高爐礦渣制備免燒磚強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

高健，王曉磊，李軍，李彥蒼，劉歷波

（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 前言

高爐礦渣是冶鐵過(guò)程中產(chǎn)生的具有火山灰活性的工業(yè)廢渣，鐵礦石中的脈石以及焦炭燃燒后剩余的粉末（主要成分為SiO2、Al2O3）與堿性助熔劑中的CaO、MgO結(jié)合形成低熔點(diǎn)化合物，在高爐內(nèi)熔化為具有流動(dòng)性的高爐礦渣。高爐礦渣主要成分為SiO2、CaO、Al2O3，還有MgO、FeO等氧化物和一些硫化物。液態(tài)的高爐礦渣從高爐中排出經(jīng)過(guò)高壓水水淬形成?；郀t礦渣，?；郀t礦渣可以作為高爐礦渣粉、硅酸鹽水泥、礦渣棉、微晶玻璃的主要原料。其來(lái)源廣、成本低，符合國(guó)家綠色發(fā)展的要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

基于國(guó)家綠色發(fā)展的理念和礦渣應(yīng)用的廣泛性。齊兆軍等[1]利用礦渣代替部分水泥作為主要原料制備新型膠凝材料，來(lái)降低充填采礦的成本，通過(guò)正交試驗(yàn)篩選各試驗(yàn)因素的最佳配合比，探明不同的激發(fā)劑對(duì)膠體早期強(qiáng)度的催化作用；孫雙月[2]研究發(fā)現(xiàn)，以礦渣和粉煤灰為原料，將水玻璃和氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑制備地聚物，礦渣和粉煤灰的配比對(duì)試樣的早期強(qiáng)度影響顯著，而水灰比影響試樣后期的抗壓強(qiáng)度，最佳的礦渣和粉煤灰配比為1∶1，水灰比為0.4，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，低聚物反應(yīng)會(huì)更加充分，生成的硅鋁酸鹽凝膠物會(huì)將未反應(yīng)的物料顆粒緊密連接在一起，從而提高了試樣的強(qiáng)度；趙旭光等[3]選用轉(zhuǎn)爐鋼渣粉、礦渣、石灰石粉和粉煤灰粉為原材料進(jìn)行了高性能的礦渣基膠凝材料的研究；黨永發(fā)等[4]通過(guò)使用礦渣水泥基膠凝材料進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計(jì)并主要研究了礦渣的摻入對(duì)混凝土的路用性能包括混凝土的工作性、力學(xué)強(qiáng)度、抗?jié)B性能和耐磨性能等的研究。上述研究成果為高爐礦渣制備膠凝材料提供了切實(shí)可行的方法，但是針對(duì)高爐礦渣替代黏土制備免燒磚的研究鮮有涉及，此外，在礦渣資源中，以粒徑分布窄和粒徑細(xì)小的礦渣難以得到大規(guī)模利用，易造成揚(yáng)塵等環(huán)境污染，是礦渣處理的主要難題。以高爐礦渣為主要原料，采用正交試驗(yàn)的方法找出最佳的配合比，確定影響免燒磚強(qiáng)度的因素，明確免燒磚強(qiáng)度形成的反應(yīng)機(jī)理，為礦渣制備免燒磚提供理論支持。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）高爐礦渣：S95級(jí)，通過(guò)X射線熒光光譜儀分析，高爐礦渣主要元素含量如表1所示，高爐礦渣主要成分為SiO2、CaO、Al2O3，屬酸性礦渣，比表面積為420m2/kg，礦渣的粒徑范圍為40～80μm，顆粒較細(xì)，易于早期的活化反應(yīng)，有利于料漿的制備。

（2）粉煤灰：Ⅰ級(jí)，所含礦物晶體包括鈣長(zhǎng)石、硅酸鈣、方解石等，通過(guò)X射線光譜儀分析，粉煤灰主要元素含量如表1所示，主要成分為SiO2和Al2O3。

表1 高爐礦渣、粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

（3）水泥：P·O42.5水泥。

（4）生石灰：選用生石灰作為激發(fā)劑，其CaO含量為95.7%，屬于優(yōu)質(zhì)生石灰。加入的生石灰遇水反應(yīng)生成Ca（OH）2，為水化反應(yīng)提供堿性環(huán)境，同時(shí)放出熱量，加快水化反應(yīng)速率，能夠提高試塊的早期抗壓強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)

1.2.1 探索性試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)[5-6]方法，確定石灰質(zhì)量百分比（A）、高爐礦渣質(zhì)量百分比（B）、水泥質(zhì)量百分比（C），粉煤灰質(zhì)量百分比由石灰、高爐礦渣、水泥三因素共同決定，每一因素取3水平，正交設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表2。水固比設(shè)計(jì)為0.15，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案選取物料，物料經(jīng)過(guò)水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌混合，將攪拌均勻的物料倒入直徑為100 mm的特制模具，采用壓力試驗(yàn)機(jī)將物料壓實(shí)60 s成型，隨后用脫模機(jī)將壓實(shí)的試塊進(jìn)行脫模處理，將脫模完成的試塊編號(hào)然后放入溫度20℃、濕度90%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3、7、28 d。采用壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試塊的抗壓強(qiáng)度，每組試驗(yàn)取3個(gè)試塊，取最終的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

分析表3可知，5#組的3d和7 d抗壓強(qiáng)度為正交試驗(yàn)最優(yōu)值，各物料組合為石灰質(zhì)量百分比為10%，礦渣質(zhì)量百分比為55%，水泥質(zhì)量百分比為10%，粉煤灰質(zhì)量百分比為25%。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

1.2.2 試樣成型制備及測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)采用的儀器包括：梅特勒-托利多儀器有限公司的電子天平、無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司的水泥膠砂攪拌機(jī)、滄州路凱實(shí)驗(yàn)儀器有限公司的養(yǎng)護(hù)箱、濟(jì)南中昌路試驗(yàn)機(jī)制造有限公司的TYA-2000型數(shù)縣壓力試驗(yàn)機(jī)。

將高爐礦渣、石灰、粉煤灰、水泥按一定質(zhì)量比混合加入容器中，用水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌90 s，在攪拌的過(guò)程中加水，水固比為0.15。將攪拌完成的物料倒入特制的模具中，將其放入壓力試驗(yàn)機(jī)中以恒壓20MPa持續(xù)加壓60 s，隨后用脫模機(jī)將試塊脫模進(jìn)行編號(hào)放入養(yǎng)護(hù)箱中。

將達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試塊放入壓力試驗(yàn)機(jī)下，對(duì)試塊進(jìn)行均勻緩速的加壓直到試塊表面發(fā)生破裂并且壓力機(jī)的壓力值不再明顯增加為止，此時(shí)進(jìn)行壓力機(jī)的讀數(shù)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 成型壓力對(duì)高爐礦渣免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配合比為m（高爐礦渣）∶m（石灰）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）=11∶2∶5∶2，研究成型壓力對(duì)高爐礦渣免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 成型壓力對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可知，當(dāng)壓力機(jī)成型壓力增大時(shí)，免燒磚3 d和7 d抗壓強(qiáng)度都呈上升的趨勢(shì)。當(dāng)免燒磚的成型壓力在10～20 MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度的增幅較大，在20～30 MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度的增幅放緩，繼續(xù)增加壓力時(shí)免燒磚試樣的強(qiáng)度增加效果會(huì)減弱，3d免燒磚抗壓強(qiáng)度的變化和7 d變化趨勢(shì)類似。這是因?yàn)楫?dāng)成型壓力增大時(shí)，物料顆粒之間會(huì)更加趨于緊密，生成的硅酸鈣等物相可以獲得更好的膠凝效果，使得物料之間的黏結(jié)力更大，得到的試樣的強(qiáng)度性能更好[7-9]。而當(dāng)成型壓力超過(guò)20 MPa時(shí)，反應(yīng)物料之間的摩擦力會(huì)增大，反而會(huì)阻礙物料之間反應(yīng)的進(jìn)行，所以抗壓強(qiáng)度的增加趨于平緩。綜合加壓效果和強(qiáng)度效果，當(dāng)成型壓力為20 MPa時(shí)，成型后的免燒磚試樣的抗壓強(qiáng)度為21.32 MPa，強(qiáng)度符合JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》MU20免燒磚的要求。

2.2 礦渣摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

在上述正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行單因素驗(yàn)證試驗(yàn)，以下試驗(yàn)中所有試驗(yàn)輔助材料的摻量均采用外摻法計(jì)算。固定m（石灰）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）=2∶5∶2時(shí)，成型壓力為20 MPa，通過(guò)改變高爐礦渣[10]的摻量，以7 d免燒磚抗壓強(qiáng)度為考察指標(biāo)，探討礦渣摻量對(duì)免燒磚力學(xué)性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 礦渣摻量對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

由表5可知，高爐礦渣用量從40%增加到55%的過(guò)程中，免燒磚的抗壓強(qiáng)度不斷提高，這是由于一方面礦渣中的活性硅組分與熟石灰化學(xué)反應(yīng)生成了水化硅酸鈣等膠凝相，另一方面礦渣中的鈣元素也與熟石灰和水泥反應(yīng)生成了鈣礬石等物質(zhì)，同時(shí)礦渣也在免燒磚中充當(dāng)骨料，在成型的過(guò)程中傳遞壓力，提高了免燒磚的強(qiáng)度[11-12]。當(dāng)?shù)V渣的摻量超過(guò)55%時(shí)，免燒磚強(qiáng)度反而下降，這是因?yàn)槟z凝相的含量不足以將礦渣中未反應(yīng)的組分完全粘結(jié)在一起，反而多余的礦渣會(huì)阻礙化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而對(duì)免燒磚的強(qiáng)度的形成產(chǎn)生負(fù)面影響。綜合考慮，確定礦渣的摻量為55%。

2.3 水泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

對(duì)于礦渣采用半干法壓制免燒磚而言，因?yàn)樗嗍且环N能夠水化生成膠凝相的物料，所以水泥是決定其力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)。在固定水固比為0.15，成型壓力為20 MPa，在m（石灰）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）=2∶5∶11的情況下，考察水泥摻量對(duì)免燒磚力學(xué)性能的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 水泥摻量對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可知，當(dāng)未加入水泥時(shí)，初期各物料之間難以形成粘結(jié)力，物料內(nèi)部處于松散狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于要求。由于試塊是壓制成型，而隨著水泥摻量的增加，水泥顆粒和礦渣、粉煤灰緊密度和接觸面都會(huì)增大，再隨著水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，能夠?qū)⒌V渣顆粒和物料膠結(jié)在一起，另外，水泥水化的過(guò)程會(huì)生成Ca（OH）2，這能夠?yàn)槊鉄u中的活性成分提供堿性環(huán)境，促進(jìn)水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，此時(shí)的試塊的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)大幅度提高[13]。在水泥摻量為10%時(shí)強(qiáng)度的提升較為明顯，較水泥摻量為5%時(shí)抗壓強(qiáng)度提升了67%。在水泥摻量超過(guò)10%時(shí)，強(qiáng)度的提升開(kāi)始趨于平緩，同時(shí)礦渣的利用率也會(huì)降低?？紤]到實(shí)驗(yàn)的目的是能夠大量利用礦渣資源，同時(shí)較多水泥的消耗會(huì)增加礦渣磚的成本，因此水泥的摻量控制在10%左右最為合理。

2.4 石灰摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

石灰能夠與含硅材料反應(yīng)生成硅酸鈣等膠凝相[14]，將各種物料膠結(jié)在一起形成具有一定強(qiáng)度的骨架，能夠提高免燒磚的力學(xué)性能。在固定水固比為0.15，成型壓力為20 MPa，在m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）=2∶5∶11的情況下，改變免燒磚石灰摻量的7 d抗壓強(qiáng)度如表7所示。

表7 石灰摻量對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可知，抗壓強(qiáng)度隨著石灰摻量的增加先提高后降低。當(dāng)石灰摻量為0時(shí)，免燒磚無(wú)法成型，這是由于礦渣中的主要活性成分為SiO2、Al2O3，在缺乏激發(fā)劑的條件下無(wú)法顯現(xiàn)出活性[15]，依靠單純的物理作用加以施壓難以將物料結(jié)合在一起，脫模的時(shí)候物料呈現(xiàn)松散的狀態(tài)。隨著石灰摻量的增加，石灰和原料中的硅質(zhì)材料和鋁質(zhì)材料水化生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，更多的膠凝相將物料結(jié)合在一起，從而使免燒磚的強(qiáng)度不斷提升。當(dāng)石灰摻量超過(guò)10%時(shí)，原料中的硅組分和鋁組分不足以與多余的石灰完全發(fā)生反應(yīng)，而且石灰本身的水化活性有限，與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3導(dǎo)致石灰失效，同時(shí)導(dǎo)致免燒磚的抗壓強(qiáng)度降低。因此，石灰的最佳摻量為10%，反應(yīng)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)式見(jiàn)下式。

3 結(jié)論

（1）利用高爐礦渣為主要原料，在m（礦渣）∶m（粉煤灰）∶m（石灰）∶m（水泥）=11∶5∶2∶2，水固比0.15，成型壓力20 MPa的條件下，制備的免燒磚滿足JC/T422—2007中MU20的強(qiáng)度等級(jí)要求。其3 d、7 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到19.32 MPa和23.45 MPa。

（2）石灰能作為激發(fā)劑，同時(shí)為反應(yīng)的發(fā)生提供堿性環(huán)境，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推長(zhǎng)，生成更多的水化硅鋁酸鹽等膠凝狀產(chǎn)物，將各種物料顆粒緊密結(jié)合在一起，使得免燒磚的結(jié)構(gòu)更加緊密，從而有利于免燒磚強(qiáng)度的提高，能夠使免燒磚在較短的養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，滿足工業(yè)化的生產(chǎn)要求。