易龍生 康路良 齊麗娜 李 行 黎七榮(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

不同激發(fā)劑對(duì)免燒鋼渣陶?？箟簭?qiáng)度的影響

易龍生 康路良 齊麗娜 李 行 黎七榮(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

試驗(yàn)選用NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃及這些試劑組成的復(fù)合試劑作為免燒鋼渣陶粒的外加激發(fā)劑，通過(guò)測(cè)定免燒鋼渣陶粒在不同激發(fā)劑下3、7和28 d的抗壓強(qiáng)度，分析對(duì)比了各種激發(fā)劑對(duì)免燒鋼渣陶?？箟盒阅艿挠绊?，并最終通過(guò)XRD確定了鋼渣在受到激發(fā)后生成的水化產(chǎn)物。試驗(yàn)結(jié)果表明:激發(fā)劑能破壞鋼渣中的玻璃體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，釋放封存在體內(nèi)的硅鋁鐵等活性成分，其中，復(fù)合激發(fā)劑NaOH+石膏(質(zhì)量比為1∶1)對(duì)免燒鋼渣陶粒的激發(fā)效果最好，在此激發(fā)劑的激發(fā)作用下，生成的水化礦物相為鈣鐵輝石。

鋼渣 免燒陶粒 激發(fā)劑 抗壓強(qiáng)度

“十二五”規(guī)劃以來(lái)，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)及二次資源再生利用的投入力度都在不斷加大。鋼渣作為一種鋼鐵冶金工業(yè)排放的固體廢棄物，其排出量約占粗鋼產(chǎn)量的15%～20%[1]，每年以數(shù)百萬(wàn)t的速度在增長(zhǎng)[2]，與之形成鮮明對(duì)比的是，我國(guó)鋼渣的利用率僅為50%～60%[3]。

鋼渣的大量堆積，不僅占用土地，污染環(huán)境，而且長(zhǎng)年累月經(jīng)雨水沖刷析出的重金屬也會(huì)對(duì)土壤及地下水造成污染，危害人們的生活和生存環(huán)境[4-6]；另一方面，鋼渣作為一種經(jīng)急冷而形成的玻璃體，體內(nèi)封存著大量能量，具有很強(qiáng)的熱力學(xué)活性，雖然其本身的膠凝性不強(qiáng)，但卻是一種很強(qiáng)的潛在膠凝活性物質(zhì)[7-9]。選擇合適的激發(fā)劑來(lái)激發(fā)其潛在膠凝活性，制備高強(qiáng)度的免燒鋼渣陶粒，便可以將大量堆積的鋼渣化害為利、變廢為寶，還可以固化其中的重金屬物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三重效益的統(tǒng)一，符合我國(guó)科學(xué)發(fā)展的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)鋼渣。鋼渣取自湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)，呈灰白色，經(jīng)磨細(xì)處理，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，粒度分布見(jiàn)圖1，XRD圖譜見(jiàn)圖2。

表1 鋼渣的主要化學(xué)成分
Table 1 Main chemical composition of steel slag %

成 分CaOSiO2TFeMgOAl2O3P2O5含 量38.4730.1616.828.404.480.04

從表1可以看出，鋼渣中CaO、SiO2、Fe含量較高，其次是MgO、Al2O3，P2O5含量極低。

從圖1可以看出，鋼渣粒度較細(xì)，主要集中在5～20 μm，+100 μm含量極低。

圖1 鋼渣粉粒度分布

圖2 鋼渣的XRD圖譜

從圖2可以看出，鋼渣的物相圖雜亂無(wú)章，這恰說(shuō)明急冷后的鋼渣是一種玻璃體，無(wú)完整的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，故在XRD下看不出物相組成，需通過(guò)化學(xué)激發(fā)破壞玻璃體進(jìn)行分子重排，從而形成完整的結(jié)晶。

(2)水泥。試驗(yàn)用水泥熟料為市面上最常見(jiàn)的32.5#復(fù)合硅酸鹽水泥，呈灰色，化學(xué)成分及粒度分布分別見(jiàn)表2、圖3。

表2 水泥的主要化學(xué)成分
Table 2 Main chemical composition of cement %

成分CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3SO3K2OZnO含量49.4613.694.954.572.231.370.550.35

圖3 水泥粒度分布

從表2可以看出，水泥中的主要成分為CaO，其次是SiO2，MgO、Al2O3、Fe2O3等含量均較低。

從圖3可以看出，水泥的粒度比鋼渣粉略粗。

(3)石膏。石膏為工業(yè)二水石膏。

(4)細(xì)砂。細(xì)砂取自湘江河岸，細(xì)度模數(shù)為2.7。

(5)激發(fā)劑。試驗(yàn)所用均為常用激發(fā)劑：NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃(均為分析純)，以及這些試劑按質(zhì)量比1∶1組成的復(fù)合激發(fā)劑。

1.2 激發(fā)劑篩選試驗(yàn)方案

因純鋼渣制成的免燒陶?？箟簭?qiáng)度為0，故篩選最優(yōu)激發(fā)劑的試驗(yàn)固定水泥摻量為膠凝材料總量的30%，采用激發(fā)劑+鋼渣摻量占膠凝材料總量70%的配料方法來(lái)探究不同激發(fā)劑的不同摻量對(duì)免燒鋼渣陶?？箟簭?qiáng)度的影響。鋼渣、激發(fā)劑所占比例及細(xì)砂、水分添加量如表3所示，按表3配方篩選出最佳激發(fā)劑。

表3 化學(xué)激發(fā)試驗(yàn)方案Table 3 Experimental scheme of chemical activation

注：①激發(fā)劑表示NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃、NaOH+石膏、NaOH+水玻璃、NaOH+CaCl2、NaOH+CaCl2+水玻璃；②砂膠比指細(xì)砂與激發(fā)劑+鋼渣粉+水泥總摻量的比值；③水膠比指外加水與激發(fā)劑+鋼渣粉+水泥總摻量的比值。

1.3 試驗(yàn)方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激發(fā)劑篩選試驗(yàn)

2.1.1 單一激發(fā)劑對(duì)免燒鋼渣陶粒抗壓強(qiáng)度的影響

單一激發(fā)劑對(duì)免燒鋼渣陶?？箟簭?qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出：

(1)未加激發(fā)劑時(shí)，免燒鋼渣陶粒3 d抗壓強(qiáng)度僅為4.32 MPa。當(dāng)各激發(fā)劑加入量為2%時(shí)，免燒鋼渣陶粒的抗壓強(qiáng)度都得到提高，激發(fā)劑影響幅度由大到小的排列順序?yàn)镃aCl2>NaOH>石膏>CaO>水玻璃，這是由于原料中加入了30%的水泥，提供了一定的堿性環(huán)境，當(dāng)激發(fā)劑的加入量較小時(shí)，整個(gè)體系的堿性仍不足以大量溶蝕鋼渣玻璃體，使其釋放封閉于其中的硅鋁成分，故此時(shí)體系中的Ca2+濃度對(duì)強(qiáng)度的影響最大。一方面，Ca2+與部分溶蝕出來(lái)的硅鋁成分形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)；另一方面，Ca2+的加入也促進(jìn)了水泥的水化作用，在一定程度上對(duì)水泥起了激發(fā)促進(jìn)作用。所以，當(dāng)單一激發(fā)劑的加入量不超過(guò)2%時(shí)，CaCl2的激發(fā)作用最好，而且，隨著CaCl2加入量的提高，免燒鋼渣陶粒的強(qiáng)度穩(wěn)步提升，這說(shuō)明Ca2+濃度的提高始終有利于整個(gè)體系的活化。

表4 單一激發(fā)劑制備的免燒鋼渣陶粒不同齡期的抗壓強(qiáng)度Table 4 Compressive strength of the non-sintered steel slag ceramsite activated by different single activator at different curing periods

(2)當(dāng)激發(fā)劑的用量提高到4%和6%時(shí)，NaOH的激發(fā)作用最好，這是因?yàn)殡S著激發(fā)劑用量的增加，整個(gè)體系堿性的影響馬上占據(jù)主導(dǎo)地位。NaOH是一種強(qiáng)堿性物質(zhì)，具有強(qiáng)烈的堿腐蝕性，它的加入能迅速提高體系的堿性，當(dāng)加入量達(dá)到一定值時(shí)，便將鋼渣玻璃體中的硅鋁鐵成分大量溶蝕出來(lái)，從而大大提高了鋼渣的活性，使免燒鋼渣陶粒產(chǎn)生較高強(qiáng)度；但NaOH并不是越多越好，隨著NaOH加入量的增加，陶粒強(qiáng)度提高的幅度從大到小，最后反而會(huì)降低陶粒的強(qiáng)度。這是由于當(dāng)體系的堿性達(dá)到足以破壞整個(gè)鋼渣玻璃體時(shí)，堿性的進(jìn)一步提高便不會(huì)再提高鋼渣的活性，相反，過(guò)高的堿性會(huì)使部分物質(zhì)溶于堿中，導(dǎo)致整個(gè)體系的液固比例失衡，反而降低了免燒鋼渣陶粒的強(qiáng)度。

(3)當(dāng)激發(fā)劑的用量提高到8%和10%時(shí)，水玻璃的激發(fā)作用開(kāi)始變得最好。水玻璃的激發(fā)作用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是直接化學(xué)激發(fā)作用，二是間接化學(xué)激發(fā)作用。水玻璃本身是一種黏結(jié)劑，能夠依靠自身膠結(jié)力將其他顆粒物質(zhì)黏結(jié)為一個(gè)整體，產(chǎn)生直接的化學(xué)激發(fā)，這在水玻璃加入量較少時(shí)起主要作用。同時(shí)水玻璃也是一種堿性物質(zhì)，具有堿腐蝕性，它能像NaOH一樣破壞鋼渣玻璃體結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼渣的活化起間接化學(xué)激發(fā)作用。雖然它的堿性不如NaOH，但當(dāng)加入量達(dá)到一定值時(shí)，便也可達(dá)到破壞整個(gè)玻璃體的最佳堿性，再加上本身的膠結(jié)作用，使得水玻璃的加入量達(dá)到一定值后，免燒鋼渣陶粒的早期強(qiáng)度得到大幅度提高。

(4)石膏對(duì)免燒鋼渣陶粒強(qiáng)度的提高效果相對(duì)平緩，這是由于石膏本身就是一種具有膠結(jié)性的激發(fā)劑，它對(duì)鋼渣活性的激發(fā)主要靠直接化學(xué)作用，由于堿性不夠，無(wú)法破壞鋼渣的玻璃體結(jié)構(gòu)，因而強(qiáng)度的提高有限。

(5)CaO添加量超過(guò)2%時(shí)反而嚴(yán)重影響免燒鋼渣陶粒的強(qiáng)度，這是因?yàn)镃aO遇水會(huì)發(fā)生體積膨脹，少量加入CaO可以提高體系的堿性，補(bǔ)充Ca2+促進(jìn)活化，但稍微過(guò)量就會(huì)引起免燒鋼渣陶粒爆裂，表面產(chǎn)生很多裂紋，且裂紋隨CaO添加量的增多而增多。而且如果生成的Ca(OH)2含量過(guò)多，Ca(OH)2還會(huì)進(jìn)一步生成六方板狀晶體，既沒(méi)有膠凝性，又容易溶解于水中，使免燒鋼渣陶粒產(chǎn)生更多空隙，這就嚴(yán)重影響到了免燒鋼渣陶粒的強(qiáng)度。

2018年11月26日，機(jī)電一體化專家博澤中國(guó)太倉(cāng)新基地舉行了開(kāi)業(yè)慶典儀式。多名博澤集團(tuán)和中國(guó)區(qū)領(lǐng)導(dǎo)層、太倉(cāng)市政府領(lǐng)導(dǎo)和業(yè)界人士共同出席了此次活動(dòng)。

(6)免燒鋼渣陶粒在各激發(fā)劑作用下7 d抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)大體與3 d相同，除CaO外，7 d抗壓強(qiáng)度較3 d都有所上升，這說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，在各激發(fā)劑作用下整個(gè)膠凝體系的水化程度都在加深。而免燒鋼渣陶粒在各激發(fā)劑作用下28 d的抗壓強(qiáng)度發(fā)生了一些變化：首先，在NaOH、CaCl2的激發(fā)下，免燒鋼渣陶粒28 d的抗壓強(qiáng)度較7 d仍有一個(gè)穩(wěn)步增長(zhǎng)，在摻量為6%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到16.22 MPa和14.54 MPa，這說(shuō)明堿性對(duì)免燒鋼渣陶粒后期強(qiáng)度的提高要強(qiáng)于Ca2+，這主要是由于高堿性環(huán)境下溶蝕鋼渣玻璃體釋放出硅鋁鐵成分與鈣形成膠凝物質(zhì)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，從而導(dǎo)致鋼渣的水化速度較慢，但對(duì)后期強(qiáng)度卻是有利的。在石膏的激發(fā)作用下，免燒鋼渣陶粒28 d抗壓強(qiáng)度與7 d相比，最大增值僅為3.24 MPa，增幅不明顯。這是由于石膏主要是靠本身的直接化學(xué)作用，沒(méi)有真正溶蝕出封存在鋼渣體內(nèi)的硅鋁鐵等活性成分，故后期強(qiáng)度增加不明顯。其次，在水玻璃的激發(fā)作用下，免燒鋼渣陶粒28 d的抗壓強(qiáng)度較7 d出現(xiàn)大幅度下降，摻量為10%時(shí)，從7 d的17.09 MPa降到了28 d的12.43 MPa，且抗壓強(qiáng)度并不隨水玻璃摻量的增加而增加，而是在摻量為6%時(shí)達(dá)到最低強(qiáng)度8.23 MPa，出現(xiàn)一個(gè)先降后升的趨勢(shì)。這可能是由于水玻璃本身的膠結(jié)作用隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，受到周圍環(huán)境等一系列復(fù)雜因素的影響而失效，從而嚴(yán)重影響到免燒鋼渣陶粒的后期強(qiáng)度，但同時(shí)水玻璃提供的堿性環(huán)境卻又利于后期強(qiáng)度的增加。

單一激發(fā)劑激發(fā)試驗(yàn)表明，激發(fā)劑對(duì)鋼渣活性的激發(fā)主要有直接化學(xué)作用和間接化學(xué)作用，且間接化學(xué)作用對(duì)免燒鋼渣陶粒后期強(qiáng)度的提高要強(qiáng)于直接化學(xué)作用。

2.1.2 復(fù)合激發(fā)劑對(duì)免燒鋼渣陶?？箟簭?qiáng)度的影響

復(fù)合激發(fā)劑對(duì)免燒鋼渣陶?？箟簭?qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，復(fù)合激發(fā)劑的加入對(duì)免燒鋼渣陶粒3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度影響較大。其中，NaOH+石膏復(fù)合激發(fā)對(duì)免燒鋼渣陶粒抗壓強(qiáng)度的增幅最大，在NaOH+石膏的摻量為10%時(shí)，其3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了12.47、14.85、19.49 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)未加激發(fā)劑時(shí)的4.32、5.37、11.88 MPa，結(jié)合表4可知，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單加NaOH或石膏的情況。這說(shuō)明NaOH+石膏的復(fù)合激發(fā)更有利于免燒鋼渣陶?？箟簭?qiáng)度的提高，這可能是由于NaOH和石膏起到了一個(gè)相互促進(jìn)的作用，一方面NaOH的加入比例合適，提供了良好的堿性環(huán)境，能夠較好地溶蝕鋼渣玻璃體，釋放出硅鋁鐵等活性成分，另一方面石膏又提供了一定的Ca2+，且本身具有膠結(jié)性，從而極大地提高了免燒鋼渣陶粒的強(qiáng)度。而在NaOH+CaCl2和NaOH+水玻璃的復(fù)合激發(fā)下，其3 d和7 d的抗壓強(qiáng)度均分別低于單加CaCl2或水玻璃的情況，28 d的情況則相反。這可能是由于CaCl2和水玻璃更有利于免燒鋼渣陶粒早期強(qiáng)度的提高，而NaOH則對(duì)后期強(qiáng)度的影響較大。NaOH +CaCl2+水玻璃的復(fù)合激發(fā)效果要低于這三者中任意一種單一激發(fā)劑的激發(fā)效果，甚至在28 d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度要低于未加激發(fā)劑時(shí)的情況。

表5 復(fù)合激發(fā)劑制備的免燒鋼渣陶粒不同齡期的抗壓強(qiáng)度Table 5 Compressive strength of the non-sintered steel slag ceramsite activated by composite activators at different curing periods

這可能是由于膠凝體系中生成了沒(méi)有膠凝性的沉淀物質(zhì)，覆蓋在鋼渣表面，影響了鋼渣的活化。

上述試驗(yàn)表明，復(fù)合激發(fā)劑NaOH+石膏對(duì)免燒鋼渣陶粒抗壓強(qiáng)度提高效果最顯著。

2.2 NaOH+石膏復(fù)合激發(fā)對(duì)免燒鋼渣陶粒水化礦物相的影響

為了確定復(fù)合激發(fā)劑NaOH+石膏激發(fā)鋼渣后的水化產(chǎn)物，在該復(fù)合激發(fā)劑下進(jìn)行了純鋼渣激發(fā)試驗(yàn)。其中鋼渣摻量為85%，NaOH+石膏摻量為15%，砂膠比和水膠比仍維持在1∶6和1∶3不變。自然養(yǎng)護(hù)3、7、28 d，抗壓強(qiáng)度分別為14.53、17.46、17.87 MPa，并對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d后的免燒鋼渣陶粒粉磨制樣，其XRD圖譜見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，在NaOH+石膏的復(fù)合激發(fā)作用下，鋼渣水化后的主要結(jié)晶相為SiO2和鈣鐵輝石，而原鋼渣本身是一種經(jīng)急冷后所形成的沒(méi)有完整結(jié)晶相的玻璃體。這說(shuō)明在NaOH+石膏的激發(fā)作用下，鋼渣的玻璃體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到破壞，釋放出了活性硅鋁成分，在堿性環(huán)境下與鈣、鐵等物質(zhì)形成了具有膠凝性的硅酸鹽礦物。

圖4 NaOH+石膏激發(fā)純鋼渣水化28 d的XRD圖譜

3 結(jié) 論

(1)在單一激發(fā)劑激發(fā)試驗(yàn)中，NaOH、石膏、CaCl2和水玻璃都對(duì)鋼渣具有一定的激發(fā)作用，其中NaOH和CaCl2更有利于免燒鋼渣陶粒后期強(qiáng)度的提高，石膏和水玻璃更有利于提高其早期強(qiáng)度，而對(duì)后期強(qiáng)度增幅減緩，甚至出現(xiàn)下降；CaO在激發(fā)過(guò)程中因體積膨脹出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了免燒鋼渣陶粒的強(qiáng)度。

(2)鋼渣的活性激發(fā)作用主要可分為3種：激發(fā)劑本身具有膠結(jié)性的直接化學(xué)激發(fā)作用，破壞鋼渣玻璃體結(jié)構(gòu)、生成新組分的間接化學(xué)激發(fā)作用以及二者的復(fù)合化學(xué)激發(fā)作用。

(3)NaOH+石膏組成的復(fù)合激發(fā)劑對(duì)鋼渣的激發(fā)效果最好，在摻量為10%時(shí)，免燒鋼渣陶粒3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了12.47，14.85和19.49 MPa。

(4)鋼渣在NaOH+石膏的復(fù)合激發(fā)下，玻璃體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到破壞，溶蝕出的活性組分生成的水化產(chǎn)物為鈣鐵輝石，有效提高了鋼渣的膠凝性。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Effect of Different Activators on Compressive Strength of Non-sintered Steel Slag Ceramsite

Yi Longsheng Kang Luliang Qi Lina Li Hang Li Qirong(SchoolofMineralProcessing&Bioengineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

Compressive strength of non-sintered steel slag ceramsite，being added of different reagents of NaOH，CaO，gypsum，CaCl2，sodium silicate，curing at 3,7,28 d are detected.Effect of various activators on the compressive property of non-sintered steel slag ceramsite is analyzed and compared.The hydrate products of steel slag generated after activation are finally determined by XRD analysis.The test results show that the activators can destroy the vitreous network structure of the steel slag and release active ingredients sealed inside，such as ferro-silico aluminium，among which，the composite activator made up of NaOH and gypsum(ratio of which is 1∶1) has the best activation effect on non-sintered steel slag ceramsite.Activated by this activator，the hydrated mineral phase generated from steel slag is hedenbergite.

Steel slag，Non-sintered ceramsite，Activator，Compressive strength

2014-11-01

易龍生(1964—)，男，所長(zhǎng)，教授，碩士。

TD926.4

A

1001-1250(2015)-01-166-05