仇夏杰 倪 文 王思靜

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

無熟料鋼渣礦渣水泥在熱養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度發(fā)展

仇夏杰 倪 文 王思靜

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)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(jí)混磨細(xì)度B、Ca(OH)2與石膏質(zhì)量比C、熱養(yǎng)護(hù)溫度D為影響試件不同齡期強(qiáng)度的4因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)，并對(duì)膠凝材料的XRD圖譜和凈漿試塊的SEM照片進(jìn)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(qiáng)度最高，養(yǎng)護(hù)3，7，28 d的抗壓強(qiáng)度分別為18.36，26.89和45.32 MPa，這4個(gè)因素對(duì)試件強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)镈>A>B>C。②體系的早期強(qiáng)度主要來源于C-S-H凝膠，及少量的鈣礬石相；體系后期強(qiáng)度的增強(qiáng)主要依賴于鈣礬石相的生成。

無熟料鋼渣礦渣水泥 梯級(jí)混磨 熱養(yǎng)護(hù)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(shí)，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(dá)23 850萬t和9 360萬t，占我國當(dāng)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(xì)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(qiáng)度高的特點(diǎn)[2-3]；礦渣作為礦物摻合料制備的混凝土具有提高早期強(qiáng)度、改善混凝土的和易性等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，開展鋼渣礦渣水泥的研究，不僅有助于推動(dòng)鋼渣和礦渣堆存問題的解決，而且有助于減少對(duì)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(xué)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(qiáng)度達(dá)到50 MPa的高強(qiáng)水泥砂漿試塊，但是其水泥熟料摻量高達(dá)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(biāo)325標(biāo)號(hào)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(jì)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(yīng)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(hù)條件，對(duì)推動(dòng)該技術(shù)在特定領(lǐng)域(如地?zé)岢渑娴纳罹V山充填領(lǐng)域)開展應(yīng)用很有意義。

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

1 試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)砂為廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)有限公司生產(chǎn)的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；Ca(OH)2為分析純。前3種原料的主要化學(xué)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；○—?dú)溲趸}；■—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(xué)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(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)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(jī)將礦渣磨至比表面積為450 m2/kg后，采用梯級(jí)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(dú)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(jìn)行測定。

2.2 試塊的成型、養(yǎng)護(hù)與測試

(1)凈漿試塊。將磨細(xì)料按一定的質(zhì)量比充分混勻，然后按照《GB/T1346—2001 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行凈漿試塊試驗(yàn)，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(dòng)成型。

(2)膠砂試塊。將磨細(xì)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(qiáng)度試驗(yàn)》進(jìn)行膠砂試塊試驗(yàn)，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(dòng)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(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，1 d后拆模然后在不同熱養(yǎng)護(hù)溫度(20，30，35 ℃)的蒸養(yǎng)箱中熱養(yǎng)護(hù)至28 d。

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

2.3 試驗(yàn)及分析設(shè)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(hù)箱為上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司的HBY-40B型水泥混凝土養(yǎng)護(hù)箱；熱養(yǎng)護(hù)箱為用上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司的水泥砼養(yǎng)護(hù)箱。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試件強(qiáng)度影響因素正交試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)因素水平安排

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

表2 正交試驗(yàn)因素水平安排

3.1.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)因素水平安排，按正交表L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

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

由表4可知，4因素的主次順序?yàn)镈>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(xì)度為480 m2/kg，Ca(OH)2與石膏質(zhì)量比為2∶1，熱養(yǎng)護(hù)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(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的3，7，28 d的抗壓強(qiáng)度分別為18.36，26.89，45.32 MPa，明顯好于A2B1C2D3組合下的試驗(yàn)結(jié)果。因此，A1B1C2D3組合為較優(yōu)水平組合，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度達(dá)到鋼渣礦渣水泥標(biāo)號(hào)為425#標(biāo)準(zhǔn)。

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(yàn)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(yàn)證組(即上述的“A1B1C2D3組合”)凈漿試塊養(yǎng)護(hù)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(hù)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(biāo)示的是未參加反應(yīng)的石膏，其附近有大量的鈣礬石，水化反應(yīng)早期，鋼渣中的C2S和礦渣中的非晶性礦物與石膏反應(yīng)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(qiáng)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(shù)條件為鞍鋼鋼渣與礦渣按質(zhì)量比1∶2，礦渣和鋼渣梯級(jí)混磨細(xì)度為480 m2/kg，Ca(OH)2與石膏質(zhì)量比為2∶1，熱養(yǎng)護(hù)溫度為35 ℃，養(yǎng)護(hù)3，7，28 d的抗壓強(qiáng)度分別為18.36，26.89和45.32 MPa，這4個(gè)因素對(duì)試件強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)镈>A>B>C。

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(責(zé)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