高健，王曉磊，李軍，李彥蒼，劉歷波

（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 前言

高爐礦渣是冶鐵過程中產(chǎn)生的具有火山灰活性的工業(yè)廢渣，鐵礦石中的脈石以及焦炭燃燒后剩余的粉末（主要成分為SiO2、Al2O3）與堿性助熔劑中的CaO、MgO結(jié)合形成低熔點化合物，在高爐內(nèi)熔化為具有流動性的高爐礦渣。高爐礦渣主要成分為SiO2、CaO、Al2O3，還有MgO、FeO等氧化物和一些硫化物。液態(tài)的高爐礦渣從高爐中排出經(jīng)過高壓水水淬形成?；郀t礦渣，?；郀t礦渣可以作為高爐礦渣粉、硅酸鹽水泥、礦渣棉、微晶玻璃的主要原料。其來源廣、成本低，符合國家綠色發(fā)展的要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

基于國家綠色發(fā)展的理念和礦渣應(yīng)用的廣泛性。齊兆軍等[1]利用礦渣代替部分水泥作為主要原料制備新型膠凝材料，來降低充填采礦的成本，通過正交試驗篩選各試驗因素的最佳配合比，探明不同的激發(fā)劑對膠體早期強(qiáng)度的催化作用；孫雙月[2]研究發(fā)現(xiàn)，以礦渣和粉煤灰為原料，將水玻璃和氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑制備地聚物，礦渣和粉煤灰的配比對試樣的早期強(qiáng)度影響顯著，而水灰比影響試樣后期的抗壓強(qiáng)度，最佳的礦渣和粉煤灰配比為1∶1，水灰比為0.4，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，低聚物反應(yīng)會更加充分，生成的硅鋁酸鹽凝膠物會將未反應(yīng)的物料顆粒緊密連接在一起，從而提高了試樣的強(qiáng)度；趙旭光等[3]選用轉(zhuǎn)爐鋼渣粉、礦渣、石灰石粉和粉煤灰粉為原材料進(jìn)行了高性能的礦渣基膠凝材料的研究；黨永發(fā)等[4]通過使用礦渣水泥基膠凝材料進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計并主要研究了礦渣的摻入對混凝土的路用性能包括混凝土的工作性、力學(xué)強(qiáng)度、抗?jié)B性能和耐磨性能等的研究。上述研究成果為高爐礦渣制備膠凝材料提供了切實可行的方法，但是針對高爐礦渣替代黏土制備免燒磚的研究鮮有涉及，此外，在礦渣資源中，以粒徑分布窄和粒徑細(xì)小的礦渣難以得到大規(guī)模利用，易造成揚(yáng)塵等環(huán)境污染，是礦渣處理的主要難題。以高爐礦渣為主要原料，采用正交試驗的方法找出最佳的配合比，確定影響免燒磚強(qiáng)度的因素，明確免燒磚強(qiáng)度形成的反應(yīng)機(jī)理，為礦渣制備免燒磚提供理論支持。

1 試驗

1.1 原材料

（1）高爐礦渣：S95級，通過X射線熒光光譜儀分析，高爐礦渣主要元素含量如表1所示，高爐礦渣主要成分為SiO2、CaO、Al2O3，屬酸性礦渣，比表面積為420m2/kg，礦渣的粒徑范圍為40～80μm，顆粒較細(xì)，易于早期的活化反應(yīng)，有利于料漿的制備。

（2）粉煤灰：Ⅰ級，所含礦物晶體包括鈣長石、硅酸鈣、方解石等，通過X射線光譜儀分析，粉煤灰主要元素含量如表1所示，主要成分為SiO2和Al2O3。

表1 高爐礦渣、粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

（3）水泥：P·O42.5水泥。

（4）生石灰：選用生石灰作為激發(fā)劑，其CaO含量為95.7%，屬于優(yōu)質(zhì)生石灰。加入的生石灰遇水反應(yīng)生成Ca（OH）2，為水化反應(yīng)提供堿性環(huán)境，同時放出熱量，加快水化反應(yīng)速率，能夠提高試塊的早期抗壓強(qiáng)度。

1.2 試驗

1.2.1 探索性試驗

采用正交試驗[5-6]方法，確定石灰質(zhì)量百分比（A）、高爐礦渣質(zhì)量百分比（B）、水泥質(zhì)量百分比（C），粉煤灰質(zhì)量百分比由石灰、高爐礦渣、水泥三因素共同決定，每一因素取3水平，正交設(shè)計因素與水平見表2。水固比設(shè)計為0.15，根據(jù)正交試驗設(shè)計方案選取物料，物料經(jīng)過水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌混合，將攪拌均勻的物料倒入直徑為100 mm的特制模具，采用壓力試驗機(jī)將物料壓實60 s成型，隨后用脫模機(jī)將壓實的試塊進(jìn)行脫模處理，將脫模完成的試塊編號然后放入溫度20℃、濕度90%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3、7、28 d。采用壓力試驗機(jī)測試試塊的抗壓強(qiáng)度，每組試驗取3個試塊，取最終的平均值作為試驗結(jié)果。正交試驗設(shè)計及抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗因素水平

分析表3可知，5#組的3d和7 d抗壓強(qiáng)度為正交試驗最優(yōu)值，各物料組合為石灰質(zhì)量百分比為10%，礦渣質(zhì)量百分比為55%，水泥質(zhì)量百分比為10%，粉煤灰質(zhì)量百分比為25%。

表3 正交試驗設(shè)計結(jié)果

1.2.2 試樣成型制備及測試方法

本實驗采用的儀器包括：梅特勒-托利多儀器有限公司的電子天平、無錫建儀儀器機(jī)械有限公司的水泥膠砂攪拌機(jī)、滄州路凱實驗儀器有限公司的養(yǎng)護(hù)箱、濟(jì)南中昌路試驗機(jī)制造有限公司的TYA-2000型數(shù)縣壓力試驗機(jī)。

將高爐礦渣、石灰、粉煤灰、水泥按一定質(zhì)量比混合加入容器中，用水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌90 s，在攪拌的過程中加水，水固比為0.15。將攪拌完成的物料倒入特制的模具中，將其放入壓力試驗機(jī)中以恒壓20MPa持續(xù)加壓60 s，隨后用脫模機(jī)將試塊脫模進(jìn)行編號放入養(yǎng)護(hù)箱中。

將達(dá)到養(yǎng)護(hù)時間的試塊放入壓力試驗機(jī)下，對試塊進(jìn)行均勻緩速的加壓直到試塊表面發(fā)生破裂并且壓力機(jī)的壓力值不再明顯增加為止，此時進(jìn)行壓力機(jī)的讀數(shù)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 成型壓力對高爐礦渣免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

試驗配合比為m（高爐礦渣）∶m（石灰）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）=11∶2∶5∶2，研究成型壓力對高爐礦渣免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 成型壓力對免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可知，當(dāng)壓力機(jī)成型壓力增大時，免燒磚3 d和7 d抗壓強(qiáng)度都呈上升的趨勢。當(dāng)免燒磚的成型壓力在10～20 MPa時，抗壓強(qiáng)度的增幅較大，在20～30 MPa時，抗壓強(qiáng)度的增幅放緩，繼續(xù)增加壓力時免燒磚試樣的強(qiáng)度增加效果會減弱，3d免燒磚抗壓強(qiáng)度的變化和7 d變化趨勢類似。這是因為當(dāng)成型壓力增大時，物料顆粒之間會更加趨于緊密，生成的硅酸鈣等物相可以獲得更好的膠凝效果，使得物料之間的黏結(jié)力更大，得到的試樣的強(qiáng)度性能更好[7-9]。而當(dāng)成型壓力超過20 MPa時，反應(yīng)物料之間的摩擦力會增大，反而會阻礙物料之間反應(yīng)的進(jìn)行，所以抗壓強(qiáng)度的增加趨于平緩。綜合加壓效果和強(qiáng)度效果，當(dāng)成型壓力為20 MPa時，成型后的免燒磚試樣的抗壓強(qiáng)度為21.32 MPa，強(qiáng)度符合JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》MU20免燒磚的要求。

2.2 礦渣摻量對免燒磚強(qiáng)度的影響

在上述正交試驗的基礎(chǔ)上再進(jìn)行單因素驗證試驗，以下試驗中所有試驗輔助材料的摻量均采用外摻法計算。固定m（石灰）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）=2∶5∶2時，成型壓力為20 MPa，通過改變高爐礦渣[10]的摻量，以7 d免燒磚抗壓強(qiáng)度為考察指標(biāo)，探討礦渣摻量對免燒磚力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表5。

表5 礦渣摻量對免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

由表5可知，高爐礦渣用量從40%增加到55%的過程中，免燒磚的抗壓強(qiáng)度不斷提高，這是由于一方面礦渣中的活性硅組分與熟石灰化學(xué)反應(yīng)生成了水化硅酸鈣等膠凝相，另一方面礦渣中的鈣元素也與熟石灰和水泥反應(yīng)生成了鈣礬石等物質(zhì)，同時礦渣也在免燒磚中充當(dāng)骨料，在成型的過程中傳遞壓力，提高了免燒磚的強(qiáng)度[11-12]。當(dāng)?shù)V渣的摻量超過55%時，免燒磚強(qiáng)度反而下降，這是因為膠凝相的含量不足以將礦渣中未反應(yīng)的組分完全粘結(jié)在一起，反而多余的礦渣會阻礙化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而對免燒磚的強(qiáng)度的形成產(chǎn)生負(fù)面影響。綜合考慮，確定礦渣的摻量為55%。

2.3 水泥摻量對免燒磚強(qiáng)度的影響

對于礦渣采用半干法壓制免燒磚而言，因為水泥是一種能夠水化生成膠凝相的物料，所以水泥是決定其力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)。在固定水固比為0.15，成型壓力為20 MPa，在m（石灰）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）=2∶5∶11的情況下，考察水泥摻量對免燒磚力學(xué)性能的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 水泥摻量對免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可知，當(dāng)未加入水泥時，初期各物料之間難以形成粘結(jié)力，物料內(nèi)部處于松散狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于要求。由于試塊是壓制成型，而隨著水泥摻量的增加，水泥顆粒和礦渣、粉煤灰緊密度和接觸面都會增大，再隨著水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，能夠?qū)⒌V渣顆粒和物料膠結(jié)在一起，另外，水泥水化的過程會生成Ca（OH）2，這能夠為免燒磚中的活性成分提供堿性環(huán)境，促進(jìn)水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，此時的試塊的強(qiáng)度會出現(xiàn)大幅度提高[13]。在水泥摻量為10%時強(qiáng)度的提升較為明顯，較水泥摻量為5%時抗壓強(qiáng)度提升了67%。在水泥摻量超過10%時，強(qiáng)度的提升開始趨于平緩，同時礦渣的利用率也會降低?？紤]到實驗的目的是能夠大量利用礦渣資源，同時較多水泥的消耗會增加礦渣磚的成本，因此水泥的摻量控制在10%左右最為合理。

2.4 石灰摻量對免燒磚強(qiáng)度的影響

石灰能夠與含硅材料反應(yīng)生成硅酸鈣等膠凝相[14]，將各種物料膠結(jié)在一起形成具有一定強(qiáng)度的骨架，能夠提高免燒磚的力學(xué)性能。在固定水固比為0.15，成型壓力為20 MPa，在m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦渣）=2∶5∶11的情況下，改變免燒磚石灰摻量的7 d抗壓強(qiáng)度如表7所示。

表7 石灰摻量對免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可知，抗壓強(qiáng)度隨著石灰摻量的增加先提高后降低。當(dāng)石灰摻量為0時，免燒磚無法成型，這是由于礦渣中的主要活性成分為SiO2、Al2O3，在缺乏激發(fā)劑的條件下無法顯現(xiàn)出活性[15]，依靠單純的物理作用加以施壓難以將物料結(jié)合在一起，脫模的時候物料呈現(xiàn)松散的狀態(tài)。隨著石灰摻量的增加，石灰和原料中的硅質(zhì)材料和鋁質(zhì)材料水化生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，更多的膠凝相將物料結(jié)合在一起，從而使免燒磚的強(qiáng)度不斷提升。當(dāng)石灰摻量超過10%時，原料中的硅組分和鋁組分不足以與多余的石灰完全發(fā)生反應(yīng)，而且石灰本身的水化活性有限，與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3導(dǎo)致石灰失效，同時導(dǎo)致免燒磚的抗壓強(qiáng)度降低。因此，石灰的最佳摻量為10%，反應(yīng)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)式見下式。

3 結(jié)論

（1）利用高爐礦渣為主要原料，在m（礦渣）∶m（粉煤灰）∶m（石灰）∶m（水泥）=11∶5∶2∶2，水固比0.15，成型壓力20 MPa的條件下，制備的免燒磚滿足JC/T422—2007中MU20的強(qiáng)度等級要求。其3 d、7 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到19.32 MPa和23.45 MPa。

（2）石灰能作為激發(fā)劑，同時為反應(yīng)的發(fā)生提供堿性環(huán)境，隨著養(yǎng)護(hù)時間的推長，生成更多的水化硅鋁酸鹽等膠凝狀產(chǎn)物，將各種物料顆粒緊密結(jié)合在一起，使得免燒磚的結(jié)構(gòu)更加緊密，從而有利于免燒磚強(qiáng)度的提高，能夠使免燒磚在較短的養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，滿足工業(yè)化的生產(chǎn)要求。