钢渣基免烧陶粒的制备及性能研究

郝建英，穆保林，田玉明,2

(1.太原科技大学材料科学与工程学院，太原 030024；2.山西工程职业技术学院，太原 030009)

免烧陶粒作为一种人造轻集料，主要选用固体废弃物进行制备，符合节能减排、绿色生产的要求趋势[1]，同时也实现了固体废弃物的再生利用，节约资源，保护环境[2]。免烧陶粒不需要高温烧结[3]，主要依靠其原料本身的性质，经养护后，发生一系列物理化学变化，生成的水化产物使各分子之间联系起来，形成稳定的化合物[4]。其主要优势是强度较高、耐久性好、吸水率低以及堆积密度大，而且后期强度可持续增长，陶粒的生产成本低，投资小，便于实施加工，工艺技术简单等[5]。免烧陶粒大多用于生产陶粒空心砌块与墙板，少量用于结构保温的混凝土。

罗健等[6]报道了以高钛矿渣粉为原料，水玻璃为激发剂，铝粉为引气剂，添加粉煤灰或固硫灰制备免烧陶粒。马海强等[7]研究了固废陶粒支撑剂。邹志祥等[8]选用粉煤灰为原料，氧化钙为激发剂，二水石膏为外加剂制备了免烧陶粒。邱珊等[9]研究了秸秆灰为添加剂的粉煤灰免烧陶粒。刘芷华和高明磊等[10]利用钢渣和粉煤灰制备了免烧陶粒。然而目前为止，有关钢渣与矿粉复配进行制备免烧陶粒的文献鲜少报道。

钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其产率是钢产量的8%～15%.我国的钢渣产量随着钢铁工业的一步步发展和进步也在不断地递增[11]，现在大小型的钢铁企业都开始重视钢渣的再利用，主要包括冶金、建筑材料、农业利用、工程应用等领域[12]，但是利用率仍然很低，造成对资源的一种浪费。

因此，本文以钢渣和矿粉为原料，工业水玻璃为结合剂制粒成球，经自然养护制备了免烧陶粒，研究了不同原料配比对免烧陶粒密度、吸水率和筒压强度的影响。这不仅可以低成本制备性能良好的免烧陶粒，还可以为钢渣的综合利用提供一条有效途径。

1 实验

1.1 实验原料

本实验采用的两种主要原料钢渣和矿粉是由太原钢铁集团提供的，其主要化学组成见表1.成球剂为工业水玻璃，SiO2含量为24.73wt%，模数为3.33.

表1 钢渣和矿粉的化学成分

1.2 实验过程

为了确定钢渣和矿粉配料的最佳配比，将钢渣和矿粉按照质量比(n=ms/mo)1∶1、1∶2、2∶1、2∶3和3∶2的比例分别进行制样。首先，钢渣和矿粉按一定的质量比进行称量，总质量为2 kg，用R02爱立许强力混合机进行混料2 min，加入一定量的水玻璃以使混合料成球，成好球的试样装入密封袋自然养护，待陶粒硬化后，筛选粒径(5～15)mm的陶粒进行性能检测。

1.3 试样表征

根据国家标准《轻集料及其试验方法，第2部分：轻集料试验方法》(GB/T 17431.2-2010)测试免烧陶粒的堆积密度、筒压强度及吸水率，采用荷兰 X’Pert PRO型XRD(Cu Kα线，λ =0.154 060 nm，步长0.02°，工作电压40 kV，工作电流30 mA，扫描角度范围10°～80°)测试陶粒的物相组成，采用日立S-4800型扫描电镜观察其显微组织结构。

2 结果与讨论

2.1 堆积密度分析

图1是钢渣与矿粉不同复合比例下制备的免烧陶粒的堆积密度。由图1可以发现，随着钢渣含量的增加，堆积密度出现了先增加后减小然后再增加的趋势，在钢渣含量为50wt%(n=1∶1)时，出现了最高峰，陶粒的堆积密度为1 214 kg/m3，而钢渣含量33.3wt%(n=1∶2)时，其堆积密度处于最小值，为1 088 kg/m3.在钢渣含量40 wt%(n=2:3)和60wt%(n=3∶2)时，其堆积密度基本相近，大约在1 116 kg/m3附近。陶粒的堆积密度随着钢渣含量的增加而增加的主要原因是，钢渣本身作为一种质量较大的物质，添加在矿粉中，会使得两者复配混合后的质量增大，导致密度明显增大，钢渣加入的量越多，其密度会越大，再有，复配制成陶粒后经过硬化，期间发生一系列物理化学反应，添加的水玻璃使得各个分子之间距离减小，使得更紧密的连接在一起。然而钢渣含量为60 wt%时的陶粒堆积密度下降，可能与发生的化学反应所产生的微膨胀有关。

图1 钢渣含量对陶粒的堆积密度的影响

2.2 吸水率分析

图2是钢渣与矿粉不同复合比例下制备的免烧陶粒的吸水率。从图中可以看出随着钢渣含量的增加，吸水率出现先较小后增大的趋势。当钢渣含量为30 wt%时，大量的矿粉与钢渣能够及时的接触，一些水化反应发生得较为剧烈，反应发生需要有水的参加，这时的吸水率明显较高。随着钢渣含量的增加，吸水率逐渐减小。当钢渣含量为50 wt%时，其吸水率出现了最低值，为14%.这是因为钢渣的量在增加，免烧陶粒的结构变得更加密实，内部的孔隙被部分填充，致使吸水率降低。钢渣含量继续增加为60 wt%和66.7 wt%(n=2∶1)时，其吸水率增加至16%左右保持不变。因为钢渣与矿粉的量比较接近，反应进行的慢，随着养护时间的增加，其中的物理化学变化已经进行完全了，总体成分趋于稳定，结构也随着变得稳定了。

图2 钢渣含量对陶粒吸水率的影响

2.3 筒压强度分析

图3是免烧陶粒自然养护7天和28天的筒压强度。由于免烧陶粒3天的筒压强度比较低，测试数据不可靠，所以筒压强度只体现了7天和28天的值。

图3 钢渣含量对陶粒筒压强度的影响

由图3可知，随着养护期的延长，制备的免烧陶粒的筒压强度明显增加，说明自然养护期间会发生一些反应变化。随着钢渣另外，含量的增加，筒压强度总体上体现先缓慢上升后降低再增加的趋势。当钢渣含量为40 wt%时，7天和28天筒压强度都达到最大值，分别为2.2 MPa和5.7 MPa，说明钢渣与矿粉质量比为2∶3时氧化物配比更合适，期间的反应更彻底。钢渣含量为50 wt%，其7天筒压强度降低为最低值1.5 MPa，28天筒压强度降低为最低值3.7 MPa.随后随着钢渣含量的增加，7天筒压强度略有上升，而28天筒压强度明显增加，但仍然低于钢渣含量40 wt%的强度。由此见可，钢渣与矿粉质量比为40 wt%时，与水玻璃混合后能使粉体更紧密地连接在一起，发生的水化反应也比较彻底。

2.4 微观分析

图4是钢渣与矿粉不同质量比制备的陶粒的SEM图，(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分别为1∶1、1∶2、2∶1、2∶3和3∶2的陶粒在养护28天时的SEM图。可以从(a)图中看出，水化产物主要以粒状和不规则产物为主，明显有大气孔存在，而(b)图中结构较为致密，没有较大的气孔出现，粒状产物比较均匀分布，与图3中钢渣与矿粉质量比为1∶2时28天筒压强度较高一致。(c)图中明显有较大的块状物出现，这可能与钢渣含量较高有关，此外大气孔比较明显。虽然有许多较大的气孔，但块状产物的形成弥补了这一缺陷，使陶粒的强度没有降低，由图3可知，此时的陶粒的筒压强度保持在5.0 MPa以上。相比(c)图，(d)图中除了块状产物外，粒状产物明显增多，分布在块状产物的缝隙之中。相比(b)图，(d)图虽然有一些气孔存在，但块状产物的增多正好相互弥补，所以钢渣与矿粉质量比为2∶3时的陶粒的性能最佳。(e)图中出现了一些不规则的絮状物，表面疏松，这可能是由于矿粉表面被反应产物包裹起来阻止了进一步的反应。

图4 钢渣与矿粉不同质量比的免烧陶粒的SEM图

3 结论

以钢渣和矿粉为原料，工业水玻璃为成球剂，经自然养护制备免烧陶粒，由测试结果和分析可知，钢渣与矿粉质量比为2∶3时制备的免烧陶粒性能最佳，堆积密度为1 116 kg/m3、28天的筒压强度为5.7 MPa、吸水率为16%，满足国家标准GB/T 17431.2-2010要求，同时也提出了一条钢渣和矿粉固废再生利用的新途径。