激發(fā)轉(zhuǎn)爐鋼渣制備高活性輔助膠凝材料探討

1、 . . 12/12激發(fā)轉(zhuǎn)爐鋼渣制備高活性輔助膠凝材料探討 日期： HYPERLINK :/ 目前，我國排放的鋼渣70以上都是轉(zhuǎn)爐鋼渣，而轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分與礦物組成與硅酸鹽水泥熟料接近，因而從理論上分析，鋼渣在水泥和混凝土中應(yīng)用是有潛力的。但是由于轉(zhuǎn)爐鋼渣的活性較低，其作為混合材料在水泥中的利用受到了限制。對粉磨后鋼渣的顆粒粒徑分布與水泥強度之間的關(guān)系進(jìn)行研究后認(rèn)為，應(yīng)盡量提高鋼渣粉l0.0-30.2m圍的顆粒含量，減少30.2m的顆粒含量。另有研究表明：對鋼渣進(jìn)行預(yù)粉磨處理后可以顯著提高鋼渣的活性，隨著鋼渣比表面積的增加，鋼渣的活性增加；此外，鋼渣的活性也受到鋼渣的細(xì)度、顆粒形貌等因素的影

2、響聞。筆者利用物理激發(fā)和化學(xué)激發(fā)兩種方式對轉(zhuǎn)爐鋼渣的活性進(jìn)行激發(fā)，對摻33鋼渣膠凝材料的水化產(chǎn)物種類和形貌、硬化漿體孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察表征，揭示激發(fā)劑對鋼渣的作用機理以與大摻量鋼渣在復(fù)合膠凝材料早期水化過程中的作用機理，從而為提高鋼渣作為輔助性膠凝材料在水泥中的摻量提供理論支持，達(dá)到節(jié)能減排的目的。1試驗材料與試驗方法11原材料 水泥：智海水泥公司的P0525級水泥。石膏：襄汾天然石膏。鋼渣：太鋼集團渣場堆存兩年后的轉(zhuǎn)爐鋼渣，密度3.38gcm3，呈灰黑色。原材料的化學(xué)成分見表l。表1原材料的化學(xué)成分名稱LossFe203AL2O3CaOMgOSi02S03fCaO水泥3.595.0465.282

3、.6521.091.80石膏18.101.172.6827.420.957.0540.06鋼渣3.5625.114.7739.9111.6111.322.47激發(fā)劑M、N：三異丙醇胺、聚乙二醇與去離子水的質(zhì)量比分別為6：4：10、4：6：10，復(fù)配后用攪拌器攪拌20min，激發(fā)劑在鋼渣中的摻量扣除去離子水含量。12試驗方法121試樣制備稱取轉(zhuǎn)爐鋼渣5kg，石膏180g，配制5組混合料，其中：A組，不加激發(fā)劑；B組，加入三異丙醇胺；C組，加入聚乙二醇；D組，加入激發(fā)劑M；E組，加入激發(fā)劑N；S為不摻鋼渣的P0525級水泥。每組料在混料機中均化10min，然后在500mm500mm標(biāo)準(zhǔn)實驗小磨中粉

4、磨。為便于比較，將激發(fā)劑的摻量固定為0.02，采取噴霧的方式均勻噴灑于待磨物料表面。每組物料的粉磨時間分別為40min、60min、80min(編號分別為Al、A2、A3)。粉磨后的物料全部通過0.9mm方孔篩，以33的比例摻入水泥中，共制備15個5kg的試樣(編號分別為CAl、CA2、CA3)。然后在混料機中均化60min，混合均勻。122 性能測試 鋼渣比表面積按GBT8074-2008測定；水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性按GB/Tl3462001測定；水泥膠砂強度按GBT176711999測定；粒度分布采用JL-1166激光粒度分析儀測定。 SEM分析采用日本日立S2500型掃描電

5、鏡，將待測樣品上噴鍍鉑導(dǎo)電層，觀察水化斷面的水化產(chǎn)物與部結(jié)構(gòu)形貌。 壓汞法測試孔結(jié)構(gòu)采用美國產(chǎn)PoremasterGT60壓汞儀。測試孔結(jié)構(gòu)的樣品制備步驟為：試塊敲成25-5Omm碎塊并去除外表面，用丙酮溶液浸泡，在80干燥箱中烘干后進(jìn)行測試。 XRD分析采用德國布魯克公司的D8一ADVANCE型X射線衍射儀。123活性指數(shù) 鋼渣活性指數(shù)按下式計算： 式中： A28活性指數(shù)，； R摻鋼渣水泥的28d抗壓強度，MPa； R0水泥S的28d抗壓強度，MPa。2 試驗結(jié)果與討論21鋼渣粉XRD分析 鋼渣粉的XRD圖譜見圖l。 由圖l可見，鋼渣的主要礦物為C3S、C2S和鈣鎂橄欖石等，但因為Al、Mg

6、、Fe等固溶而使其衍射峰的位置與水泥熟料相比發(fā)生了偏移，衍射峰寬化，衍射強度也變?nèi)?。除鐵相明顯存在外，鋼渣中的硅鈣相以C3S為主，其次為C2S、RO相、鐵鋁相、鈣鎂橄欖石以與少量的Ca0和Ca(OH)2等，表明鋼渣礦物組成與硅酸鹽水泥熟料類似。22激發(fā)劑對水泥物理性能的影響摻加33轉(zhuǎn)爐鋼渣的水泥物理性能測試結(jié)果見表2。表2激發(fā)劑對水泥物理性能的影響編號安定性標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/凝結(jié)時間(h：min)抗折強度/MPa抗壓強度MPaA28/初凝終凝3d28d3d28dS合格27.02：513：255.29.724.254.4100CAl合格26.82：063：094.47.119.535.265CA2

7、合格26.62：124：055.08.023.242.478CA3合格26.72：373：505.18.221.040.474CBl合格26.32：494：144.27.318.938.370CB2合格25.82：384：194.18.019.438.57lCB3合格25.42：163：294.97.922.540.074CCl合格25.92：423：454.17.718.238.972CC2合格26.03：084：505.08.220.545.884CC3合格26.32：294：484.98.021.042.578CDl合格26.52：204：084.17.618.641.676CD2合格2

8、6.23：024：455.38.524.450.493CD3合格26.03：034：525.28.323.843.680CEl合格26.13：425：193.87.816.639.673CE2合格25.83：375：014.17.916.840.074CE3合格26.12：564：404.78_319.541.476 由表2可見，隨著鋼渣的加入，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量降低，摻加激發(fā)劑后，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量進(jìn)一步下降。這是由于激發(fā)劑的加入，表面活性物質(zhì)吸附在顆粒表面，在顆粒表面形成一層吸附膜，減小了物料顆粒之間的吸引力，加大了顆粒表面的親水性，改善了物料的流動性，從而導(dǎo)致水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量降低。凝

9、結(jié)時間則隨激發(fā)劑種類不同表現(xiàn)出一定的差異性，各種激發(fā)劑對水泥的初凝時間影響沒有明顯規(guī)律，但終凝時間卻顯著增加。各種激發(fā)劑的加入對水泥的安定性沒有造成不良影響。 活性指數(shù)是評價鋼渣粉磨效果最重要的指標(biāo)。從表2中可以看出：隨著粉磨時間的延長，鋼渣的活性指數(shù)基本呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢，粉磨60min時，鋼渣的活性指數(shù)較高，其中激發(fā)劑M激發(fā)效果最好。23鋼渣的物理性能分析231 不同條件下粉磨后鋼渣的SEM照片鋼渣粉磨40min、60min、80min后SEM照片見圖2。 由圖2可見，粉磨40min后，鋼渣中還存在大量的大顆粒，隨著粉磨時間的延長，大顆粒逐漸消失。粉磨過程不僅僅是粒徑減小過程，同時也往

10、往伴隨著晶體結(jié)構(gòu)與表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化。由于物料比表面積增大，導(dǎo)致表面能增加，在顆粒產(chǎn)生晶格錯位、缺陷，從而導(dǎo)致物料表面形成易與水反應(yīng)的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。由A2和A3可見：與粉磨60min相對比，粉磨80min后，大顆粒明顯增多，這是由于隨著粉磨時間的延長，物料顆粒間作用力逐漸增大，細(xì)顆粒義重新團聚在一起造成的。由C2、D2可見，采用聚乙二醇作為激發(fā)劑的鋼渣中可以明顯觀測到大顆粒的存在，而采用激發(fā)劑M的鋼渣中則細(xì)顆粒較多，大顆粒減少，鋼渣顆粒整體分布較為均勻。說明激發(fā)劑M與鋼渣顆粒結(jié)合較好。23 2不同條件下粉磨后鋼渣的比表面積激發(fā)劑種類、研磨時間對鋼渣粉磨效果的影響見表3。摻加激發(fā)劑后，鋼渣的比

11、表面積明顯提高。粉磨時，三異丙醇胺對提高物料中的細(xì)顆粒含量貢獻(xiàn)較大，一般對提高物料的比表面積有較好的效果，使用三異丙醇胺作為激發(fā)劑粉磨80min時相對于空白樣，比表面積提高l4.6。聚乙二醇有利于提高粉磨物料粒度的均勻性，粉磨80min時，比表面積相對三異丙醇胺而言稍低一些。粉磨40min時，用聚乙二醇作為激發(fā)劑，比表面積并沒有較大幅度提高，摻加激發(fā)劑N鋼渣的比表而積比空白樣的降低了3左右。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，加入激發(fā)劑后，在一定的粉磨時間，物料總體較空白樣并沒有磨細(xì)，但是鋼渣中的細(xì)顆粒(3um)減少，從而比表面積變化不大，甚至?xí)档?。?鋼渣摻入不同激發(fā)劑粉磨不同時間后的比表面積m2/

12、Kg激發(fā)劑粉磨時間40min60min80min空白樣360.5395.5438.6三異丙醇胺390.4411.8502.8聚乙二醇361.2415.3475.3激發(fā)劑M391.7428.5438.5激發(fā)劑N350.3399.6448.6233 鋼渣粒度分布分析 表4是鋼渣的粒徑分布。由表4可見，摻加激發(fā)劑后，對比空白樣而言，鋼渣332um圍顆粒含量都有不同程度的提高，鋼渣的粒徑分布變窄，其中，激發(fā)劑M的效果最明顯，粉磨60min時，摻激發(fā)劑M的試樣中，3-32um顆粒含量達(dá)7395。而用聚乙二醇作為激發(fā)劑的鋼渣，粉磨后，332um顆粒并未增加，原因可能是因為聚乙二醇更有利于提高粉磨物料粒度的

13、均勻性。摻激發(fā)劑N試樣相對空白樣而言，同樣粉磨40min時，鋼渣中的細(xì)顆粒(3um)減少，而332um的細(xì)顆粒卻增加了，這也解釋了此組比表面積相比空白樣為何降低的原因。從試驗結(jié)果可以看出：無論是比表面積還是顆粒分布，激發(fā)劑M效果最佳。表4鋼渣的顆粒分布編號摻量比表面積(m2kg)顆粒分布/60umS0330.814.1659.8821.155.14A10360.515.2147.0627.989.75A20395.519.4953.0619.0311.48A30438.627.4355.5115.691.73B10.02390.422.8460.5212.237.01B20.02411.825

14、.4962.778.763.25B30.02502.820.5360.606.3912.66C10.02370.212.1149.7515.6022.54C20.02415.318.8150.0320.829.32C30.02475.315.4154.6019.0110.02D10.02391.710.5768.2615.685.49D20.02428.53.6373.9519.622.80D30.02438.526.6960.2910.592.43El0.02350.39.9557.3214.8017.93E20.02399.612.9153.0816.2917.72E30.02448.61

15、0.7066.157.6515.5024水泥水化產(chǎn)物的微觀分析241 水泥水化產(chǎn)物的XRD分析 圖3為水泥試樣水化后的3d和28d的XRD圖譜。由圖3可以看出，水化3d和28d時，無論摻加激發(fā)劑與否，試樣中的主要礦物均為未水化的C3S、C2S、Ca(OH)2、CSH凝膠以與鈣礬石(峰值較小)。從衍射峰高度上來看，與純水泥對比，水化3d時，摻加鋼渣的水泥Ca(OH)2衍射峰有所降低，結(jié)合水泥3d強度測試結(jié)果，說明摻加鋼渣后水泥水化相對較差，不利于水泥早期強度的提高。水化28d時，Ca(OH)2衍射峰峰形趨向尖銳，強度降低，證明隨著水化的進(jìn)行，水化產(chǎn)物結(jié)晶更加完整。 242水泥水化嚴(yán)物的SEM分析

16、圖4為3組水泥試樣水化28d時的SEM照片。 由圖4可見，純水泥水化結(jié)構(gòu)比較致密，有較多的CSH水化凝膠和結(jié)晶完好的Ca(0H)2，起膠結(jié)作用的水化產(chǎn)物較多；CB2水化28d時水化產(chǎn)物和凝膠較少，主要是少硅的CSH凝膠和Ca(0H)2晶體，鋼渣顆粒未水化，也沒有被水化產(chǎn)物很好的包裹和覆蓋， 與周圍顆粒黏結(jié)不牢固，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不致密，孔隙率大，強度比純水泥水化樣大大降低；CD2水化28d時可以明顯看出大量的CSH水化凝膠、少量的針狀鈣礬石晶體和板狀Ca(OH)2晶體，結(jié)構(gòu)較純水泥水化樣稍疏松，但水化結(jié)構(gòu)也比較致密，鋼渣顆粒表面附著了一層水化產(chǎn)物，說明已發(fā)生二次水化反應(yīng)，鋼渣顆粒與周邊水化產(chǎn)物結(jié)合較緊

17、密，沒有明顯的空隙，這也是加激發(fā)劑后摻鋼渣水泥強度較高的原因。243孔結(jié)構(gòu)分析 對水泥漿體水化3d和28d試樣進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測試，結(jié)果見表5。表5水泥漿體孔結(jié)構(gòu)測試值試樣齡期總孔隙率/平均孔徑nm孔結(jié)構(gòu)直徑分布lOOnmS3d18.2648.1923.6228.6239.368.33CB23d19.9649.3724.5027.6242.605.18CD23d19.3447.2722.1731.9442.703.19S28d5.1622.2471.2215.644.298 85CB228d9.2321.7372.1017.864.895.15CD228d8.3821.5572.4018.113.793.70由表5可見，3組試樣的3d總孔隙率分別為1826、l996和l934，28d總孔隙率分別為516、923和838。從孔徑分布來看，3組試樣水化28d時100nm孔中存在較大空洞，從而使整個孔隙率上升，大孔的存在導(dǎo)致硬化水泥漿體強度大大下降。故摻加鋼渣能在一定程度上改善水泥的孔徑分布，但是可能會在漿體中形成，定量的大孔隙，加上膠凝材料相對較少，沒有足夠的堿性激發(fā)劑來激發(fā)混合材的活性，故大摻量混合材漿體強度下降很大，總孔隙率相對較大。而使用激發(fā)劑M后情