高炉水渣的应用.docx

第一节 基础知识

一、 胶凝材料的定义与分类
胶凝材料一般分为无机和有机两大类。本书讨论的胶凝材料是指这样一类无机粉末材料，当其与水或水溶液拌和后所形成的浆体，经过一系列物理、化学作用后，能够逐渐硬化并形成具有强度的人造石。
无机胶凝材料一般可分为水硬性胶凝材料和气硬性胶凝材料两大类。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化、而不能在水中硬化，如石灰、石膏、镁质胶凝材料等。水硬性胶凝材料既能在空气中硬化，又能在水中硬化，这类胶凝材料常统称为水泥。

二、 水泥的品种与标号
2.1水泥的品种
根据混合材的掺量和种类水泥可分为如下几种
2.1.1硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料、0—5％石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝 材料，称为硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥）。硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅰ。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥重量5％石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅱ。
2.1.2普通硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料、６％￣15％混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号P·0。
掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15％，其中允许用不超过水泥重量５％的窑灰或不超过水泥重量10％的非活性混合材料来代替。
掺非活性混合材料时最大掺量不得超过水泥重量10％。
2.1.3矿渣硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥（简称故渣水泥），代号P·S。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按重量百分比计为20％￣70％。允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过过水泥重量的8％，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20％。
2.1.4火山灰质硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号P·P。水泥中火山灰质混合材料掺加量按重量百分比计为20％—50％。
2.1.5粉煤灰硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥），代号P·F。水泥中粉煤灰掺加量按重量百分比计为20％—40％。
2.1.6复合硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥）。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比应大于15％，不超过50％。
水泥中允许用不超过8％的窑灰代替部分混合材料；掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。
2.2水泥的强度等级
根据水泥胶砂28天强度值，水泥强度可分为如下等级，即28天强度不低于32.5的我们称为32.5水泥，不低于42.5的称为42.5水泥，依次类推，强度等级中的R表示快硬水泥，通常快硬水泥的3天强度比普通水泥高一个等级。
各种水泥的强度等级如下：
硅酸盐水泥 42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R
普通硅酸盐水泥 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R
矿渣硅酸盐水泥 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R
火山灰质硅酸盐水泥 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R
粉煤灰硅酸盐水泥 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R
复合硅酸盐水泥 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R
各种等级水泥的强度如表一
品种
强度等级
抗压强度
抗折强度
硅酸盐水泥
42.5
17.0
42.5
3.5
6.5
42.5R
22.0
42.5
4.0
6.5
52.5
23.0
52.5
4.0
7.0
52.5R
27.0
52.5
5.0
7.0
62.5
28.0
62.5
5.0
8.0
62.5R
32.0
62.5
5.5
8.0
普硅水泥
32.5
11.0
32.5
2.5
5.5
32.5R
16.0
32.5
3.5
5.5
42.5
16.0
42.5
3.5
6.5
42.5R
21.0
42.5
4.0
6.5
52.5
22.0
52.5
4.0
7.0
52.5R
26.0
52.5
5.0
7.0
矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥
32.5
10.0
32.5
2.5
5.5
32.5R
15.0
32.5
3.5
5.5
42.5
15.0
42.5
3.5
6.5
42.5R
19.0
42.5
4.0
6.5
52.5
21.0
52.5
4.0
7.0
52.5R
23.0
52.5
4.5
7.0
复合水泥
32.5
11.0
32.5
2.5
5.5
32.5R
16.0
32.5
3.5
5.5
42.5
16.0
42.5
3.5
6.5
42.5R
21.0
42.5
4.0
6.5
52.5
22.0
52.5
4.0
7.0
52.5R
26.0
52.5
5.0
7.0
表一：水泥的品种和强度等级

三、 混凝土基本知识

（一）概述
由胶凝材料（有机的、无机的、有机无机复合的）、颗粒状集料以及必要时加入化学外加剂和矿物掺和料等组分的混合料，经硬化后形成具有堆聚结构的复合材料称为混凝土。目前应用最广的仍然是由无机胶凝材料制成的混凝土。这类混凝土的组织结构类似与某些天然岩石，故又称混凝土人造石。
日常最常见的混凝土为：水泥混凝土和沥青混凝土。

（二）普通混凝土组成材料

1、水泥：水你是混凝土的胶结材料。

2、集料：
集料是混凝土的重要组成材料，他占混凝土总组成的3/4以上。集料在混凝土中既有技术上的作用，又有技术上的意义，在技术上，集料的存在使混凝土比单纯水泥浆具有更高的体积稳定性和耐久性；经济上，它比水泥便宜的多，作为水泥浆体的廉价的填充材料，大大降低了混凝土成本。
通常情况下，集料分为细集料和粗集料，细集料的粒径为0.15～5mm，常见的就是黄沙。粗集料的粒径为5～20mm，常见的就是碎石。

3、磨细矿物掺和料
有时为了节约高标号的水泥和保证混凝土具有必要的工作性，在混凝土中掺入一定量的磨细矿物掺和料。这些矿物掺和料可在粉磨水泥时加入，也可在配制混凝土时加入，可作掺和料的材料有如下几种：
（1）具有弱自硬性的材料，如钢渣和某些炉渣。
（2）具有活性水硬性材料，这些材料不能自行硬化，但能够与水泥水化析出的氢氧化钙或者与加入的石灰相互作用而具有较高的强度。如水淬粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等
（3）微活性掺和料（填充料），如磨细沙、粘土等
作为活性掺和料的矿物掺和料，其活性指标不得低于有关规定，细度不大于水泥的细度。对混凝土活性有害的杂质含量不得高于有关规定。并且，掺和料的加入最好不要提高需水量。

4、混凝土拌和水
混凝土拌和水可以是自来水也可以是天然水，用天然水时，水中的盐含量不可过量，特别是硫酸盐和氯化物，同时PH值不可小于4。

5、混凝土外加剂
混凝土外加剂是现代混凝土不可缺少的组分之一，是混凝土改性的的一种重要方法和技术。掺少量的外加剂可以改善新拌混凝土的工作性能，提高硬化混凝土的物理力学性能和耐久性。同时，外加剂的研究和应用促进了混凝土的混凝土的生产和施工工艺，以及新型混凝土的品的发展，90年代初出出现的高性能混凝土就是新型复合超塑化剂与混凝土材料科学结合的成功范例。
常用的外加剂包括减水剂、早强剂、缓凝剂、引气剂、膨胀剂、着色剂、泵送剂等

6、混凝土的基本性质
流动性：是指混凝土拌和物在本身自重或外力作用下是否易于流动的能力，混凝土的流动性通常以坍落度来表示。流动性是混凝土的重要性质，在混凝土的实际使用中体现为混凝土的可泵送性。
强度：混凝土强度是混凝土的重要力学性能，混凝土的强度有抗压、抗拉、弯曲、剪切和与钢筋粘结强度等性能，其强度的设计等级通常由C＋数字来表示，C表示混凝土，数字表示混凝土的28天强度。
耐久性：混凝土在硬化后除要求具有设计的强度外，还应在周围的自然规律及工作条件下常年使用，具体表现为耐久性。在水工、海工等建筑，耐久性显的更为重要。

第二节 高炉水渣及其应用

一、高炉水渣
高炉炼铁的基本原理是在高温下浆氧化铁还原成金属铁，并将矿石中的SiO2，Al2O3等杂质与石灰等溶剂化合成矿渣使之与铁水分离。所以矿渣的化学成分，主要是CaO、SiO2、Al2O3和MgO、FeO等氧化物及一些硫化物（CaS和MnS、FeS等）。个别情况下可能还有TiO2、P2O5等。在一般矿渣中CaO、SiO2、Al2O3的成分总是主要的，他们通常占90％以上。与硅酸盐水泥熟料相比，矿渣中CaO含量较低，而SiO的含量偏高。
矿渣的活性不仅取决于化学成分，而且很大程度上取决于内部结构，在一般情况下，矿渣的SiO2含量偏高，如果由熔融状态下慢慢冷却而结晶，就成为坚硬的块状“硬矿渣”，活性极小；但热熔融矿渣经过急速冷却，形成以玻璃体为主的结构时，就可获得活性粒化高炉矿渣。并且，冷却越迅速、越充分，矿渣的活性也越高。
急冷措施一般是水，冲渣过程如下图一：

二、矿渣的化学成分
1、氧化钙含量30～50％是矿渣的主要成分之一。通常含量越高，活性越大。但如果氧化钙含量过高，矿渣活性反而变小，熔融矿渣粘度下降，矿渣结晶能力增大，容易析出晶体，影响活性。
2、氧化铝含量为7％～20％，也是决定矿渣活性的主要成分。氧化铝的含量增加，矿渣的活性增大，尤其在配制石膏矿渣水泥等无熟料水泥时更为明显。但有研究表明，Al2O3含量增高倒13％以上时，只能提高所配水泥的早期强度，如图3所示，91天强度在Al2O3含量增高时甚至有所下降。
3、氧化硅含量30％～40％，对促进玻璃体结构的形成有一定帮助。但是矿渣中SiO2的含量一般都过多，得不到足够的CaO、MgO来与其复合，因此SiO含量较多时，矿渣的活性一般都差。
4、氧化镁含量1％～18％，在矿渣中大多数都呈稳定的化合态存在。因而不会使水泥的体积安定性不好。除少数特殊情况外，其作用可认为与CaO相同。
5、氧化亚锰在矿渣中的含量不会超过3％，是有害成分，会使矿渣的活性降低，这是因为MnO与硫化物反应生成的MnS，会与水作用引起体积膨胀，影响强度。另一方面，矿渣中的硫化物如果以CaS形式存在，可以发生如下水化：
2CaS+2H20----Ca(OH)2+Ca(SH)2
所析出的Ca(OH)2，有利于对矿渣活性的激发。所以MnO的存在，不但使硫化物生成有害的MnS，而且会使有益的CaS相应减少。同时，MnS还能使熔融矿渣的粘度下降，增加结晶程度。而且含锰化合物的玻璃体，大部分只具有很低的反应能力。应此矿渣中的MnO的含量应有所限制，一般不得超过4％。
除以上氧化物外，根据所用原料及所炼生铁的品种，矿渣中可能还含有少量的FeO、TiO2、BaO、K2O、Na2O、Cr2O3及V2O5等，这些氧化物对矿渣的活性的作用也与存在的形式和含量有关。
各钢铁企业的高炉矿渣，其化学成分虽大致相同，但各氧化物的含量并不一致，因此矿渣有碱性、中性、酸性之分，以矿渣中碱性氧化物和酸性氧化物含量的比值M大小来区分：
(CaO+MgO+Al2O3)%
M =
SiO2 %
M> 1为碱性矿渣
M<1为酸性矿渣
M=1为中性矿渣酸性矿渣
中性矿渣和酸性矿渣的胶凝性差，而碱性矿渣的胶凝性好。因此，矿渣微粉应选用碱性矿渣，其M值愈大，反映其活性愈好。

三、矿渣的活性及其激发
磨细的粒化矿渣单独与水拌和时，反应极慢，基本上没有强度。但在Ca(OH)2溶液中，就会发生显著的水化作用，而且Ca(OH)2浓度越高反应越快。同一矿渣粉在不同条件下的强度如下：
编号
配比（％）
28天强度
（Mpa）
矿渣
石灰
水泥熟料
石膏
1
100
0
0
0
0
2
92.5
0
0
7.5
0
3
80
20
0
0
18.8
4
47.7
0
47.7
4.6
47.7
5
74.5
0
15
10.5
64.0
粒化矿渣在不同配比时的强度

表中数据表明，矿渣在不同条件下的强度相差很大。也就是说矿渣的活性是潜在的，而这重潜在活性的挥发，则与石灰等物料的存在为必要条件。这类物料起着激发活性、促使凝结硬化的作用，因而被称为激发剂。常用的激发剂有两类：碱性激发剂和硫酸盐激发剂。
碱性激发剂一般为石灰和水化时能够析出Ca(OH)2的硅酸盐水泥熟料。硫酸盐激发剂则有：二水石膏、半水石膏、无水石膏或以CaSO4为主要成分的化学废料。但是只加入石膏时，矿渣的活性并不能很好的激发，只能具有较低的强度。只有在一定的碱性环境中，再加入一定量的石膏，矿渣的活性才能较为充分的发挥出来。

四、矿渣的质量评定
综合前三节所述内容，我国的国家标准GB/T 203—94用于水泥中的粒化高炉矿渣及国内各大钢厂对水渣质量各控制指标做了如下规定：
指 标 名 称
指标
CaO + MgO + Al2O3
SiO2 + MnO + TiO 2
质量系数（ ） 不小于
1.60
氧化锰（MnO），％ 不大于
2.0
二氧化钛（TiO 2），％ 不大于
1.5
硫化物（以S计），％ 不大于
1.5
水分（H2O），％ 不大于
15.0
注1：质量系数中的CaO、MgO、Al2O3、SiO2、MnO、TiO 2均为重量百分数。
注2：加钛矿护炉二氧化钛大于1.5%时，由供需双方协商。

指 标 名 称
指 标
玻璃化率，% 不小于
95
松散容重，g/cm3 不大于
1.3
粒度（大于10mm颗粒），% 不大于
3

五、高炉水渣的应用
水淬矿渣主要指炼铁高炉排出的粒化炉渣，泛指从炉中高温熔融状态流出后经水淬急冷而成的一种工业废渣，它是一种具有很高潜在活性的玻璃体结构材料。
我国每年排出的高炉矿渣就有4 091万t，目前除691万t钒钛等合金炉渣、含稀土元素的矿渣没有得到工业化利用外，其余3 400万t已经主要用于生产矿渣水泥、混凝土掺合料，少量用于生产矿渣微粉、矿渣纤维、筑路填料等等。这方面的“资源”利用大大减少了占地和环境污染，节约了能源，降低了成本，产生了较好的经济效益和社会效益。但是，要真正实现矿渣无害化、减量化、资源化，使其取得最佳的经济效益、环保效益和社会效益，不仅要加快先进适用技术的推广应用工作，而且要加大投入，实现高效、经济的多元化综合利用。
1 水淬矿渣综合利用现状
水淬矿渣的处理和综合利用，国内外科研工作者都作了大量的研究和实践工作。这里概要介绍如下：
1．1 生产矿渣水泥及水泥、混凝土的掺合料
国内利用矿渣生产矿渣硅酸盐水泥，是一项比较成熟的技术，约占已利用矿渣的78％左右。矿渣水泥与普通水泥比较，具有水化热低、密实性好、抗硫抗碱腐蚀性能好等优点，其缺点是保水性差、早期强度低、凝结时间长、不适合低温施工、施工需要养护。这些缺陷已经或正在得到克服和改善。
矿渣水泥的生产工艺是将熟料、矿渣、石膏混合共同磨细而成。由于各物料间易磨性的差别，矿渣硬度大，不容易磨细，导致矿渣的机械激活效果差，难以发挥其优越性，使得终产品强度低、矿渣掺合量（15％－50％）也低。研究表明，采用矿渣与熟料分别粉磨后再混合，或者单独作为水泥和混凝土掺合料(即取代水泥用量)的生产工艺，不但可以提高矿渣的掺合量（20％～70％），而且可以提高制品的一个等级强度，从而拓展了矿渣的用量和矿渣水泥的使用范围。这方面的技术日趋成熟，并在许多国家重点建设工程（三峡工程建设、首都机场改造、上海明天广场建设、陆家嘴金融大厦建设等等）中得到应用，取得了很好的效果。利用水淬矿渣加工成掺合料水泥、无熟料水泥或少熟料水泥，节省资源，大大减轻了水泥生产行业的环境污染，有绿色(或生态)水泥之称。目前，虽然技术比较成熟，但矿渣利用率却偏底，值得大力推广生产和使用。
节能免烧水泥的制备：选择合适的胶凝材料，以水淬矿渣粉为主料，加入粉煤灰、钢渣、玻璃等废渣废料，常温下固化，可随意成型，耐压强度较普通水泥提高4倍。
1．2 生产矿渣微粉
水淬矿渣的潜在活性必须通过磨细，即机械激活后才能产生，粒度越细，活性越大，只有当矿渣粉碎至超细粉（矿渣微粉)，即比面积在4500cm/g以上，才能充分发挥出水淬矿渣潜在的水硬性。因此用作高强、超强水泥和混凝土中的掺合料时，矿渣必须为微粉，使用同时添加高效减水剂、分散剂、表面活性剂，制品能产生高强度或超高强度的效果，矿渣微粉也可以达到高掺入，这就是普通矿渣细粉与矿渣微粉的差别： 矿渣微粉的应用在国外已十分广泛，它不仅仅局限于水泥、混凝土范畴，其它工业领域如沥青胶凝材料、工业填料、涂料、肥料等等也能应用： 实践证明，生产矿渣微粉不仅具有高额的利润空间，同时也有广阔的市场空间。例如宝钢投资13 640万元，引进了日本川崎重工的整套设备(CK一310)，设计能力为60万t，在2000年底已投产，出现了产销两旺的景象，年利润在3 800万元左右。矿渣微粉的生产及应用在国内只是刚刚起步，这是一项利国利民的环保工程，值得推广。
由于水淬矿渣的玻璃质结构十分致密、硬度高，其粉碎机理主要是破碎而不是磨碎，因此如何达到低能耗、高效益的目的，粉碎设备选型很关键。实践证明，采用辊压机、辊磨终粉磨设备要比球磨机节能约40％-50％。生产企业可根据各自特点，如矿渣粒化的大小、矿渣的玻璃化程度、产品设计指标、年生产能力等等进行综合设计。
1．3 生产无机涂料
利用水淬矿渣粉与碱、水玻璃、外加剂、颜料制备无机环保涂料。在碱性条件下，矿渣水化为硅酸钙凝胶和沸石类的水化产物，形成固体的结构十分致密，用它制备的无机涂料具有高强、快硬、耐洗刷、耐水、耐碱、耐冻等优良性能，产品质量指标优于国家标准，尤其突出的是天然、无毒、无污染的环保安全性能，且制作简单、原料来源广、价格便宜，有较强的市场竞争优势，是国内外涂料研究和发展的方向，目前的缺陷是施工需要湿养护以及控制不当容易“泛碱”。
1．4 生产矿渣无机胶凝材料
采用比面积3 O00cmZ／g左右的水淬矿渣细粉，选择合适的激发剂，以10％ 的硅酸盐水泥进行改性，可以得到干燥收缩率小、早期强度高的矿渣胶凝材料，完全可以代替水泥胶砂材料。
如果在沥青砂浆、沥青胶浆或者玛蹄脂中加入适量的高活性矿渣细粉，此时矿渣粉不仅能发挥出较强的物理吸附作用，提高材料整体的粘聚力、抗剪切强度，而且矿渣细粉还与沥青中环烷酸、沥青酸等酸性物质发生反应，产生化学吸附作用，在界而上生成不溶于水的环烷酸钙等化合物，使填料与沥青牢固、稳定地粘结在一起，可有效防止水分浸入填料与沥青膜间的界面，防止沥青膜从颗粒表面剥离，显著提高了胶凝材料对水的稳定性、耐热性。研究及检测数据证明，水淬矿渣细粉在沥青质胶凝材料中能起到特别优异的作用。
在矿渣细粉的基质中，加入水玻璃、纤维、橄榄石，可以制取热震稳定性极好的保温材料(适于中、低温的急冷急热场所)；在矿渣细料中加入纤维(石棉)、无机结合剂，喷涂在钢材建筑上，作为隔热、防火涂层；在碱性条件下，矿渣细粉作胶凝材料可以代替高铝水泥或特种作业(废弃物)下作为凝固剂的使用。
1．5 生产矿渣纤维
水淬矿渣中加入硼砂等辅料，经冲天炉高温熔化，融体经过高速离心机甩丝，生产的渣纤维用于隔热、保温、填料等。方法具有熔融温度低、节能、产品用途广等特点。如果在倾倒的熔融炉渣中直接加入硅砂等原料，提高熔化温度形成玻璃液，生产玻璃棉、玻璃纤维，则市场前景也较好，经济效益更佳。
1．6 合成多功能用途的硅灰石
水淬炉渣中，配入硅砂、少量助熔剂白云石，可以在低温下熔化、低温下晶化合成工业用硅灰石。如果采用溶液一水煮一干燥一烧成的工艺来合成，则生产成本更低。硅灰石作为一种用途极广的新兴工业原料，在许多领域(橡胶、塑料、涂料、陶瓷、冶金、磨料、模具等等)都能够发挥特殊而有效的功能，享有工业“万金油”之称。目前国际市场上，冶金级别的硅灰石其价格为65～85美元／吨，针状粉级的硅灰石其价格则达13o～175美元／吨。采用炉渣人工合成硅灰石，是水淬炉渣资源深度开发的较好途径。
1．7 用作污水处理剂
水淬矿渣是一种多孔质硅酸盐材料，对水中杂质有较好的吸附性能。研究表明，用废酸处理得到的聚凝剂具有化学吸附、物理吸附的双重作用，其在污水处理技术中使用已多有报道。
1．8 制造钙硅肥料及农田利用
近lO-2O年来，大部分农田耕作主要以化肥为主，尤其经济发达的地区，有机肥的使用越来越少，作物必须的元素越来越匮乏，据统计数据，南方缺硅的土壤不低于2 500万亩，通过试验证明，单补硅可净增产11％左右。水淬矿渣中大部分硅酸盐是植物容易吸收的可溶性硅酸盐，普通的钙硅肥只需将水淬矿渣粉碎到一定粒度即可，开发多功能复合肥料，需要选择合适的高分子材料对水淬矿渣细粉进行改性、添加其它微量元素，并进行造粒，以期达到固土、保水、微释、高效、长效以及补充微量元素等作用，这是矿渣利用又一个重要的途径。
在农田利用方面，可以用作改良土壤的矿物肥料，由于水淬矿渣粉是一种不吸水的多孔玻璃体结构材料，可以用它作为农药的载体；针对被污染(有机物、重金属等)的土壤，水淬矿渣粉是一种很好的生态修复材料，也可用作土壤的pH调节剂、微生物载体等方面，均可起到较好作用和效果。
1 9 制造多孔陶粒及无机泡沫材料
以水淬矿渣的骨料、粉料为基质，选用合适的结合剂(水玻璃、粘土粉等)、成孔剂(锯末、炭、废塑料泡沫等)，混合成型(造粒)、干燥、烧成，制造多孔体陶粒，也可以采用人工发泡，制造轻质免烧陶粒。它可作为高等级公路的绝缘层、高层建筑中轻质混凝土骨料、绝缘轻质混凝土的主料、无土栽培技术中的培养基料、污水处理站的预处理材料等。
水淬矿渣中90％为玻璃体，加入成孔剂(煤、炭、锯末、淀粉、碳酸钙、硝酸钠、SDS发泡剂)、高岭土，采用模压、挤压等方式成型以及合理的加热制度，可以制造多孔泡沫材料。如果利用液态炉渣，直接倒入预热的模具内，采取回火、真空等方法制造则更为经济。该制品具有优良的保温、隔热、隔音、耐火等特性，广泛用作轻质建材、石油、化工、冶炼、冷藏、船舶、发酵酿酒等工业上。泡沫材料的生产与使用在国内才刚刚兴起，它的用途将会越来越广。
1．10 用作玻璃原料，制备微晶玻璃等
水淬炉渣用作玻璃原料， 可以降低熔融温度，促进玻璃液的均化、澄清作用。
利用水淬矿渣生产以B一硅灰石为主晶相的微晶玻璃。方法是以矿渣为主(50％～70％)加入石英砂等辅料熔化成CaO—A1 0 -SiO：型的基础玻璃液，一种方法是将玻璃液浇注成型后进行核化、晶化、退火等工序(称延压法)，另一种方法是将玻璃液水淬、烘干、筛分、压模、烧结、晶化、退火等处理工序(称烧结法)，最后转化为微晶玻璃：我国从20世纪70年代初到90年末，相继在许多地方进行了试制，均因技术不成熟而中断生产。近年来，许多科研院所如武汉工业大学、清华大学、上海硅研所等单位的科研人员，经过艰苦努力，做了大量的研究试验工作，取得了一定成果，对微晶玻璃的生产工序控制渐趋成熟。微晶玻璃被称作跨世纪的新材料，具有许多优异性能：机械强度高、硬度大、耐磨、耐腐，化学稳定性和热稳定性好、使用温度高、耐火，清洁、安全，集有宝石之色彩、玉石之灵气、大理石之柔润等外观，是一种新型高档的建筑装饰材料，也广泛用于化工、电子、航空航天、国防等工业领域作为结构材料和功能材料。目前，国内从事微晶玻璃生产的厂家已有十多家，生产规模小、投资少，经济效益高。如果生产企业是延压法生产，则可利用平板玻璃的生产工艺及设备，如果是烧结生产，可利用建筑陶瓷的生产工艺及设备，这样转产，投资更少。现在国际市场上的价格在1 300元／m (标型)和3 000元／m (异型)左右，有较大的经济价值和商业价值。为此，在国家科委制定的2010年发展纲要中，矿渣微晶玻璃的生产被列为国家资源综合利用的战略发展重点，享受国家政策优惠：
由于矿渣微晶玻璃生产过程复杂，晶化控制难度大，所以生产成品率低。矿渣玻璃另一种简单的加工方法，是将矿渣转化(1 300℃ 左右)的基础玻璃液直接浇注(1 130℃ 左右)成型，随后在625-950℃下进行热处理，即转化成可以切割的一种饰面玻璃。虽然制品的强度、色泽不如微晶玻璃，但大大优于普通玻璃。它的处理过程比较简单，产品适合国内普通的消费群体，也是切实可行的一种加工利用途径。
1．11 钒钛等合金炉渣及含稀土元素矿渣的利用
钒钛等合金炉渣可以先行破碎，采用浮选等方法富集和提取贵重金属后再进行利用；钒钛渣是生产微晶玻璃很好的原料，其中钒是一种核化剂，钛是增白剂；对于硅锰渣、碳铬渣等合金炉渣，大连轻工学院材料系已尝试采用浇注法生产微晶玻璃，取得了成功。含稀土元素的矿渣，可以制造特殊用途(耐温等)的玻璃；加入激发源Co∞或者直接利用含放射性的稀土矿渣制造发光玻璃、搪瓷材料，用于生产标志牌、仪表盘、显示屏、指示灯牌等产品的原料；对含放射性的稀土矿渣，可以粉碎后直接加入20％左右的硫酸镁、被重金属污染的或者有毒物品的待处理废物，混合制取砌块，达到以废治废的目的。
多年来，在广大科学工作者的不断努力下，水淬矿渣的研究应用取得了很大的进展，为其综合利用提供了多种途径，有些已经实现了工业化生产，取得了较好的经济、社会效益。但这些技术还有待进一步研究和提高：矿渣微粉的高效粉磨技术以及生产设备如何国产化问题，矿渣微粉应用领域的开发问题；微晶玻璃生产中如何降低熔化晶化温度和时间、提高成品率，降低生产成本；适合不同土壤的多功能复合钙硅矿渣肥料的制造及推广应用工作；钒钛等合金炉渣及含稀土元素矿渣的综合利用问题； 如何利用活性水淬矿渣、粉煤灰、废橡胶、废塑料、废金属等等不同资源，通过不同的复合机理、复合工艺技术，开发不同性质多功能环境材料，制成代木、代钢、代塑等产品，产生更明显的生态效益。
2 展望
水淬矿渣是一种具有高能量、高能耗的材料“资源”，一方面，它的综合利用还远远不够，统计表明：至今虽已有近67％的矿渣得到了较好利用，但仍有大量的矿渣仅作为简单的粗放式利用(如建筑骨料、道路填料等等)而白白浪费，相当一部分企业还是简单地出售“原料”，另外，每年还有数百万吨因不能被利用而闲置占地、污染环境。另一方面，也是当前首要任务，即在如何加快其先进适用技术推广工作的同时，还应加大开发和制造高附价值产品的投入， 以期获得最大的经济、环保和社会效益，最终实现“社会经济自然生
态效益”的和谐统一。这不仅是国家的行为，也是企业自身发展的必然趋势，在我国加入WTO后，面对全球经济一体化，关税的贸易作用日趋削弱，“绿色堡垒”却越来越突出，还有即将面对《气候变化公约》的承诺，而目前冶金行业中，重点钢铁企业的吨钢比能耗较发达国家水平平均要高出39％ ，资源的综合、循环利用以及环保产品的总体水平也整整落后20年左右。所以作为冶金矿渣等废弃物的综合循环利用问题，不仅已成为钢铁企业能否持续发展的一个重要问题，而且也是衡量和评价一个企业综合实力的标志，现在，我们国家和企业都清醒地认识到这一点。相信不久的将来，矿渣资源的综合利用将会出现更加美好的前景。

第三节 矿渣微粉及其应用概述
一、概述
由于现代工程建筑对混凝土的性能和质量不断提出新的、更高的技术要求，继化学外加剂在混凝土工程上普遍应用以后，活性矿物细掺合料日益在国内外材料与工程界引起广泛的关注与重视，甚至将之称为混凝土的第六组分．成为当今混凝土技术进步的一个重要途径与措施。
活性矿物细掺合料主要有以下三类：
(1)有胶凝性或称潜在活性。
(2)有火山灰活性，即其本身并不具有或只有极小的胶凝性，但其粉态物质能与Ca(OH) 和水在常温条件下产生水化反应而生成具有胶凝性的水化产物。
(3)同时具有胶凝性和火山灰活性。
分别属于这三类的矿物细掺合料有许多种，但较为理想的活性矿物细掺合料当属粒化水淬高炉矿渣，因其兼具胶凝性与火山灰活性，因此，近年来矿渣微粉在水泥与混凝土中的应用取得了很大的进展。
矿渣微粉是将粒化水淬高炉矿渣经过粉磨后达到规定细度的一种粉体材料。在水泥与混凝土中的应用，既可作为水泥的混合材，也可作为混凝土的掺合料。其作用与现在水泥厂生产的按水泥国家标准规定允许掺有20％～70％ 高炉矿渣的矿渣硅酸盐水泥有很大的区别。在矿渣硅酸盐水泥生产过程中，水泥熟料与矿渣是在一起混磨的；而矿渣的易磨性比水泥熟料差，当水泥熟料已粉磨到规定的细度时，矿渣的细度以比表面积表示比水泥约小60m2／kg一80m2／kg，矿渣的细度仅为250 m2／kg左右。由于在矿渣硅酸盐水泥中的矿渣颗粒较粗，其潜在活性难以发挥，因此矿渣硅酸盐水泥的早期强度较低，并且容易产生泌水现象。现在德、法、日等国冢已开始应用将水泥熟料与矿渣分磨的技术来生产矿渣硅酸盐水泥。资料表明因纯硅酸盐水泥中掺人50％细度达到450m2／kg的磨细矿渣后，这种矿渣硅酸盐水泥的3d、7d与28d的抗压强度均高于不掺矿渣的硅酸盐水泥。
我国近些年来也已研究开发了新型的矿渣硅酸盐水泥，采用了矿渣微粉作为水泥的混合材，研制成功了525 早强低热高掺量矿渣水泥和高性能混凝土矿渣复合混合材，且均已通过了技术鉴定。
矿渣微粉作为掺合料在混凝土中的应用，起始于20世纪50年代末期，南非的工程技术 ．员将矿渣磨细后作为一个组分材料掺人混凝土中， 发现具有很好的技术性能。而后国外在配制高性能混凝土和高强混凝土时， 比较广泛地采用了矿渣微粉与其他矿物细掺合料。例如1987年加拿大多伦多市的Scotia广场大厦采用了水泥用量为315kg／m3、矿渣微粉为137kg／m3、硅灰为36kg／m3，水胶比为0．30的混凝土建成了这座大楼，混凝土的28d抗压强度为83MPa，90d抗压强度为93MPa。矿渣微粉作为混凝土的掺合料，不仅能等量取代水泥，具有较好的经济效益，而且还能显著地改善、提高混凝土的综合性能，诸如：改善混凝土的工作性、降低水化热的温升、改善混凝土的内部结构、提高混凝土的抗腐蚀能力和耐久性、增长混凝土的后期强度等等。由于矿渣微粉对混凝土性能具有良好的技术效果．因此，国外也有将之称为辅助胶凝材料，不仅将之作为组分材料来配制高强、高性能混凝土，也十分适用于中强混凝土、大体积混凝土以及处于严酷环境有耐入性要求等混凝土工程。
我国关于矿渣微粉的生产与应用起始于1996年，先后已有几项科研成果通过了技术鉴定。矿渣微粉的生产工艺，通过球磨机的技术改造、采用超细磨，现在已有儿家企业引进了国外进口的立式磨，建立了现代t匕的大规模生产线，大幅度降低了电耗，从而降低了成本。产品质量也有了提高和保证。矿渣微粉已成为国内建材资源的一个新品种投放市场。1996年就曾在湖南、广东省的一些建筑工程上得至 了应用。上海的一些高校和科研院所已取得了用矿渣粉等量取代水泥30％～70％ 配制C30～C80的矿渣微粉混凝土的科技成果。许多商品混凝土搅拌站已采用了此项技术，并在上海一些重要的工程上得到了应用，例如：上海教育l电视台综台楼工程(混凝土强度等级为C40的矿渣微粉混凝土)、上海明天广场工程(混凝土强度等级为C80的泵送矿渣微粉混凝土) -61。上海市技术监督局于1998年已发布了地方标准《混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉》(DB31／T35—1998)。上海市建设委员会于1999年批准实施推荐性规范《粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程》(DG／TrJ08—501—1999)，并明确该规程适用于各类预拌混凝土、现场搅拌混凝土以及混凝土制品和构件。
至于矿渣微粉在混凝土制品生产上的应用，至今还未得到充分的开发。1996年铁道部株洲桥梁厂曾用C60矿渣微粉混凝土生产了Ⅲ型预应力混凝土轨枕。1998年上海江扬混凝土公司曾用C35矿渣微粉混凝土生产了预制钢筋混凝土桩，均取得了较好的技术经济效果
二、应用于混凝土的矿渣微粉主要技术要求与品级
1、质量系数
高炉矿渣的主要化学成分是CaO、SiO 、A12O3以及MgO、MnO、FeO，等氧化物。根据我国的水泥国家标准GB203—94， 可用质量系数K来评定矿渣的质量：
(CaO+MgO+Al2O3)%
K=
(SiO2 +MnO＋TiO2)%

此K值应≥1．2。K值愈大，则矿渣的质量愈好，活性愈高。
2、活性指数
矿渣微粉根据GB/T 18046—2000用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣微粉国家标准，矿渣微粉的物理指标有：活性指数、流动度比和比表面积可划分为三个品级：$95、S105与Sl15。其技术指标如表1
矿渣微粉品级
S115
S105
S95

活性指数
7d
≥95
≥80
≥70
28d
≥115
≥105
≥95
流动度比%
>90
>95
>95
比表面积 m2/kg
>580
>480
>380

活性指数是受检胶砂与基准胶砂标准养护至规定龄期的抗压强度比，用百分数表示。活性指数反映了矿渣微粉对硬化混凝土力学性能的影响。在标准中规定的胶砂配合比为：
基准胶砂：水泥54og、标准砂1350g、水238g
受检胶砂： 水泥27og、矿渣微粉27og、标准砂1350g、水238g
基准水泥为42．5强度等级的I型硅酸盐水泥
3、流动度比
流动度比是受检胶砂与基准胶砂流动度之比值．用百分数表示。流动度比反映了矿渣微粉对新拌混凝土工作性的影响。胶砂配合比同活性指数。
4、比表面积
比表面积按勃氏法检验，矿渣微粉的细度对其活性有显著的影响。关于用作混凝土掺合料的矿渣微粉的最佳细度问题， 国内外的学者和工程技术人员众说纷纭，有认为比表面积400m2／kg～500m2／kg为好，也有认为600m2／kg～800m2／kg为好。对此需进行综合分析：
首先，要考虑矿渣微粉参与水化反应的能力。矿渣是属于前言中所述的第一类活性矿物掺合料，矿渣在水淬时除形成大量玻璃体外还含有钙铝镁黄长石和少量的硅酸一钙或硅酸二钙等组分，因此具有微弱的自身水硬性。但当其粒径大于45>m时，矿渣颗粒很难参与水化反应。因此，矿渣微粉的勃氏比表面积应超过400m2／kg，才能比较充分地发挥其活性，以改善并提高混凝土的性能。
其次，要考虑混凝土的温升。矿渣微粉越细，其活性越高，掺人混凝土后，早期产生的水化热越大，不利于降低混凝土的温升。有资料 表明：矿渣微粉等量取代水泥用量30％ 的混凝土，细度为6O0 m2／kg～800 m2／kg 的矿渣微粉．其混凝土的绝热温升比细度为499 nf／k 的矿渣微粉混凝土有十分显著的提高。
其三，在配制低水胶比并掺有较大量的矿渣微粉的高强混凝土或高性能混凝土时，要考虑矿渣微粉的细度越细，混凝土产生早期的自收缩将更严重 。
最后，还不得不考虑矿渣微粉磨得越细，所耗电能也越大，成本将大幅度提高。此外，近期的研究工作发现矿渣微粉的活