用于钢矿粉复合激发剂的试验研究

2015-03-08林茂松於林锋

安徽工业大学学报（自然科学版） 2015年3期

林茂松，樊钧，王琼，於林锋

(上海市建筑科学研究院，上海200032)

钢渣是炼钢副产物，产量为粗钢的12%～20%，年排放量近亿t[1]。目前我国钢渣以填埋、堆存为主，综合利用率不足60%[2]，远低于欧美等发达国家水平。大量钢渣的堆积占用大量耕地，并通过粉尘、渗透水等途径严重污染周边环境。钢渣中活性SiO2和CaO等组分含量较高，矿物组成与水泥熟料接近，但由于炼钢温度较水泥熟料煅烧温度高300℃左右，生成的钢渣晶体颗粒较大，结晶较为致密，其矿物组分水化速度大大降低，强度活性远低于矿粉等掺合料。采用适宜的激发技术改善钢渣的强度，并与矿渣、熟料等复配制备复合胶凝材料，是实现钢渣在建材领域资源化和高值化利用的重要途径[3-6]。

常用的激发技术包括以氢氧化物、弱碱性碳酸盐等为主的碱激发技术，通过提高胶凝体系的碱度加速钢渣硅铝相的溶出与水化进程[7]；以硫酸钙、硫酸钠等为主的硫酸盐激发技术，通过促进钙矾石等水化产物的生成进而提高胶凝材料强度[8]。但由于钢渣活性较低，单一的激发手段不能达到理想的激发效果，一般采用复合激发方式提高胶凝材料活性[9-11]。本研究在前期工作基础上[12]，通过碱与硫酸盐复合激发剂的正交试验，就激发剂对钢渣与矿渣胶凝材料性能及其水化产物微观结构的影响进行研究，为钢渣充分利用、减少环境污染提供技术支撑。

1 试验

1.1 原料

钢渣粉取自上海海笠新型建材有限公司，密度为3.15 g/cm3，28 d强度活性指数为88%；矿粉取自上海宝钢新型建材有限公司，性能指标满足S95等级要求；水泥由上海万安华新水泥有限公司提供，性能满足P·O 42.5要求；二水脱硫石膏、半水脱硫石膏由上海外高桥第三发电有限责任公司提供的原材料再加工而成，二水脱硫石膏由石膏浆体在40℃烘干制得，半水脱硫石膏由二水脱硫石膏在200℃焙烧制得；氢氧化钠(化学纯)由上海国药集团化学试剂有限公司提供。钢渣粉、矿粉、脱硫石膏的化学组成见表1。

表1 原料的主要化学成分(w/%)Tab.1 Chemical compositions(by mass)of raw materials(w/%)

1.2 方法

钢渣粉与矿粉以质量比3:7的比例混合均匀得到钢矿粉，针对半水脱硫石膏、二水脱硫石膏与氢氧化钠激发剂设计三因素四水平正交试验，如表2。三因素分别为：A代表氢氧化钠的掺量；B代表半水脱硫石膏的掺量；C代表二水脱硫石膏的掺量，均为质量分数，下同。

将复合激发剂以一定掺量掺入钢矿粉中，混合均匀。参照GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》测定钢矿粉7，28 d活性指数。

掺激发剂的钢矿粉水化产物的矿物组成用德国普鲁克公司D8-Advance型X射线衍射仪(XRD)分析，微观形貌用日立S-2500型扫描电镜(SEM)观察，并与基准水泥、未掺激发剂的钢矿粉水化产物进行对比。

表2 正交试验因素水平表(w/%)Tab.2 Orthogonal factor level(w/%)

2 结果与讨论

2.1 复合激发剂正交试验结果分析

正交试验结果与分析见表3～5。表4～5中：Ki，K′i分别为各因素不同水平下对应的7，28 d活性指数之和，i为水平，i＝1～4。ki，k′i分别为各因素不同水平下对应的7，28 d活性指数的平均值。

由表3～5可知，对于氢氧化钠而言，其掺量水平A对7 d活性指数的影响排序为k1＞k3＞k2＞k4，对28 d活性指数的影响排序为k′1＞k′2＞k′3＞k′4，表明氢氧化钠的最优掺量为 0.2%(质量分数)；同理可得半水脱硫石膏的最优掺量为2.0%(质量分数)，二水脱硫石膏的最优掺量为1.5%(质量分数)。

由表3～5还可知，各因素对钢矿粉7 d活性指数的影响排序为C＞A＞B，对28 d活性指数影响排序为A＞C＞B。从7，28 d活性指数分析，其最优方案都是A1B4C4，即钢矿粉中氢氧化钠掺量0.2%(质量分数)、半水脱硫石膏2.0%(质量分数)、二水脱硫石膏1.5%(质量分数)。在钢渣掺量为钢矿粉总质量的30%时，掺入该激发剂的钢矿粉7，28 d活性指数分别达90%，98%，满足GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》S95矿粉的活性要求。

表3 激发剂对钢矿粉活性指数的影响(%)Tab.3 Effect of activators on properties of steel slag and blast furnace slag power(%)

表4 7 d活性指数正交分析(%)Tab.4 Orthogonal analysis of 7 d activity indexes(%)

表5 28 d活性指数正交分析(%)Tab.5 Orthogonal analysis of 28 d activity indexes(%)

2.2 掺钢矿粉胶凝材料水化产物的XRD分析

基准水泥、掺钢矿粉胶凝材料、掺激发剂改性钢矿粉胶凝材料各龄期水化产物XRD图谱见图1～3。各水化样品中主要晶相组成为氢氧化钙(Ca(OH)2，简称CH)、未水化的硅酸钙(C2S，C3S)、少量的钙矾石(AFt)以及大量由标准砂引入的石英晶体。

由图1可知：基准水泥试样的CH(34.1°，18.0°，50.8°)含量较高，且随着龄期的延长含量逐渐增加；水化早期 C2S(32.1°，32.0°，41.2°)、C3S(32.0°，34.2°，41.1°)大量存在，随着水化反应的进行而逐渐减少；AFt(15.8°，18.9°，22.9°)则在水化早期生成，其含量因硫酸盐不足转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)而逐渐降低。

由图2可知，掺入钢矿粉胶凝材料的各龄期CH含量大幅减少，同时在7 d龄期时C2S，C3S含量也显著降低。一方面是由于钢矿粉的掺入使胶凝体系中既有的C2S，C3S含量降低，钢矿粉活性远不及水泥熟料，导致早期水化反应放缓，生成的CH减少；另一方面，钢矿粉中活性SiO2，Al2O3等组分在碱性条件下被溶出，发生二次水化反应，消耗部分CH；同时，由于钢矿粉活性较低，AFt含量减少。

由图3可知，掺入激发剂改性钢矿粉胶凝材料的水化产物与未掺时类似，但由于硫酸盐的存在，促进了AFt的生成，在15.8°，18.9°，22.9°等处可见相应特征峰增强，同时额外碱性物质的加入可提高钢矿粉的活性，促进其中活性组分的溶出并参与反应，生成更多的水化产物，进而提高其力学性能。

2.3 掺钢矿粉胶凝材料水化产物的SEM分析

基准水泥、掺钢矿粉胶凝材料、掺激发剂改性钢矿粉胶凝材料各龄期水化产物SEM照片分别见图4～6。

由图4可知：基准水泥的活性较高，在早期有大量纤维状水化硅酸钙生成，同时也可见大量未水化的水泥熟料颗粒，水化产物尺寸较小，结构极不密实；随着龄期的延长，水化产物不断增多，水化硅酸钙与针状的AFt、六方板状的CH等相互交织、填充，共同构成致密的水泥石结构。

由图5可知：与基准水泥相比，掺钢矿粉的胶凝体系水化反应较慢，在早期水化硅酸钙、AFt、CH等产物总量更少，未水化的钢矿粉与水泥熟料颗粒同样大量存在；随着二次水化反应的进行，各类产物相互联结，不断填充水泥石空隙，结构逐渐密实。由图6可见，当激发剂存在时，纤维状水化硅酸钙与针状AFt产物增多，表明激发剂能促进钢矿粉的水化与AFt等的生成，同时吸收CH，进而改善胶凝体系性能。

3 结论

1)加入激发剂对钢矿粉的水化具有一定激活作用。通过正交试验确定复合激发剂最优掺量(质量分数)为半水脱硫石膏2.0%、二水脱硫石膏1.5%、氢氧化钠0.2%。钢渣掺量为钢矿粉的30%时，掺入复合激发剂的钢矿粉7，28 d活性指数分别达90%，98%，满足GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》S95矿粉的活性要求。

2)复合激发剂对钢渣胶凝材料浆体水化产物种类没有影响，水化产物主要为C-S-H凝胶、Ca(OH)2以及AFt晶体等。激发剂能促进钢矿粉的水化与AFt的生成，同时吸收Ca(OH)2，进而改善胶凝体系力学性能。

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