化学激发剂对钢渣体系的激发效果研究

王瑞兰，蒋文莉，李庚英

（1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.华南农业大学，广州 510640）

1 概述

由于钢渣的活性较低，严重制约了钢渣的利用[1]。因此，人们围绕提高钢渣的活性进行了许多研究[2]，已有研究主要分为机械活化和化学激发两大类。机械活化主要是用机械粉磨的方法提高钢渣的细度，通过提高细度来提高钢渣的反应能力[3]。由于机械活化对提高钢渣强度活性的效果不明显，而且钢渣的易磨性较差、粉磨电耗高，因此，单靠机械活化的办法来提高钢渣的活性，在技术上和经济上都不可取。化学激发实际上应该包括所有能提高钢渣水化胶凝活性的化学措施，如钢渣与水泥复合、钢渣与矿渣复合及采用化学激发剂对钢渣的激发等。常用的化学激发剂有石膏、熟料、石灰和碱金属的硅酸盐、碳酸盐或氢氧化物等[4]。

本文通过研究不同化学激发剂加入纯钢渣体系和钢渣—水泥体系时的强度变化规律，考察了化学激发剂的种类、性能参数、掺量、复合配伍及养护条件等因素对激发效果的影响，对化学激发剂的选用和工艺参数的选择进行了初步探讨。

2 试验原材料及试验方法

2.1 试验原材料

（1）钢渣粉。本试验采用慢冷钢渣粉（M60，比表面积399m2/kg），其化学成分如表1，颗粒分布如表2。

表1 慢冷钢渣（M60）化学组成

表2 慢冷钢渣（M60）颗粒分布

（2）水泥。水泥采用广州市珠江水泥有限公司生产的P·II 42.5R水泥，化学成分及基本物理性能分别如表3和表4。

表3 硅酸盐水泥化学组成

表4 硅酸盐水泥的物理力学性能

续表4

（3）激发剂：水玻璃、石膏、硫酸钠、明矾石等。

2.2 试验方法

采用20mm×20mm×20mm的净浆试体，在温度50℃±5℃和湿度95%±5%条件下，养护24h后测定试体的抗压强度。

3 试验结果及分析

3.1 水玻璃对纯钢渣性能的影响

为了避免水泥的影响，研究水玻璃对钢渣的激化效果，首先进行了水玻璃对纯钢渣激发的试验，试验方案及试验结果如表5。

表5 水玻璃模数、浓度及养护温度对钢渣激发效果

续表5

水玻璃模数m是决定纯钢渣—水玻璃体系性能的关键参数之一，其影响如图1。

图1 水玻璃模数对钢渣强度的影响

图1表明，当水玻璃的模数为1.2～1.8时，试样强度发展较快，①水玻璃中的SiO2的初聚状态有利于钢渣的缩聚反应；②纯钢渣—水玻璃体系在这种模数下的溶解速度与反应产物的形成速度相匹配。当水玻璃模数较大（m＞1.8）时，纯钢渣—水玻璃体系的强度发展趋于平缓，说明此时SiO2的初聚状态不利于缩聚反应的进行。

试验选用模数分别为1.4，1.8的两种水玻璃，改变水玻璃的浓度，测定钢渣抗压强度的变化，试验结果如图2。

图2 水玻璃浓度对钢渣强度的影响

由图2可知，当水玻璃浓度在25%～30%时，水玻璃浓度的增加对钢渣的抗压强度影响小，其原因为碱浓度低，钢渣的溶解速度慢，活性不易被激发，试体强度不高。当水玻璃的浓度在30%～40%范围内时，随着水玻璃浓度的增加，钢渣的抗压强度迅速提高，当水玻璃的浓度为40%时，钢渣的抗压强度达到最大值。当水玻璃的浓度超过40%时，钢渣的抗压强度开始下降。这是因为在较高浓度时钢渣的溶解速度与反应产物的形成速度不相匹配，致使强度有所下降。无论水玻璃模数是1.4或1.8，其变化趋势基本相同。总之，在水玻璃浓度为0.4时，钢渣可得到较高的抗压强度。

养护温度对钢渣强度的影响规律如图3。

图3 养护温度对钢渣强度的影响

由图3可如，养护温度对纯钢渣—水玻璃体系的抗压强度有较大影响，强度随养护温度的升高而增加。当水玻璃模数为1.8时，随着温度的升高，试体强度均衡、缓慢地升高；当水玻璃模数为1.4时，温度从60℃升至70℃时，抗压强度升幅最大，温度小于60℃或大于70℃时，试体的抗压强度增长较缓慢。

综合研究成果分析，水玻璃对钢渣的激发属于钙质材料（f-CaO，C3S，C2S等）与水玻璃之间的反应。在水玻璃的碱性环境激发下，f-CaO，C3S，C2S等矿物加速溶解，提供Ca2＋，与水玻璃中丰富的[SiO4]4-离子反应，生成硅酸钙沉淀。这里水玻璃不仅提供钢渣加速溶解的化学环境，而且提供生成最初反应产物的阴离子物质。

3.2 其他化学激发剂对钢渣—水泥体系的影响

3.2.1 各种化学激发剂单掺

表6为掺加3%的各种激发剂对含钢渣—水泥体系的激发强度结果。

表6 不同种类激发剂对强度影响

续表6

由表6可见，加入各种激发剂后水泥—钢渣体系的强度与无激发剂的水泥—钢渣体系相比均有所提高。其中烧石膏、硫酸钠、明矾、硫酸铝、三乙醇氨和水玻璃作为系统激发剂对强度的提高比较明显。

3.2.2 各种化学激发剂复合使用

为检验复合激发剂对含钢渣—水泥体系性能的作用效果，设计1组正交试验，试验中考虑烧石膏（A）、硫酸钠（B）和硫酸铝（C）3个因素，分别设定不同的因素水平，正交因素水平如表7。

表7 正交试验因素水平

正交试验共9组，试验结果如表8。

表8 正交试验试验结果

对表8的正交试验结果进行极差分析，分析结果如表9。

表9 极差分析结果

从直观分析可知，各因素对强度影响顺序为：烧石膏＞硫酸钠＞硫酸铝，烧石膏是强度影响的最显著因素。对强度而言，最佳配比为B1A1C1，即4%的烧石膏、1%硫酸钠和1%的硫酸铝复合时，强度最高（107.7MPa），比纯水泥的强度高了11.4%，比基准样（钢渣粉30%＋水泥70%）提高了41.0%。

4 结语

（1）当水玻璃的模数为1.2～1.8时，试样强度发展较快，当水玻璃浓度在25%～30%时，水玻璃浓度的增加对钢渣的抗压强度影响小，当水玻璃浓度在30%～40%范围内时，随着水玻璃浓度的增加，钢渣的抗压强度迅速提高，当水玻璃浓度为40%时，钢渣的抗压强度达到最大值。养护温度对纯钢渣—水玻璃体系的抗压强度有较大影响，强度随养护温度的升高而增加。当水玻璃模数为1.8时，随着温度的升高，试体强度均衡、缓慢地升高；当水玻璃模数为1.4时，温度从60℃升至70℃时，抗压强度升幅最大，温度小于60℃或大于70℃时，试体的抗压强度增长较缓慢。

（2）加入各种激发剂后水泥—钢渣体系的强度与无激发剂的水泥—钢渣体系相比均有所提高。烧石膏是强度影响的最显著因素。4%的烧石膏、1%硫酸钠和1%的硫酸铝复合时，强度最高，比纯水泥的强度高了11.4%，比基准样（钢渣粉30%＋水泥70%）提高了41.0%。