铁等矿物相。结晶程度高的f-CaO，f-MgO在水化过程中缓慢分别生成和，产生体积膨胀。而铁的化合物在水化过程中也有可能发生反应生成凝胶，同样会形成体积膨胀。因而在图5中可以看出掺入高细度的钢渣矿粉之后，与空白试样相比较，砂浆的体积收缩在14 d之前差别不大，但中长期(28 d之后)体积收缩率明显变小。另外，从图5中还可以看出，纤维在砂浆当中也起到了减小收缩的作用，均匀乱向分布的纤维可在一定程度上阻止：细砂的下沉，降低砂浆的离析泌水现象，有效阻比由于砂浆表而迅速失水造成的塑性期较大体积收缩，同时对于中后期的干燥收缩也有一定的阻力作用。

图5. 时间对收缩率的影响

事实上，钢渣和纤维的掺入对砂浆的抗裂性能起到了明显的作用。通过表5所列的数据可以看出，随着钢渣的掺入，砂浆平板试块的初裂时间延长，初裂宽度也有所下降。而纤维的掺入影响更为明显，初裂时间普遍延长到终凝后13 h以上，初裂宽度更为显著降低，钢渣和纤维同时掺入能够起到更好的技术效果。在较长龄期(56 d)，掺入钢渣和纤维对于改善砂浆抗裂性能的效果相比旱龄期而言更为明显，在裂缝条数、宽度及总长度等指标方而均大大低于纯水泥砂浆和单掺钢渣矿粉的砂浆试样。分析认为：1)钢渣矿粉的掺入使水泥用量降低，减少了由水泥水化所引起的化学收缩和自收缩；2)超细的钢渣矿粉改善了较大水灰比下水泥浆体的泌水现象，在旱期对由此引起的塑性收缩起到了一定的作用；3)上文所述的钢渣矿粉中的f-CaO，f-MgO及一些铁相物质发生化学反应产生的体积膨胀补偿了浆体的收缩，使收缩拉应力降低；4)均匀分布的纤维对收缩拉应力的抵抗作用阻止了新裂缝的形成和原有微裂缝的继续扩展。

【参考文献：熊付刚，刘秀梅，何永佳等. 大掺量钢渣矿粉抗裂水泥砂浆的试验研究. 武汉理工大学学报.2009(3):1-4】

同时，由于钢渣粉煤灰路而基层材料的温缩、干缩系数均优于别的材料，利用这一性能，河北石家庄市公路桥梁建设集团第二公路工程处的王燕在2009年10月，做了用粉煤灰与钢渣复合材料作柔性路面基层的实验研究。

1. 试验原材料

钢渣：取自石家庄钢铁厂通过5 mm筛的钢渣；粉煤灰：取自西柏坡热电厂粉煤灰；外加剂：磷石母。

上述材料的化学成分如表1所示。进行对比试验的原料有上、石屑、石灰、水泥等。

2试验方法

a)通过击实试验确定无机结合料的最佳含水量和最大干密度，采用重型击实标准；

b)制备试件规格为φ50mmx50mm，养护温度为20℃士2℃，保湿养护到相应龄期的前1d，浸水24h士2h，测试其无侧限抗压强度；

c)动进行劈裂抗拉强度和回弹模量试验； d)进行混合料的干缩与温缩试验。 3钢渣与粉煤灰比例的确定

钢渣与粉煤灰的密度相差较大，钢渣的密度为3.22x103Kg/m3，粉煤灰的密度为1.72x 103Kg/m3 ，钢渣与粉煤灰的比例对钢渣粉煤灰路而基层材料的干密度影响较大，对不同比例的钢渣粉煤灰进行重型击实试验，结果见表2，最佳含水量和最大干密度见图1，图2。从图可以看出，当钢渣粉煤灰的比例增加时最大干密度也增加，最佳含水量降低，这主要是因为钢渣密度大且颗粒也大，增加了密度而降低了需水量。

4.钢渣粉煤灰路而基层材料的强度试验及其分析

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