CN111960703A - 一种改性钢渣微粉的制备工艺及其制备的改性钢渣微粉、混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性钢渣微粉，所用钢渣为热闷工艺产生，使用棒磨、球磨、立磨工艺研磨；改性剂主要成分为无水硫铝酸钙、半水石膏、草酸。本发明所述的改性钢渣微粉，可以等量取代S95矿粉，使钢渣微粉混凝土工作性能与力学性能均不低于使用S95矿粉的混凝土；采用该改性钢渣微粉的混凝土相较于普通混凝土，钢渣微粉用量较多，在改善了混凝土的密实性与力学性能的同时，也提高了固废的利用附加值，同时解决了环保问题。

Description

一种改性钢渣微粉的制备工艺及其制备的改性钢渣微粉、混 凝土

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种改性钢渣微粉的制备工艺及其制备的改性钢渣微粉、混凝土。

背景技术

我国是钢材消耗大国，随着基础设施建设的迅猛发展，近几年我国的钢材产量迅速增长，产量占到全球产量的一半以上。钢材在生产过程中，会产生大量的钢渣，其比例为粗钢的一到二成。伴随着钢材产量的增加，我国钢渣产量已经储存超过2亿吨，钢渣利用率较低仅超过一半，为了提高资源利用率，减少空间占用和环境污染，需要采取合适的途径促进钢渣等工业次产品的有效利用。

随着严峻的环保形势发展，建筑行业原材料，尤其是混凝土原材料价格水涨船高，其中以水泥等胶凝材料涨价极为迅猛。以P.O 42.5水泥为例，单价不低于540元/吨，S95矿粉的搅拌站进场价不低于400元/吨，同时受部分水泥厂关停，熟料不足，以及钢铁行业限制产能，高炉矿渣的产量减小，胶凝材料也难以及时供应。然而，钢渣粉活性较低，使得钢渣水泥制品早期强度下降较为明显，并且其中的f-CaO会影响钢渣水泥制品的安定性，因此，钢渣粉作为水泥矿物掺合料始终得不到大规模应用。

随着我国基础建设步伐的加快，工程量巨大。将钢渣等工业生产的次产品应用到工程建设中去，有以下几点优势：第一，改善水泥混凝土性能，减少水泥用量，降低成本的同时降低混凝土病害发生的几率；第二，充分利用钢材生产的钢渣等固废，减少空间占用和环境污染，在建设过程中充分利用资源，保护环境，体现绿色发展理念。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种改性钢渣微粉，可以等量取代S95矿粉，使钢渣微粉混凝土工作性能与力学性能均不低于使用S95矿粉的混凝土。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种改性钢渣微粉，按质量百分比计，包括钢渣微粉95-97％，改性剂3-5％；其中，改性剂按质量百分比计，由无水硫铝酸钙30-40％、半水石膏40-50％、草酸(固态)10-20％构成。

本发明所述改性钢渣微粉的制备工艺，由热闷工艺的转炉钢渣经研磨和磁选制成，其中，研磨工艺为棒磨、球磨、立磨三种研磨方式串联研磨，在球磨机的入口端与进立磨的入口端均设置有“磁选装置”，球磨机的入口端的磁选装置优选皮带机头除铁器，立磨机的入口端的磁选装置优选磁鼓分离器；在立磨研磨的过程中，按比例加入改性剂。所得改性钢渣微粉的比表面积大于550m²/kg，活性指数符合GB/T20491《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》技术要求中一级指标。

上述的改性钢渣微粉的制备工艺，具体过程如下：

(1)将钢渣原料(热闷工艺的转炉钢渣)投入棒磨机进行破碎磨，研磨后的钢渣粉经过皮带传输至球磨机入口端，球磨机入口端设置有皮带机头除铁器，进行初步选铁；

(2)初步选铁后的钢渣粉进入球磨机研磨，待钢渣粉比表面积研磨至350m²/kg时，倒料出球磨机，经皮带传输至立磨入口，在立磨入口端设置有磁鼓分离器，再次进行高效选铁；

(3)高效选铁后的钢渣微粉通过回转喂料器经下料管进入立磨机进行效率磨，钢渣粉掉落至磨盘上，通过主辊进行研磨，辅辊稳定料层，磨内的改性剂加料装置与皮带秤联动，按照钢渣微粉与改性剂3％的比例设置，通过格式阀向磨内注入改性剂，并通过主辊和辅辊的带动与钢渣微粉充分混合，通过立磨机上方的选粉机转速与比表面积自动检测***精准控制出磨比表面积，使出磨比表面积大于550m²/kg，比表大于550m²/kg的钢渣微粉经磨内热风带起进入布袋收集器，经脉冲阀脉冲后，由空气斜槽带入粉库中收集。所收集的产品即为本发明所述改性钢渣微粉。

本发明制备改性钢渣微粉的技术构思：

由于钢渣韧性大、易碎性差，并且含有一定的金属铁粒，既难破又难磨，粉磨效率低、电耗高、粉磨成本高。提高粉磨效率，降低粉磨电耗，直接影响到钢渣资源的综合利用水平。钢渣在粉磨过程中，包裹于钢渣中的铁粒被逐渐剥离，形成金属颗粒聚集在磨内，严重影响磨机的粉磨效率，增加衬板和研磨体的消耗，使粉磨状况恶化，而导致磨机低产、高耗。

首先，本发明采用棒磨、球磨、立磨三种研磨方式串联式的研磨流程。棒磨作为破碎磨，主要将大颗粒难破物料进行有效破碎；球磨作为研磨磨，主要将细小颗粒进行研磨，实现球磨机的高产和低能耗，发挥球磨机粉磨的最大效能；立磨作为效率磨，进一步提高钢渣微粉比表面积，增加钢渣粉活性，充分发挥其应用在混凝土中的特性。棒磨机把大部分物料破碎成粉状，实现渣、铁分离，为保证后道磨粉磨工艺要求，在棒磨机进球磨机进口处设置有皮带机头轮磁选除铁器，出料后进行精细除铁处理。“磁选装置”是关键，由于钢渣是渣包铁，钢渣里面包含了金属铁，或者是一些其他难以破碎的元素组成，因此磁选技术在整个工艺过程中均有运用，在球磨机的入口端与进立磨的入口端均设置有“磁选装置”。其中，球磨的入口端采用前文中提到的皮带机头轮磁选除铁器，立磨的入口端采用磁鼓分离器。

然后，本发明一方面使用改性剂进行化学激发，改性剂中硫铝酸钙的水化产物是一些针状产物，期间的空隙允许水分进入并进一步地与钢渣粉颗粒接触并反应，因此体现出反应快的特点，硫铝酸钙水化产物的C-S-H凝胶态物质具有更强的结合势，对胶凝材料颗粒之间产生的胶结作用好于S95矿粉，故改性钢渣微粉在加水制备混凝土的过程中，能够显著提高早期强度，改善了钢渣微粉早期强度不足的问题。草酸能够消解钢渣中的f-CaO,C₂O₄ ^2-+Ca²⁺＝CaC₂O₄，也能通过加快水泥碱性水化，进而提高钢渣微粉活性，达到促进钢渣微粉早期强度发展的目的。半水石膏可加快钢渣中钙矾石的产生，其矿物与石膏快速溶解产生Ca²⁺,SO₄ ^2-,AlO₂ ^-,OH^-等离子，形成钙矾石过饱和溶液,这些离子通过浓差扩散聚集在一起,通过以下列3步反应形成钙矾石：

(1)AlO₂ ^-+2OH^-+2H₂O＝[Al(OH)₆]^3-

(2)2[Al(OH)₆]^3-+6Ca²⁺+24H₂O＝{Ca₆[Al(OH)₆]₂24H₂O}⁶⁺

(3){Ca₆[Al(OH)₆]₂24H₂O}⁶⁺+3SO₄ ^2-+2H₂O＝{Ca₆[Al(OH)₆]₂24H₂O}[3SO₄ ^2-2H₂O]

钙矾石基本结构单元是多面柱{Ca₆[Al(OH)₆]₂24H₂O}⁶⁺,柱芯是[Al(OH)₆]^3-八面体，多面柱内是钙与4个OH^-和4个H₂O配位的多面体，其中4个OH^-是与铝八面体共棱SO₄ ^2-进入柱内，平衡其正电荷。[Al(OH)₆]^3-八面体的形成对钙矾石基本结构的建立至关重要,它的形成快慢决定于液相[AlO₂ ^-]与[OH^-]。Ca²⁺与[Al(OH)₆]^3-作用，形成[Al(OH)₆]^3-八面体与钙多面体交替排列的{Ca₆[Al(OH)₆]₂24H₂O}⁶⁺多面柱。钙矾石即是胶凝材料主要水化产物，也是硅酸盐水泥的早期水化产物。钙矾石的形成与胶材的凝结、强度发展以及膨胀紧密相关，故能通过早期形成钙矾石，提高钢渣微粉早期强度。在钢渣微粉与水泥等掺合料进行水化反应时，也能提高水泥活性。

本发明在钢渣的立磨过程中，加入改性剂，磨内的加料装置与钢渣入立磨的电子皮带秤联动，精准控制钢渣微粉与改性剂的混合比例，制备改性钢渣微粉。钢渣与改性剂材料共同混磨的过程中，由于立磨中的200-300℃的高温热风，在研磨过程中能进一步消解f-CaO。同时，在研磨主辊与辅辊的带动下，也能使钢渣微粉和改性剂的混合更加均匀。

在上述改性钢渣微粉的基础上，本发明还提供一种采用上述改性钢渣微粉的混凝土，容重为2340-2450kg/m³，其原料组成以及各原料的用量与水泥的用量比如下：水泥1.0，粉煤灰0.35-0.4，改性钢渣微粉0.36-0.44，细骨料3.3-3.85，粗骨料4.6-5.44，水0.7-0.9，外加剂0.015-0.025。其中，所述水泥为P.O42.5及以上的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为符合GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的二级粉煤灰；所述粗骨料粒径为5-25mm；所述细骨料粒径为0-5mm；所述外加剂为聚羧酸类减水剂等。

本发明所涉及的混凝土依据JGJ55《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计，依据体积法原则，对钢渣微粉混凝土进行配合比优化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，本发明所述改性钢渣微粉可以等量取代S95矿粉，使钢渣微粉混凝土工作性能与力学性能均不低于使用S95矿粉的混凝土。钢渣微粉通过化学反应可以有效消耗混凝土中的Ca(OH)₂晶体，碱少Ca(OH)₂的定向反应；钢渣微粉颗粒直径较小，比表面积大有效改善混凝土的保水和泌水特性，改善混凝土微观结构受力性能，增大颗粒之间的粘结性能，有利于提高混凝土的抗裂性；且在加入改性剂后，可显著提高钢渣微粉的早期活性，为混凝土的强度发展起增益作用。

第二，本发明采用热闷工艺的钢渣作为研磨钢渣粉的原料，钢渣在一定压力与温度下，可消解部分f-CaO,避免后期安定性不良的问题。而且，在钢渣的研磨过程中，一方面，利用棒磨、球磨、立磨串联式的研磨流程，对钢渣进行物理激发，借助机械手段，对钢渣进行充分研磨，使其更加均匀、细小，同时提高比表面积，增加钢渣粉活性，充分发挥混凝土特性；另一方面，使用改性剂进行化学激发，改性剂中的硫铝酸盐物质能够显著提高改性钢渣微粉的早期强度，草酸能够消解钢渣中的f-CaO(立磨中的高温热风，在研磨过程中也能进一步消解f-CaO),也能通过加快水泥碱性水化，进而提高钢渣微粉活性，达到促进钢渣微粉早期强度发展的目的，半水石膏可加快钢渣中AFt的产生，在钢渣微粉与水泥等掺合料进行水化反应时，能提高水泥活性。

第三，本发明所述的改性钢渣微粉混凝土相较于普通混凝土，钢渣微粉用量较多，在改善了混凝土的密实性与力学性能的同时，也提高了固废的利用附加值，同时解决了环保问题。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

下列实施例中，水泥为P.O42.5水泥；钢渣原料为由热闷工艺产生的转炉钢渣；粉煤灰为二级粉煤灰；粗骨料采用碎石，粒径为5-25mm；细骨料采用机制砂，粒径为0-5mm；外加剂为聚羧酸类减水剂。

下述实施例中，采用的改性剂按质量百分比计，均由无水硫铝酸钙40％、半水石膏45％、草酸(固态)15％组成。

实施例1

一种改性钢渣微粉，按质量百分比计，包括钢渣微粉97％，改性剂3％；其中，改性剂按质量百分比计，由无水硫铝酸钙40％、半水石膏45％、草酸(固态)15％构成。

上述改性钢渣微粉的制备过程如下：将钢渣原料投入棒磨机进行破碎磨，研磨后的钢渣粉经过皮带传输至球磨机入口端，皮带端头设置有皮带机头除铁器，进行初步选铁；选铁后的钢渣粉进入球磨机研磨，待钢渣粉比表面积研磨至350-380m²/kg时，倒料出球磨机，经皮带传输至立磨入口，在立磨入口端设置有磁鼓分离器，再次进行高效选铁；选铁后的钢渣微粉通过回转喂料器经下料管进入立磨机进行效率磨，钢渣粉掉落至磨盘上，通过主辊进行研磨，辅辊稳定料层，磨内的改性剂加料装置与皮带秤联动，按照钢渣微粉97％，改性剂3％的设置，通过格式阀向磨内注入改性剂，并通过主辊和辅辊的带动与钢渣微粉充分混合，通过立磨机上方的选粉机转速与比表面积自动检测***精准控制出磨比表面积，使出磨比表面积大于550m²/kg，比表大于550m²/kg的钢渣微粉经磨内热风带起进入布袋收集器，经脉冲阀脉冲后，由空气斜槽带入粉库中收集，即得到改性钢渣微粉。

实施例2

一种改性钢渣微粉，按质量百分比计，包括钢渣微粉95％，改性剂5％；其中，改性剂按质量百分比计，由无水硫铝酸钙40％、半水石膏45％、草酸(固态)15％构成。

上述改性钢渣微粉的制备过程如下：将钢渣原料投入棒磨机进行破碎磨，研磨后的钢渣粉经过皮带传输至球磨机入口端，皮带端头设置有皮带机头除铁器，进行初步选铁；选铁后的钢渣粉进入球磨机研磨，待钢渣粉比表面积研磨至350-380m²/kg时，倒料出球磨机，经皮带传输至立磨入口，在立磨入口端设置有磁鼓分离器，再次进行高效选铁；选铁后的钢渣微粉通过回转喂料器经下料管进入立磨机进行效率磨，钢渣粉掉落至磨盘上，通过主辊进行研磨，辅辊稳定料层，磨内的改性剂加料装置与皮带秤联动，按照钢渣微粉95％，改性剂5％的设置，通过格式阀向磨内注入改性剂，并通过主辊和辅辊的带动与钢渣微粉充分混合，通过立磨机上方的选粉机转速与比表面积自动检测***精准控制出磨比表面积，使出磨比表面积大于550m²/kg，比表大于550m²/kg的钢渣微粉经磨内热风带起进入布袋收集器，经脉冲阀脉冲后，由空气斜槽带入粉库中收集，即得到改性钢渣微粉。

实施例3

一种钢渣微粉，作为空白例，不添加改性剂，与实施例1和实施例2对照。

上述钢渣微粉的制备过程如下：将钢渣原料投入棒磨机进行破碎磨，研磨后的钢渣粉经过皮带传输至球磨机入口端，皮带端头设置有皮带机头除铁器，进行初步选铁；选铁后的钢渣粉进入球磨机研磨，待钢渣粉比表面积研磨至不低于350m²/kg(一般为350-380m²/kg)时，倒料出球磨机，经皮带传输至立磨入口，在立磨入口端设置有磁鼓分离器，再次进行高效选铁；选铁后的钢渣微粉通过回转喂料器经下料管进入立磨机进行效率磨，钢渣粉掉落至磨盘上，通过主辊进行研磨，辅辊稳定料层，通过立磨机上方的选粉机转速与比表面积自动检测***精准控制出磨比表面积，使出磨比表面积大于550m²/kg，比表大于550m²/kg的钢渣微粉经磨内热风带起进入布袋收集器，经脉冲阀脉冲后，由空气斜槽带入粉库中收集。

应用例1-4

应用例1-4的混凝土制备方法依据GB14902《预拌混凝土》和DG/TJ08《钢渣粉混凝土应用技术规程》，只需占用混凝土搅拌站一个筒仓用于存放改性钢渣粉。

应用例1-4制备的强度为C30的改性钢渣微粉混凝土的配比表如表1所示，性能对比结果如表2所示，各原料的用量均以与水泥的质量比来计量(各原料的用量与水泥的用量比值)。其中，应用例4使用市面上主要流通的S95矿粉制备强度为C30的混凝土；应用例1采用实施例1制备的改性钢渣微粉配制强度为C30的改性钢渣微粉混凝土(钢渣微粉97％与改性剂3％配制改性钢渣微粉)，等量取代应用例4中的S95矿粉；应用例2采用实施例2制备的改性钢渣微粉配制强度为C30的改性钢渣微粉混凝土(钢渣微粉95％与改性剂5％配制改性钢渣微粉)，等量取代应用例4中的S95矿粉；应用例3采用实施例3制备的钢渣微粉配制强度为C30的钢渣微粉混凝土(钢渣微粉95％与改性剂5％配制改性钢渣微粉)，等量取代应用例4中的S95矿粉。

表1

从应用例1-2均能看出，使用改性钢渣微粉等量取代S95矿粉后，均能满足混凝土设计强度要求；未掺改性剂的应用例3，未能达到混凝土强度设计要求，可见改性剂在应用例1-2中能显著提高钢渣微粉潜在活性；掺有钢渣微粉的应用例1-3，其容重相较应用例4有所提高，在混凝土的工程应用中，应引起注意，避免亏方。

上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读本发明记载内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动和修改，这些等效变化或修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种改性钢渣微粉，其特征在于按质量百分比计，包括钢渣微粉95-97%，改性剂3-5%；其中，改性剂按质量百分比计，由无水硫铝酸钙30-40% 、半水石膏40-50%和固态草酸10-20%构成。

2.权利要求1所述改性钢渣微粉的制备工艺，其特征在于由热闷工艺生产的转炉钢渣经研磨和磁选、改性制成；其中，研磨工艺为棒磨、球磨、立磨三种研磨方式串联研磨，在立磨研磨的过程中，按权利要求1所述质量百分比加入改性剂，且在球磨机的入口端与进立磨的入口端均设置有磁选装置。

3.根据权利要求2所述制备工艺，其特征在于球磨机的入口端的磁选装置为磁鼓分离器，立磨机的入口端的磁选装置为磁鼓分离器。

4.根据权利要求2所述制备工艺，其特征在于所得改性钢渣微粉的比表面积大于550m²/kg，活性指数符合GB/T20491《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》技术要求中一级指标。

5.根据权利要求2所述制备工艺，其特征在于具体过程如下：

（1）将转炉钢渣投入棒磨机进行破碎磨，研磨后的钢渣粉经过皮带传输至球磨机入口端，球磨机入口端设置有皮带机头除铁器，进行初步选铁；

（2）步骤（1）所得初步选铁后的钢渣粉进入球磨机研磨，待钢渣粉比表面积研磨至300-400m²/kg时，倒料出球磨机，经皮带传输至立磨入口，在立磨入口端设置有磁鼓分离器，再次进行高效选铁；

（3）步骤（2）所得高效选铁后的钢渣微粉进入立磨机进行效率磨，按照钢渣微粉与改性剂的比例向磨内注入改性剂，并通过主辊和辅辊的带动与钢渣微粉充分混合，收集比表面积大于550m²/kg的钢渣微粉，即为所述改性钢渣微粉。

6.包含权利要求1所述改性钢渣微粉的混凝土。

7.权利要求6所述的混凝土，其特征在于它的容重为2340-2450kg/m³，其原料组成以及各原料与水泥的质量比为：水泥1.0，粉煤灰0.35-0.4，改性钢渣微粉0.36-0.44，细骨料3.3-3.85，粗骨料4.6-5.44，水0.7-0.9，外加剂0.015-0.025。

8.根据权利要求7所述的混凝土，其特征在于所述水泥为P.O42.5及以上的硅酸盐水泥；所述粉煤灰为符合GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的二级粉煤灰；所述粗骨料粒径为5-25mm；所述细骨料粒径为0-5mm；所述外加剂为聚羧酸类减水剂。