無熟料鋼渣礦渣水泥在熱養(yǎng)護條件下的強度發(fā)展

仇夏杰 倪 文 王思靜

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

無熟料鋼渣礦渣水泥在熱養(yǎng)護條件下的強度發(fā)展

仇夏杰 倪 文 王思靜

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

為了探討以鞍鋼鋼渣與礦渣為主要原料生產(chǎn)無熟料鋼渣礦渣水泥的可能性，以鞍鋼鋼渣與礦渣質(zhì)量比A、礦渣與鋼渣梯級混磨細度B、Ca(OH)2與石膏質(zhì)量比C、熱養(yǎng)護溫度D為影響試件不同齡期強度的4因素進行了正交試驗，并對膠凝材料的XRD圖譜和凈漿試塊的SEM照片進行了分析。結(jié)果表明：①A、B、C、D分別為1∶2、480 m2/kg、2∶1和35 ℃的情況下，試件的抗壓強度最高，養(yǎng)護3，7，28 d的抗壓強度分別為18.36，26.89和45.32 MPa，這4個因素對試件強度影響的主次順序為D>A>B>C。②體系的早期強度主要來源于C-S-H凝膠，及少量的鈣礬石相；體系后期強度的增強主要依賴于鈣礬石相的生成。

無熟料鋼渣礦渣水泥 梯級混磨 熱養(yǎng)護溫度 C-S-H凝膠 鈣礬石

鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展在顯著改善人們物質(zhì)生活質(zhì)量的同時，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的巨量礦渣和鋼渣也困擾著人們的生活。資料[1]顯示，我國2011年礦渣和鋼渣的排放量分別達23 850萬t和9 360萬t，占我國當年工業(yè)固體廢棄物排放總量的11.54%。如此巨量的礦渣和鋼渣，不僅占用大量的土地資源，而且構(gòu)成我國生態(tài)和生產(chǎn)安全的重大隱患。

有研究表明，將磨細的鋼渣粉摻入水泥中，使水泥制品具有耐磨、水化熱低、抗腐蝕、長期強度高的特點[2-3]；礦渣作為礦物摻合料制備的混凝土具有提高早期強度、改善混凝土的和易性等優(yōu)點[4]。因此，開展鋼渣礦渣水泥的研究，不僅有助于推動鋼渣和礦渣堆存問題的解決，而且有助于減少對傳統(tǒng)石料的需求，減少新的生態(tài)破壞。

李琳琳等[5]以礦渣、鋼渣為主要原料，摻入1%的水泥熟料，制成了可用于人工魚礁的極低水泥熟料的膠凝材料，其力學性能、抗收縮性能和海洋環(huán)境相容性良好。李輝等[6]利用水泥熟料、鋼渣、礦渣制備出了28 d抗壓強度達到50 MPa的高強水泥砂漿試塊，但是其水泥熟料摻量高達80%以上，未能充分利用鋼渣和礦渣；閆加旺等[7]用少熟料的鋼渣礦渣水泥制備了可以滿足國標325標號的水泥砂漿試塊，但是該水泥中摻入了5%～15%的熟料，在目前水泥市場條件下，從經(jīng)濟層面講，水泥的成本下降較明顯。

在深井開采中，隨著井深的增加，礦巖溫度不斷上升(金川鎳礦1 000 m地下溫度在30～50 ℃[8])，這為在濕熱條件下激發(fā)無熟料鋼渣礦渣水泥膠凝材料的水化反應活性十分有利。若在特定環(huán)境下無熟料的鋼渣礦渣水泥能代替硅酸鹽水泥用于充填，則不僅能二次利用鋼渣、礦渣等固體廢棄物，還能有效降低采礦成本。因此，研究無熟料的鋼渣礦渣水泥的熱養(yǎng)護條件，對推動該技術在特定領域(如地熱充沛的深井礦山充填領域)開展應用很有意義。

試驗將以鞍鋼鋼渣和礦渣為原料，在熱養(yǎng)護條件下探討無熟料鋼渣礦渣水泥的強度發(fā)展與水化反應。

1 試驗原料

鋼渣為鞍鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣經(jīng)破碎—磁選金屬鐵后的尾渣，主要礦物成分見圖1；礦渣為鞍鋼高爐煉鐵后的水淬礦渣(主要成分是鈣鋁黃長石)；石膏為北京石景山熱電廠提供的脫硫石膏(主要礦物成分是二水石膏(CaSO4·2H2O)[9])；標準砂為廈門艾思歐標準有限公司生產(chǎn)的中國ISO標準砂；Ca(OH)2為分析純。前3種原料的主要化學成分分析結(jié)果見表1。

圖1 鋼渣的XRD圖譜

●—γ型硅酸二鈣；△—β型硅酸二鈣；□—硅酸三鈣；◆—鐵酸二鈣；○—氫氧化鈣；■—氧化鈣；▲—鋼渣中的金屬氧化物集合體RO相

表1 原料的主要化學成分

Table 1 Chemical composition of raw materials %

成 分鋼 渣礦 渣石 膏SiO212.537.83.16Al2O31.989.651.35Fe2O323.291.260.47FeO10.820.09MgO11.416.627.49CaO41.7242.8333.38TFe21.59MFe2.16SO3-45.7燒 失6.948.28

2 試驗方法

2.1 試驗原料的加工

將鋼渣、礦渣、石膏等原料破碎至-3 mm后烘至含水率<1%。用SM-500型球磨機將礦渣磨至比表面積為450 m2/kg后，采用梯級粉磨[10]方式將摻有一定量鋼渣的混合料分別磨至比表面積為480，540，580 m2/kg；脫硫石膏單獨磨至比表面積為380 m2/kg。粉磨后物料的比表面積按照《GB/T8074—2008 水泥比表面積測定方法勃氏法》進行測定。

2.2 試塊的成型、養(yǎng)護與測試

(1)凈漿試塊。將磨細料按一定的質(zhì)量比充分混勻，然后按照《GB/T1346—2001 水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進行凈漿試塊試驗，將攪拌好的漿體置于尺寸為30 mm×30 mm×50 mm的模具中，然后振動成型。

(2)膠砂試塊。將磨細料按一定的質(zhì)量比充分混勻，然后按照《GB/T17671—1999 水泥膠砂強度試驗》進行膠砂試塊試驗，膠砂比為1∶3，水膠比為1∶2，將漿體置于尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的模具中，然后振動成型。

將成型的凈漿、砂漿試塊置于20±1 ℃、濕度高于90%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，1 d后拆模然后在不同熱養(yǎng)護溫度(20，30，35 ℃)的蒸養(yǎng)箱中熱養(yǎng)護至28 d。

膠砂試塊的強度測試按照《GB/T17671—1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》。

2.3 試驗及分析設備

比表面積儀為無錫錫儀建材儀器廠生產(chǎn)的DBT-127型勃氏透氣比表面積儀；SEM儀器為德國蔡司公司生產(chǎn)的SUPRA 55 SAPPHIRE型場發(fā)射掃描電子顯微鏡；XRD分析儀為日本Dmax-rB 12KW型X射線衍射儀；養(yǎng)護箱為上海路達實驗儀器有限公司的HBY-40B型水泥混凝土養(yǎng)護箱；熱養(yǎng)護箱為用上海路達實驗儀器有限公司的水泥砼養(yǎng)護箱。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試件強度影響因素正交試驗

3.1.1 試驗因素水平安排

在前期探索試驗基礎上確定的鋼渣與礦渣質(zhì)量比A、鋼渣礦渣混磨細度B、Ca(OH)2與石膏質(zhì)量比C、熱養(yǎng)護溫度D均取3水平，各水平具體取值見表2。

表2 正交試驗因素水平安排

3.1.2 正交試驗結(jié)果

根據(jù)因素水平安排，按正交表L9(34)進行正交試驗，結(jié)果見表3，表3中數(shù)據(jù)的極差分析結(jié)果見表4。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 正交試驗極差分析結(jié)果

由表3可知，第4組試驗的總功效系數(shù)最大，組合條件A2B1C2D3下的試件強度最高，即鋼渣與礦渣質(zhì)量比為8∶13，二者的混磨細度為480 m2/kg，Ca(OH)2與石膏質(zhì)量比為2∶1，熱養(yǎng)護溫度為35 ℃。

由表4可知，4因素的主次順序為D>A>B>C，較優(yōu)水平組合為A1B1C2D3，即鋼渣與礦渣質(zhì)量比為1∶2，二者的混磨細度為480 m2/kg，Ca(OH)2與石膏質(zhì)量比為2∶1，熱養(yǎng)護溫度為35 ℃。這一結(jié)論與表3結(jié)果不一致，因此按A1B1C2D3組合進行了驗證試驗，對應的3，7，28 d的抗壓強度分別為18.36，26.89，45.32 MPa，明顯好于A2B1C2D3組合下的試驗結(jié)果。因此，A1B1C2D3組合為較優(yōu)水平組合，對應的強度達到鋼渣礦渣水泥標號為425#標準。

3.2 膠凝材料水化產(chǎn)物分析

3.2.1 膠凝材料水化過程的XRD分析

驗證組(即上述的“A1B1C2D3組合”)膠凝材料水化過程的XRD圖譜見圖2。

圖2 膠凝材料的XRD圖譜

3.2.2 膠凝材料水化過程的SEM分析

驗證組(即上述的“A1B1C2D3組合”)凈漿試塊養(yǎng)護3 d和28 d的SEM照片見圖3、圖4。

圖3 A1B1C2D3組合凈漿試塊3 d的SEM照片

圖4 A1B1C2D3組合凈漿試塊28 d的SEM照片

由圖3可知，養(yǎng)護3 d的凈漿試塊中出現(xiàn)了絮狀C-S-H凝膠，且在其周圍出現(xiàn)了少量的鈣礬石；圖中A標示的是未參加反應的石膏，其附近有大量的鈣礬石，水化反應早期，鋼渣中的C2S和礦渣中的非晶性礦物與石膏反應生成C-S-H凝膠與鈣礬石[14]。

從圖4(a)可知，28 d體系中C-S-H凝膠和鈣礬石較好地穿插在一起；圖4(b)中出現(xiàn)了大量的針簇狀鈣礬石，長約5 μm，其主要穿插于C-S-H凝膠和其他顆粒間，起支撐作用，也是強度的主要來源。

4 結(jié) 論

(1)無熟料鞍鋼鋼渣與礦渣水泥試件適宜的工藝技術條件為鞍鋼鋼渣與礦渣按質(zhì)量比1∶2，礦渣和鋼渣梯級混磨細度為480 m2/kg，Ca(OH)2與石膏質(zhì)量比為2∶1，熱養(yǎng)護溫度為35 ℃，養(yǎng)護3，7，28 d的抗壓強度分別為18.36，26.89和45.32 MPa，這4個因素對試件強度影響的主次順序為D>A>B>C。

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(責任編輯 羅主平)

Strength Development of Steel & Iron Slag Cement without Clinker in the Thermal Curing Condition

Qiu Xiajie Ni Wen Wang Sijing

(School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083,China)

In order to explore the possibility of using Anshan steel slag & iron slag as main raw materials to produce the non clinker slag cement,orthogonal test is conducted to verify different periods of concrete compressive strength with the steel slag to iron slag mass ratioA,ascade mixed grinding finenessB,Ca(OH)2and gypsum mass ratioC,heat curing temperatureDas variable factors.Meanwhile,the XRD spectra of cementitious materials and SEM photo of paste blocks are analyzed.The results showed that：when theA,B,C,Dwere 1∶2 480 m2/kg,2∶1 and 35 ℃,the cement obtained the highest compressive strength,and its compressive strength were 18.36,26.89,45.32 MPa after curing 3,7,28 days respectively.The strength impact of these four factors on the sample isD>A>B>C.②The early strength of the cement system roots in C-S-H gel and a small amount of ettringite；Its later strength mainly depends on the generation of ettringite.

Non clinker steel & iron slag cement，Cascade mixed grinding，Heat curing temperature，C-S-H gel，Ettringite

2014-06-20

仇夏杰(1990—)，男，碩士研究生。通訊作者 倪 文(1961—)，男，教授，博士。

TD926.4

A

1001-1250(2014)-11-171-04