钢渣对水泥性能的不利影响分析与改进

摘 要： 我公司下属企业使用钢渣作混合材试验时，发现部分钢渣会导致水泥速凝、速干和强度下降等问题。分析导致其原因为该类钢渣含有较高含量的七铝酸十二钙（C12A7），其水化速度快，当钢渣掺量较高时导致水泥水化过快和性能发生较大变化。通过提高石膏掺量可一定程度改善其造成水泥性能的负面影响，强度明显提高，但水泥稠度和流动性能改善有限。因此，该类钢渣质量需加以监控，不建议在对工作性能要求较高的水泥中使用，可考虑在对早强快凝需求的情况匹配适宜的石膏掺量使用。

关键词： 钢渣；水泥；七铝酸十二钙；速凝

钢渣是钢铁厂炼钢过程中的副产品，通常所说的钢渣多数来自转炉或电炉炼钢产生的废渣，其主要矿物组成为硅酸二钙、硅酸三钙、RO相、铁酸二钙和游离氧化钙等。但钢渣按炼钢方法可分为转炉钢渣、平炉钢渣、电炉钢渣等；按不同生产阶段可分为炼钢渣、浇铸渣和喷溅渣。因此，不同的炼钢方法、生产阶段以及钢种生产等，所排出的钢渣的组分是各有差异的，将其作水泥混合材使用对水泥的性能也会产生一定差异。公司下属企业使用钢渣作混合材试验时，发现部分钢渣会导致水泥速凝、速干和强度下降等问题，为此进行原因分析，并提出质量控制方法与优化改进措施。

1.原材料

熟料、脱硫石膏和其他混合材来自同一水泥厂 ，3 种 不 同 外 观 钢 渣 分 别为 小 颗 粒 钢 渣（5~15mm）、大颗粒钢渣（20~40mm）、块状钢渣（长度>40 mm），化学分析结果见表1，可看到块状钢渣氧化铝和氧化钙含量相对更高。所有钢渣粉磨 60min后过0.9 mm筛与熟料粉（含石膏）按30%+70%混匀配粉进行活性试验与物检性能检测，结果如表2所示，可看到细颗粒和大颗粒钢渣水泥样品的稠度和强度等性能较为正常，3d和28d活性均在67%和72%以上，而小块状钢渣制备的水泥浆体发干，硬化较快，强度压不出数值。

2.原因分析及改进措施

2.1 原因分

对三种钢渣进行 XRD 衍射分析，其 XRD 图谱如图1所示，采用Rietveld法进行物相定量分析的结果如表 3所示。可看到各钢渣主要物相除硅酸二钙、铁酸钙、铁铝酸钙、铁相和RO相（Fe、Mg、Mn、Ni等二价金属氧化物固溶体）外，块状钢渣中含有高达 20% 的七铝酸十二钙（C 12 A 7 ），该物相水化速度快，常温水化产物主要为六方片状的C2AH8和铝胶（AH3），当温度大于25℃后，则直接生成立方C3AH6或C2AH8 转化为C3AH6 ，而无论水化产生C2AH8 以及生成或转化为C 3 AH 6 ，都会产生30%以上的体积收缩而增加浆体孔隙率 [ 4 ] 。因此，由XRD物相结果初步分析块状钢渣中含有较高含量的C12A7 是导致水泥凝结过快，且无强度的原因。表1的钢渣化学分析结果也与表3物相分析结果一致，其中块状钢渣因含有较高的C12A7 导致氧化铝含量较高。

2.2 质量监控

凝结正常（细颗粒和大颗粒）的钢渣与造成水泥快速硬化的块状钢渣用振动磨粉磨后按0.45的水灰比拌制对比，钢渣粉初始甚至在10 min后仍具有浆体流态状，而块状钢渣粉加水几秒内干硬成小球团。将块状与大颗粒钢渣粉按不同比例混合加水的搅拌，依次比例为3∶1、2∶1、1∶1、1∶4和0∶1，右下角为熟料粉（含石膏），水灰比均为0.45。随着块状高C12A7含量钢渣掺比增加，浆体硬化更快，而只含大颗粒钢渣的浆体10 min后仍具有浆体流态状。

对矿点或进厂取样、破碎、筛分、振动磨粉磨，然后称取20g钢渣粉，加入9g水进行搅拌，观察钢渣浆液凝结情况。一般正常的电炉或者转炉钢渣10 min后仍旧具有浆体流态，而含有较高的C12A7 钢渣（一般来自精包炉冶炼渣）会表现瞬凝现象，C12A7含量20%会在几秒内速凝干硬成团或成球粒，含量10%~13% 会在 5 min 内硬化成整体，含量 4% 会在50 min后浆体成糊状，较黏、无流动性。对于日常监控发现不同硬化速度的钢渣样，可留样进行XRD分析与监控的凝结现象作比对。

2.3 性能改进

因块状钢渣中含有较高的C12A7 ，因此，可以考虑采用增加石膏掺量来改进其作水泥混合材使用性能。采用熟料粉（含石膏）与脱硫石膏粉和钢渣等混合材粉配粉进行对比试验，配比和对应的物检性能分别如表4和表5所示。可看到 #3样品通过增加脱硫石膏掺量水泥强度得到明显改善，甚至高出正常钢渣 # 4样，但稠度仍旧较大，虽初始流动度有所改进，但经时损失较大。分析原因，掺入更多的脱硫石膏可提供更多的可溶性硫酸根离子以与块状钢渣中C12A7 进行反应生成钙矾石，使水泥的水化速度得到一定程度的降低，同时生成的钙矾石不仅作为水化产物，还可以降低水泥浆体的收缩，因此，水泥强度得到明显改善。但钙矾石的快速形成过程中需要较多的水，且钙矾石晶体的形成会增加水泥浆体的屈服应力和浆体黏度，进而使水泥的稠度增加，净浆流动性降低 [ 5 ] 。

因此对于速凝钢渣，可考虑采取低掺量（2%左右）搭配增加（1%）脱硫石膏生产对工作性能要求不高而早期强度较高的水泥，最好在冬季处置利用。

3.小结 

通过分析找出一种钢渣造成水泥快硬快干、强度下降的原因主要是其含有较高含量的七铝酸十二钙（C7A12），该物相水化较快，且在温度变化过程中会伴有晶型转变与较大体积收缩，导致水泥强度下降明显，稠度和流动性影响较大。对该类钢渣可采取以下质量监控与性能改进方法。

（1）对进厂或矿点钢渣进行制粉，然后直接按0.45水灰比加水搅拌观察浆体状态，其中C7A12 含量较高的钢渣浆体硬化较快，而正常凝结钢渣浆体呈流态。

（2）可考虑水泥中掺入少量该类钢渣，同时增加0.25~0.5倍的石膏掺量来改进水泥强度，从而应用于对水泥工作性能要求不高而早强和快凝要求的需求中。