矿渣沸石基水泥的试验研究

2015-06-29李文杰

四川水泥 2015年6期

关键词：铝酸钙钢渣矿渣

李文杰

（安徽海螺建材设计研究院，芜湖 241070)

矿渣沸石基水泥的试验研究

李文杰

（安徽海螺建材设计研究院，芜湖 241070)

研究了矿渣沸石基水泥中原料组成含量对水泥的强度、凝结时间及标准稠度等性能的影响规律，并探讨了该水泥体系的水化机理。研究结果表明，以30%的沸石、25%的熟料、34%的矿渣、6%的钢渣和5%的石膏，可以制备出3d抗压强度达15.3MPa、28d抗压强度达42.8 MPa的矿渣沸石基水泥。该水泥的主要水化产物为C-S-H凝胶和水化硫铝酸钙。

沸石，矿渣，钢渣

引言

沸石是凝灰岩经风化作用而成，其化学组成以SiO2和Al2O3为主[1]。30年前[2]，在我国就兴起了开发利用天然沸石岩的热潮，相比其他火山灰质材料，沸石具有更高的活性，在水泥中掺入一定量的沸石可以改善水泥的性能。沸石矿物的铝酸岩结晶在Ca(OH)2的作用下逐渐破坏，并反映生成铝酸钙和硅铝酸钙等水化产物，提出“脱铝-解硅-吸钙多阶段反应的模式”[3]。我国天然沸石储量巨大，但对沸石的利用程度远远不够。本文以未经任何处理的天然沸石、矿渣和熟料等为主要原料制备低能耗的矿渣沸石水泥，对沸石的综合利用开辟一条途径。

1 原料与试验

1.1 原料

天然沸石：含少量水分的块状固体，外观为浅黄色。使用前将沸石置于90℃烘箱中烘干，再用Φ500mm×500mm标准磨粉磨至勃氏比表面积为605.4 m2/kg。

矿渣：取自武汉钢铁集团公司，使用前将矿渣置于120℃烘箱中烘干，再用Φ 500mm×500mm标准磨粉磨至勃氏比表面积为446.9 m2/kg。

熟料，采用白马山海螺水泥有限公司生产的硅酸盐水泥熟料，用Φ500mm× 500mm标准磨粉磨至勃氏比表面积为435.2m2/kg。

钢渣：取自武汉钢铁集团公司，使用前将钢渣置于120℃烘箱中烘干，再用Φ 500mm×500mm标准磨粉磨至勃氏比表面积为594.4 m2/kg。

石膏：取自白马山海螺水泥有限公司，用Φ500mm×500mm标准磨粉磨至勃氏比表面积为429.2 m2/kg。

各原料化学成分见表1。

表1 原料的化学成分(wt/%)

1.2 方法

沸石、矿渣、熟料、钢渣、石膏按照表2的配比制备出不同的水泥。按照GB/ 1346-2001方法测定标准稠度、安定性、凝结时间。按照GB/T 17671-1999方法，水灰比为0.5，胶砂比为1∶3，在40mm×40mm×160mm钢制三联试模中成型砂浆试样，先在相对湿度95%的养护箱中养护24h后再脱模，然后将试块放置20℃下浸水养护。

不同配比试样的各物理性能测定结果见表2。

2 结果与分析

2.1 原料配比对水泥物理性能影响

根据表2，A1-A5试样的熟料、钢渣和石膏配比不变，沸石掺量由20%增加到40%，同时矿渣掺量从44%降低到24%，可以看出，随着沸石的增加，需水量变大，这是由于沸石结构很疏松，内部有很多孔洞；同时水泥的初凝和终凝时间都变化不大。

表2 试样配比及物理性能测定结果

不同沸石掺量的砂浆各龄期抗折、抗压强度测定结果如图1。由图1可见，随着沸石掺量增加和矿渣掺量的减小，3d、7d强度均先增大后减小，而28d强度则随着沸石掺量的增加而逐渐减小。当沸石掺量不大于30%时，3d、7d和28d强度变化趋势不大；一旦沸石掺量超过30%时，3d、7d和28d强度均明显下降。当其掺量达到40%时，3d、7d和28d抗压强度分别下降为9.5MPa、16.6MPa和34.3MPa，下降幅度超过20%。由此可见，在该水泥中，沸石参与了水化反应，而沸石活性没有矿渣好，因此沸石掺量不宜超过30%。

图1 不同沸石掺量下各龄期的抗折和抗压强度

A6、A7、A8、A3试样的沸石、石膏和钢渣配比不变，熟料掺量由15%增加到30%,同时矿渣掺量从44%降低到29%。由表2可以看出，随着钢渣的增加，需水量变大，初凝和终凝时间也随之变长。

不同熟料掺量的各龄期砂浆抗折和抗压强度测试结果如图2。由图2可见，随着熟料掺量增加和矿渣掺量减小，3d、7d、28d抗折和抗压强度均直线下降。由此可见，在该水泥体系中，熟料水化对水泥强度的发展起到重要作用。

图2 不同熟料掺量下各龄期的抗折和抗压强度

A9-A11、A3试样的沸石、矿渣和石膏配比不变，钢渣掺量由2%增加到8%，同时熟料掺量从29%降低到23%。由表2可以看出，随着钢渣的增加，水泥需水量降低，初凝和终凝也随之变长。

不同钢渣掺量的各龄期砂浆抗折和抗压强度测定结果如图3。由图3可见，随着钢渣掺量增加和熟料掺量的减小，3d、7d和28d强度均先先不变后减小。当钢渣掺量不大于6%时，3d、7d和28d强度变化趋势不大；当钢渣掺量超过6%时，3d、7d和28d强度均明显下降。由此可见，在该水泥中，钢渣主要起碱性激发的作用，掺量不宜超过6%。

图3 不同钢渣掺量下各龄期的抗折和抗压强度

由上可见，当熟料：沸石：矿渣：钢渣：石膏=25∶30∶34∶6∶5配比，此时生成出的水泥3d强度为15.3MPa、28d强度为42.8MPa,沸石掺量可达30%，性能可与32.5R复合硅酸盐水泥相近。

2.2 水化机理分析

沸石在Ca(OH)2溶液中，一方面Ca2+与沸石中的Na+和K+进行离子交换，另一方面沸石中的AlO2-和SiO42-被Ca(OH)2激活并参与水化反应[4]。矿渣是具有潜在水硬活性的胶凝材料，在少量碱性激发剂的情况下，可以依靠自身的化学组成形成凝胶物质而具有水硬性[5]。

当沸石、熟料、钢渣、矿渣和石膏加水搅拌时，钢渣中的Ca2+遇水生成Ca(OH)2，使浆体迅速成碱性；由于熟料活性优于沸石和矿渣，因此熟料最先水化形成晶核；同时Ca(OH)2促进沸石和矿渣中的AlO2-和SiO42-溶出，与石膏中的SO32-反应生成C-S-H凝胶和水化硫铝酸钙。

在矿渣沸石水泥中，熟料一方面提供沸石和矿渣水化所需的碱性环境，另一方面自身水化提供浆体硬化所需的C-S-H凝胶和水化硫铝酸钙；由于钢渣形成温度很高，结构非常致密，自身水化很慢，因此主要起碱性激发的作用，加速矿物水化；由于沸石和矿渣水化活性没有熟料好，早期水化慢，因此水泥早期强度比较低，但是后期强度能持续增长。