矿渣微粉—高炉废渣的循环利用

1、矿渣微粉高炉废渣的循环利用 朱曙光1，刘永峰2，李建华2（1南京理工大学动力工程学院， 江苏南京 210094；2.江苏大峘集团，江苏南京 211112）摘 要：高炉矿渣是钢铁厂高炉炼铁的副产品，经水淬急冷处理后，呈浅灰色玻璃晶体颗粒状，属于工业废渣材料。矿渣微粉是将高炉矿渣经过研磨得到的一种超细粉末，用作水泥和混凝土的掺合料，使混凝土和水泥的多项性能得到了极大的改善和提高。本文介绍了矿渣微粉的特性、用途、标准和效益、市场预测，以及掺有矿渣微粉的高性能混凝土的实际工程应用。一 矿渣微粉 矿渣微粉是将高炉水渣经过研磨得到的一种超细粉末。其化学成分主要是SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2

2、O3、TiO2、MnO2等；含有95% 以上的玻璃体和硅酸二钙、钙黄长石、硅灰石等矿物，与水泥成份接近。矿渣微粉具有超高活性，用作水泥和混凝土的优质掺和料，是一种新型的绿色建筑材料。矿渣微粉用作水泥混合材生产矿渣水泥在我国已有近五十年历史。矿渣水泥具有良好的物理力学性能和耐久性能在混凝土工程实践中得到肯定。随着粉磨工艺的发展及商品混凝土的兴起，高炉矿渣微粉用作水泥混合材和高性能混凝土掺合料得到更广泛地利用。二 矿渣微粉的特性（1） 矿渣微粉具有潜在水化活性。当与水泥混凝土混合时，矿渣微粉中活性SiO2、Al2O3与水泥中C3S和C2S水化产生的Ca(OH)2反应，进一步形成水化硅酸钙产物，填充

3、于水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高水泥混凝土的致密度，同时将强度较低的Ca(OH)2晶体转化成强度较高的水化硅酸钙凝胶，显著改善了水泥和混凝土的一系列性能。（2） 矿渣微粉具有潜在水硬性。矿渣中含有硅酸盐、铝酸盐及大量含钙的玻璃质（如C2S、CAS2、C2AS、C3A、C2F和CaSO4等），具有独立的水硬性，在氧化钙与硫酸钙的激发作用下，遇到水就能硬化，通过细磨后，硬化过程大大加快。三 矿渣微粉的用途（1） 与硅酸盐水泥按比例混合，生产高性能矿渣水泥。细度为400450m2/kg的矿渣微粉，可配制425，425R 矿渣硅酸盐水泥；细度为450500m2/kg的矿渣微粉，可配制525，525R

4、矿渣硅酸盐水泥。（2） 作为混凝土掺和料，等量取代部分水泥（2070），配制高强度、耐久性、高性能混凝土。四 矿渣微粉的使用效果（1） 可有效提高水泥混凝土的抗海水侵蚀性能，特别适合于抗海水工程。（2） 可显著降低水泥混凝土的水化热，适于配制大体积混凝土。（3） 可有效抑制水泥混凝土的碱骨料反应，提高混凝土的耐久性。（4） 可显著减少水泥混凝土的泌水量，改善溺水混凝土的和易性。（5） 可大幅度提高水泥混凝土的强度，轻而易举地配制超高强度水泥混凝土。（6） 可显著增加水泥混凝土的致密度，改善水泥混凝土的抗渗性。（7） 用于普通水泥混凝土可节省水泥用量，降低混凝土成本。五 矿渣微粉标准高炉矿渣微粉

5、是混凝土和砂浆的优质掺合料，美国、日本、英国等国都制定了相应的标准。我国的相应标准“用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉(GBT18046-2000)”是参照日本“混凝土用高炉矿渣粉(JISA6206；1997)”标准，结合我国的生产与工程应用实际制定的，根据7d、28d活性指数，将高炉矿渣微粉分为三级，并尽量采用与国际接轨的试验方法进行检验。GB/T 18046-2000 用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉项 目级 别S105S95S75密度（g/cm2）比表面积（m2/kg）不小于不小于2.8350活性指数（）不小于流动度比（）7d28d不小于9510585759590 551）7595含水

6、量（%）三氧化硫含量（%）氯离子2）含量（）烧失量2）（）不大于不大于不大于不大于1.04.00.023.0注：1）可根据用户要求协商提高。2）选择性指标。当用户有要求时，供货方应提供矿渣粉的氯离子含量和烧失量数据。根据市场调查结果，市场对矿渣粉的质量需求以S95为主，国内外同类矿渣粉厂S95级矿渣粉的比表面积大都控制在4000cm2/g4500cm2/g之间。 六 矿渣标准凡在高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后，即为粒化高炉矿渣（以下简称矿渣）。本标准规定了粒化高炉矿渣等级、技术要求，适用于用作水泥活性混合材料的粒化高炉矿渣的供货和验收。GB203-199

7、4用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣等 级指 标合格品优等品质量系数（1） 不小于1.201.60二氧化钛(TiO2)含量 ，不大于10.02.0氧化亚锰(MnO)含量 ，不大于4.015.0（2）2.0氟化物含量(以F计) ，不大于2.02.0硫化物含量(以S计) ，不大于3.02.0松散容重， kg/L，不大于1.201.00最大粒度，mm，不大于10050大于10mm颗粒含量(以重量计)，%，不大于83 注：1）CaO、MgO、Al2O3、SiO2、MnO、TiO2均为重量百分数。 2）冶炼锰铁时所得的矿渣。 七 矿渣微粉的工程应用（1） 加拿大多伦多Scotia大厦。Scotia大厦（1

8、9871988）68层，高275m，世界上第一幢用含高炉矿渣C70高性能混凝土建造的高层建筑。Scotia 广场大厦采用了水泥用量为315 kg/ m2、矿渣微粉为137 kg/ m2、硅灰为36kg/ m2、水胶比为0.30 的混凝土建成了这座大楼，混凝土的28 d 抗压强度为83 MPa，90 d 抗压强度为93 MPa 。（2） 荷兰东谢德海闸。该海闸为52 孔，门跨为近40 m 的三向预应力砼结构，砼总量为5.0 ×105 m3 ，其中矿粉占胶凝材料的65 %。 该工程保证持续服役80 年内不需维修，保证设计寿命为250 年。（3） 澳大利亚悉尼港海底隧道。该隧道总长960

9、m，由预制的巨型砼沉箱连接而成，砼用量为8.0 ×104 m3，为保证其耐久性，采用了掺入60 %矿渣微粉的矿渣水泥，设计寿命为100 年。（4） 明石跨海悬索大桥。日本于1998 年竣工的世界上跨度最大的明石跨海悬索大桥，混凝土总量为5.2 ×105 m3 ，要求强度(91 d 设计强度36 MPa ，配制强度为55MPa) ，其中矿渣微粉的掺量为40 %。（5） 首都机场扩建工程。其中航站楼、楼前路桥系统、停车楼的梁、板、柱、墙主体结构均采用掺入20% 40% (胶材总量) 矿渣粉的混凝土，混凝土的强度等级为C50、C60，坍落度为1820cm，混凝土用量约10

10、5;104m3。（6） 上海教育电视台综合楼基础承台。混凝土用量为3000m3，强度等级为C40，渣粉掺量为胶材总量的50%。（7） 上海金帆大厦。混凝土用量为11600m3，强度等级为C40，渣粉掺量为胶材总量的40.2%。（8） 上海明天广场工程。明天广场55层、高285m，混凝土用量为3000 m3，混凝土强度等级为C80，矿渣微粉掺量为胶材总量的20%。（9） 深圳福田中华广场大楼。该工程所用砼的矿渣微粉掺量为35。七 矿渣微粉的效益（1） 充分利用废渣，变废为宝，改善环境，节约矿渣占地。（2） 发展矿渣微粉、符合环保要求、符合国家产业和能源政策，属国家鼓励发展项目。（3） 用作高性能

11、混凝土掺合料可等量取代20%50%高标号水泥，降低混凝土的成本，每方降低约1220元。 （4） 掺有矿渣微粉的混凝土具有高强度、耐久性，延长混凝土构筑物的使用年限，节省维修费用。（5） 矿渣微粉成本低，约90元/吨，市场售价约为120200元/吨，60万吨/年矿渣微粉生产线总投资约9000万元，投资回收期为23年，企业经济效益非常明显。八 矿渣微粉的市场预测目前，我国城市化建设、铁路、能源、交通等基础设施、水利建设在迅速发展，从而为商品混凝土的发展创造了条件。铁路建设方面， “十一五”期间，中国铁路为了实现“跨越式”发展，将建设铁路新线17000公里，其中客运专线7000公里。根据统计，&qu

12、ot;十一五"规划铁路建设总投资12500亿元。 公路建设方面，在2010年底以前使总里程达到约230万公里，其中包括约6.5万公里的高速公路骨干网络；"十一五"期间中国农村公路新建及改建公路达到120万公里。城市轨道建设方面，“十一五"期间，国家计划投资8000亿元用于城市轨道交通建设，建成总里程将达到450公里，其中用于地铁建设的投资2000亿元。港口机场建设方面，“十一五”期间，国家将加大对水运公用基础设施建设投资力度。仅2006年的投资就达1000多亿元，未来几年境外和国内民间的港口投资还将大幅度增加。机场方面，预计“十一五”期间，中国内地航空运

13、输将有14%的增长。城市化建设方面，中科院2005年发布科学发展报告、高技术发展报告、中国可持续发展战略报告计算了中国城市化必须支付的社会成本：未来50年中国城市化所需的社会总成本将达15-16万亿元人民币。预计到2010年底，全国房屋建筑面积为519亿m2，2020年底，全国房屋建筑面积大686亿m2，其中城市为261亿m2。2007年我国水泥产量13.5亿吨，我国建设工程用混凝土耗用水泥约占水泥总量的60%。混凝土水泥用量按400kg/ m3计，则混凝土产量达20亿m3，2007年全国商品混凝土累计产量5.84亿m3，仅占全总混凝土总量的29%左右，与20世纪80年代经济发达国家的预拌混凝土应用量达到混凝土总量的6080相比，