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碱激发矿渣和熟料胶凝材料体系水化热研究【摘要】本文通过参照相关国家标准试验方法，对不同原材料性能的情况下，碱激发矿渣和熟料胶凝材料的水化热进行了研究，试验发现随矿渣掺量提高，体系早期水化放热速率降低，初始峰变化不大，但附加峰降低且延后，诱导期延迟，加速峰降低。
当木钙掺量提高时，水化放热速率初始峰值提高，诱导期延迟。
随碳酸钠掺量提高，体系放热速率的初始峰值提高且提前，附加峰值提高且提前加速峰提高且提前。
【关键词】碱激发;矿渣;水泥熟料;水化热0.前言碱胶凝材料体系中碱作为结构形成的组分，这种胶凝体系相对传统胶凝体系具有高强、快凝、低热、耐久、节能等优点。
矿渣、熟料胶凝材料采用无水碳酸钠作为碱性激发剂激发矿渣，硅酸盐水泥熟料的掺入可以有效调整用低碱性矿渣所配碱性水泥的分散相碱度，与碳酸钠激发的碱矿渣水泥相比，对矿渣有较好的激发作用，改善碱性水泥的性能，对其物理性能的研究具有重要的现实意义．1.试验方案设计及原材料选择1.1试验方案胶凝材料水化热影响，研究其它条件一定时，Na2O当量对胶结材标水化热的影响；矿渣掺量对胶结材水化热的影响；木钙等对水化热的影响。
通过控制单一指标变化进行研究。
1.2原材料1.2.1胶凝材料（1）水淬高炉矿渣，活性系数（Al2O3/SiO2）为0.37，碱性系数1.07。
（2）熟料，CaO含63.6%，SiO2含20.2%，Al2O3含5.89%，Fe2O3含3.92%。
1.2.2激发剂及外加剂（1）无水碳酸钠（分析纯）（2）木质素磺酸钙，推荐掺量0.2%~0.5%2.试验结果及分析人们对碱-矿渣水泥的水化放热特性进行了大量的研究并认识到矿渣本身的特性、激发剂的种类及掺量对碱矿渣水泥的水化放热特征都有非常大的影响，本体系与在诱导期之前出现一个主初始峰和一个附加初始峰，在诱导期之后出现一个加速峰。
由于随碳酸钠的掺量增加，初始碱度提高，主初始峰逐渐升高，而附加峰逐渐降低，可推断CO32-参与主初始峰的反应，初始峰可以归结于熟料中铝酸三钙的水化和碳酸钠-矿渣-熟料体系中矿渣及熟料的润湿和溶解及从熟料和矿渣溶解出来的Ca2+和由激发剂溶解出来的阴离子基团（CO32-）之间的反应。
碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能研究作者：彭小芹等来源：《湖南大学学报·自然科学版》2015年第06期摘要：通过对胶凝材料强度、水化热的测定和对水化产物种类及表观形貌的分析，探讨了缓凝剂和钢渣掺量对碱激发钢渣矿渣胶凝材料性能的影响，并对其水化特性进行了研究.结果表明：钢渣掺量为40%、矿渣掺量为60%时，外掺6%水玻璃激发剂和1%的K缓凝剂，所制得的胶凝材料的凝结时间和强度可以达到42.5 R普通硅酸盐水泥的技术要求；碱激发钢渣矿渣胶凝材料的放热特性与碱激发矿渣胶凝材料类似，具有放热量小的特点；钢渣与矿渣组合有利于胶凝体系水化进程的发展，两者具有相互促进的作用.关键词：性能；钢渣矿渣；胶凝材料；碱激发；水化产物中图分类号：TQ172.78 文献标识码：AAbstract：The effect of retarders， the dosage of steel slag on the properties of alkaliactivated steel slagslag based cementitious materials and the hydration characteristics of complex binding material were studied by the determination of strength and hydration heat evolution as well as type of hydration products and micromorphology of hardened paste. The results show that the properties of the setting time and the strength of binding material， with a composition of steel slag of 40%， blast furnace slag of 60 %， alkali activator of 6% and retarder K of 1%， can match the standard of grade 42.5R ordinary Portland cement. The hydration heat release characteristics of alkaliactivated steel slagslag based cementitious materials are similar to alkaliactivated slag cement， and the accumulative heat is limited. Steel slag and slag have a positive interaction， and the combination is beneficial to the development of the hydration process of the system.Key words：properties； steel slagslag； cementitious materials； alkali activated； hydration products钢渣是炼钢时所产生的废渣，其产量约占粗钢产量的12%～15%.近年来，随着钢铁工业的发展，钢渣产量迅猛增长，2012年我国钢渣产量约为1亿t，但综合利用率只有10%左右[1]，且多为低附加值的应用，如填埋、作路基等，大量钢渣被闲置堆积起来，对环境造成影响.我国排放的钢渣大多为转炉钢渣，其化学和矿物组成都与水泥熟料相近，含有较多的C2S （硅酸二钙）和C3S（硅酸三钙）.但钢渣的形成温度（1 650 ℃）较高，且多为自然冷却，常温活性很低，因此，被称为“过烧的水泥熟料”，具有潜在的胶凝活性[2].目前，多采用物理激发，化学激发等方法来激发钢渣活性，但是钢渣的化学成分波动较大，水化活性低，还可能产生安定性不良等问题[3-4]，这些都限制了钢渣的实际应用.研究发现钢渣与矿渣组合后，用水玻璃做激发剂能得到性能较好的胶凝材料[5].本文通过对碱激发钢渣矿渣胶凝材料（以下简称钢渣矿渣胶凝材料）强度的测试、反应过程水化热的测定、反应产物的XRD和SEM分析，研究了钢渣矿渣胶凝材料的凝结硬化性能及其水化反应的机理.探讨了钢渣作为胶凝材料使用的可行性和应用前景.1原材料及实验方法1.1原材料及配合比实验用钢渣为莱芜钢厂的转炉钢渣，勃氏法测定比表面积476 m2/kg.矿渣为重庆钢铁厂的水淬高炉矿渣，勃氏法测定比表面积517 m2/kg.钢渣与矿渣的化学成份见表1.激发剂为重庆井口化工厂生产的水玻璃，模数为2.64，用NaOH调整模数至1.3.1.2实验方法胶凝材料的凝结时间测定参照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》从中水泥凝结时间测定方法，将水胶比固定为0.4.胶砂强度测试参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，水化热测定参照GB/T 12959-2008《水泥水化热测定方法》.微观测试采用净浆试件，水胶比为0.4，标准养护至龄期后采用无水乙醇终止水化，并于60 ℃烘干.RigakuD/max1200 X射线衍射仪（Cu靶）分析胶凝材料水化产物的矿物组成，TESCAN VEGA Ⅲ扫描电子显微镜高真空条件下观察胶凝材料水化产物的表观形貌.2结果及分析2.1缓凝剂对胶凝材料凝结时间及强度的影响钢渣矿渣胶凝材料组成中钢渣和矿渣的质量分数分别为40%和60%.不同缓凝剂对胶凝材料凝结时间及强度的影响见表3和图2.由表3可以看出，不掺缓凝剂的S0组凝结过快，因此，必须掺加缓凝剂调整凝结时间.5种缓凝剂中K和N的缓凝效果较好.当K掺量为1%或N掺量为4%时，胶凝材料的凝结时间能够满足通用水泥初凝时间不早于45 min的要求.由图2可以看出，3种缓凝剂的掺量较低时，其对胶凝材料的抗压强度的影响不大，随着缓凝剂掺量的增大，胶凝材料的28 d抗压强度均呈现不同程度的下降，说明缓凝剂对胶凝材料的28 d抗压强度有一定的负面影响.掺K缓凝剂的A2组28 d抗压强度达到S0组的94.3%，掺N缓凝剂的B3组28 d抗压强度达到S0组的86.9%.综合考虑凝结时间和强度，1%K缓凝剂的缓凝效果最优.以下研究均采用1%的K做缓凝剂.K缓凝剂具有良好的缓凝效果是由于其所含的阳离子能够与水玻璃发生反应，迅速形成一种在碱性环境中相对稳定的水化产物膜，该膜能包覆在矿渣颗粒表面，从而削弱碱组分中OH-对矿渣强烈的结构解体作用[7]，也能包覆在钢渣颗粒表面，减少钢渣中Ca2+的溶出.随着水化反应的进行，水化产物包覆膜逐渐被破坏，钢渣和矿渣的水化反应得以继续进行.2.2钢渣掺量对胶凝材料强度的影响随着钢渣掺量的增加，胶砂抗压强度和抗折强度有不同程度的降低.根据相关文献，钢渣的水化反应与矿渣的水化反应能够相互促进[5].由图3（a）可以看出，当钢渣掺量低于30%时，抗压强度下降较为缓慢，这是由于随着钢渣的增多，其不断增强的水化作用在一定程度上补偿了因矿渣减少对抗压强度的负面影响.当钢渣掺量增加到40%时，这种补偿作用达到最大，各龄期抗压强度下降更为缓慢.当钢渣掺量超过40%时，除3 d强度之外，各龄期抗压强度均大幅下降.这是由于钢渣掺量较大时，其水化释放的大量Ca2+难以被相对较少的矿渣吸收，矿渣和钢渣的进一步水化均受到抑制，体系中胶凝性水化产物的生成量减少，硬化浆体的孔隙率增高，导致其强度降低较多.由图3（b）可看出，随着钢渣掺量的增加，抗折强度逐渐降低的趋势与抗压强度大致相同.掺40%钢渣的胶凝材料的3 d，28 d抗压强度分别为25 MPa，51.4 MPa；3 d，28 d抗折强度分别为4.03 MPa，8.32 MPa，均能达到42.5R普通硅酸盐水泥的强度技术指标.在以后的研究中均采用钢渣和矿渣的质量分数分别为40%和60%.2.3钢渣矿渣胶凝材料的水化放热特性分别对4组胶凝材料的水化热进行测定，测定结果如图4所示.图中NS表示激发剂掺量.由图4可以看出，对照组普通硅酸盐水泥的水化放热曲线W4以下面积要明显大于曲线W1，W2和W3，其放热量为237.48 J/g，所以碱矿渣胶凝材料和钢渣矿渣胶凝材料的放热量要低于普通硅酸盐水泥.表明碱矿渣胶凝材料和钢渣矿渣胶凝材料具有水化放热量低的优点.对W1和W3两种胶凝材料单位质量的放热量进行测定，发现水化反应120 h后，在钢渣掺量达到40%的情况下，W1的放热量为127.08 J/g仅略低于W3的144.99 J/g，表明钢渣发生了水化反应，对放热有贡献.两者的放热历程基本相同，均在水化初期出现第一个放热峰，10 h左右出现放热低谷，在20 h左右出现第二个放热峰.这可能是因为早期形成的各种水化产物包裹在未反应的矿渣和钢渣颗粒表面，随着水化反应的进行包裹层变厚，延缓了碱组分与钢渣和矿渣的反应，在图4中表现为放热速率降低[8].随着反应的持续进行，膜的渗透压力变大，水化产物膜逐渐被破坏，钢渣和矿渣的反应速率增大，出现水化放热峰.由图4还可以看出，W2放热峰要比W1后移，且峰值稍低，说明缓凝剂起到了延迟水化进程的作用.2.4碱激发纯钢渣的水化产物分析为进一步研究钢渣的水化过程，首先对碱激发纯钢渣的水化产物进行了微观分析.图5为碱激发钢渣水化3 d，28 d时水化产物的XRD图谱.图6为碱激发钢渣水化3 d，28 d时水化产物的SEM照片.由图5可以看出3 d时，钢渣已经发生水化反应，生成了CSH，CSAH和托勃莫来石等水化产物.由图6（a）可以看出，3 d时，钢渣水化生成了少量六方板状的Ca（OH）2晶体，但在相应的XRD图中Ca（OH）2的衍射峰强度很低，没有标出，表明钢渣水化初期释放了Ca2+，但释放量较少.由图5中28 d的XRD曲线还可以看出，钢渣水化产物中CSH凝胶的衍射峰增多，有强度很高的Ca（OH）2衍射峰，还有CaAl12O19等复杂的水化产物，表明钢渣的水化在持续进行.对应图6（b）可看到，钢渣水化28 d后，生成了大量片状的Ca（OH）2晶体和絮凝状的CSH凝胶.钢渣28d的水化产物XRD图中仍有C2S和C3S衍射峰的存在，这表明碱激发纯钢渣不能完全激发其活性，需要考虑与其他材料组合.2.5碱激发钢渣矿渣胶凝材料的水化产物分析图7为碱激发钢渣矿渣胶凝材料水化3 d，28 d时水化产物的XRD图谱.图8为碱激发钢渣矿渣胶凝材料水化3 d，28 d时水化产物的SEM照片.由图7可以看出，钢渣矿渣胶凝材料水化3 d后，生成了CSH凝胶和CSAH（铝硅酸钙）等水化产物，但钢渣水化不完全，仍然有较多的C2S、C3S存在.由图8（a）可以看出，胶凝材料水化产生了大量的絮凝状CSH凝胶，结构较为松散.钢渣发生了水化反应，但水化进程较慢，部分钢渣颗粒外层生成了少量的水化产物附着在颗粒表面（如8（a）点h），这与XRD的分析结果相吻合.由图7还能看出，28 d 水化产物的XRD图中新出现了沸石类矿物，且C3S的衍射峰消失，这表明随着时间的延长，胶凝材料的水化产物增多，钢渣的主要活性成分逐渐发生水化反应，活性矿物减少.由图8（b）可以看出，28 d时絮凝状物质消失，形成一个非常密实的板状结构.图7和图8中均未发现有Ca（OH）2晶体存在，这可能是因为钢渣水化产生的Ca （OH）2提供了Ca2+和OH-.OH-能够提高液相的碱度，加速了矿渣结构的解体.矿渣中钙的含量较低，解体后的矿渣吸收了钢渣水化产生的Ca2+，生成了大量的水化产物.矿渣吸收了溶液中的Ca2+后，使得Ca2+的浓度降低，这又促进了钢渣的进一步水化反应[5]，因此可以认为碱激发钢渣和矿渣对水化反应起到了较好的相互促进的作用，有利于胶凝体系水化进程的发展.3结论1）在6%水玻璃激发下，当钢渣掺量为40%、矿渣掺量为60%时，以1%K做缓凝剂，钢渣矿渣胶凝材料28 d抗压强度达到51.4 MPa，其凝结时间和力学性能可以满足42.5R普通硅酸盐水泥的技术指标.2）碱钢渣矿渣胶凝材料的水化放热特性与碱矿渣胶凝材料类似，放热量远小于普通硅酸盐水泥，加缓凝剂能够有效延迟放热峰并减小放热量.3）碱激发纯钢渣不能完全激发钢渣活性，钢渣水化后生成了大量片状的Ca（OH）2晶体和絮凝状的CSH凝胶，钢渣矿渣胶凝材料的水化产物中未发现有Ca（OH）2存在.钢渣与矿渣组合有利于胶凝体系水化进程的发展，两者具有相互促进的作用.参考文献[1]郭家林，赵俊学，黄敏.钢渣综合利用技术综述及建议[J].中国冶金，2009，19（2）：35-38.GUO Jialin， ZHAO Junxue， HUANG Min. Technical summary and suggestions of comprehensive utilization of steel slag[J]. China Metallurgy， 2009，19（2）：35-38.（In Chinese）[2]SHI Caijun. QIAN Jueshi. High performance cementing materials from industrial slags[J]. Resources Conservation and Recycling，2000，（29）：195-207.[3]HU S G， JIANG C S， WEI F X. Research on hydration of steel slag cement activated with waterglass[J].Journal of Wuhan University of TechnologyMater Sci Ed，2001，16（1）：372-401.[4]肖琪仲. 钢渣的膨胀破坏与抑制[J]. 硅酸盐学报， 1996， 24（6）：635-640.XIAO Qizhong. The expansive destruction and inhibition of steel slag[J]. Journal of The Chinese Ceramic Society， 1996， 24（6）：635-640. （In Chinese）[5]张同生，刘福田，李义凯，等.激发剂对钢渣胶凝材料性能的影响[J].建筑材料学报，2008，11（4）：469-474.ZHANG Tongsheng， LI Futian， LI Yikai， et al. Influence of activators on the properties of steel slag cementitious materials[J]. Journal of Building Materials， 2008，11（4）：469-474.（In Chinese）[6]MASON B. The constitution of some openheart Slag [J].Journal of Iron and Steel Institute，1994 （11）：69-80.[7]何娟，杨长辉，康苏芳.碱矿渣水泥缓凝问题的研究进展[J].硅酸盐通报，2010，29（5）：1093-1097.HE Juan， YANG Changhui， KANG Sufang. Research progress on problem of retarding of alkaliactivated slag cement[J]. Bulletin of Chinese Ceramic Society， 2010，29（5）：1093-1097.（In Chinese）[8]蒲心诚.碱矿渣水泥与混凝土[M].北京：科学出版社，2010：53-55.PU Xincheng. Alkaliactivated slag cement and concrete[M].Beijing： Science Press， 2010：53-55.（In Chinese）。
电解锰渣论文：电解锰渣—碱复合激发制备矿渣胶凝材料的研究【中文摘要】利用工业废渣生产水泥胶凝材料是实现其减量化、资源化及无害化利用的有效途径,具有重大的经济、社会及环境意义。
电解锰渣作为一种富含硫酸钙的工业废渣,可以作为一种硫酸盐激发剂用于复合胶凝材料的生产。
粒化高炉矿渣(以下简称矿渣)是一种具有潜在水化活性的工业废渣,在碱激发剂存在的条件下能发生水化而胶凝。
本文在对电解锰渣成分特性研究的基础上,将经过处理的电解锰渣用于电解锰渣-碱复合激发矿渣胶凝材料的制备,并对该胶凝材料的强度等性能进行了较为系统的研究,对其激发机理进行初步的探索,获得以下的结果：XRD、SEM及EDS分析显示,电解锰渣的主要成分为CaSO4·2H2O及Si02。
对电解锰渣进行煅烧处理会使其中的硫酸钙晶型发生变化,当煅烧温度在120℃时,硫酸钙以CaSO4·0.67H2O 的形态存在；当煅烧温度为250℃时主要是CaSO4·0.5H2O的形态；当煅烧温度超过350℃时,硫酸钙转变为无水形态存在,并且经450-550℃煅烧温度煅烧后其溶解度最大,超过550℃则以溶解度小的无水硬石膏的形态存在。
对掺入矿渣胶凝材料中的电解锰渣进行热处理及机械球磨处理,以提高其对矿渣的活性激发性能。
结果显示,将电解锰渣球磨18 min,在350℃条件下煅烧1h后对矿渣有较好的激发作用。
在所配制的矿渣胶凝材料体系中,矿渣作为主料,电解锰渣、Ca(OH)2及熟料作为复合激发剂。
电解锰渣起到硫酸盐激发作用,Ca(OH)2和熟料起到碱激发作用。
实验结果显示,Ca(OH)2能有效的激发矿渣的早期活性,有利于矿渣胶凝材料的早期强度的发展。
熟料对后期强度发展的影响较大,合理增加熟料的掺入量有利于增强体系的后期强度,熟料的合理掺入范围为30-70%。
正交试验结果显示,激发剂掺入比为电解锰渣:Ca(OH)2:熟料为(20-30)：(4-6)：12,并且其掺入量在20-30%较为合理。
碱激发矿渣-钢渣复合胶凝体系的性能研究
郭启龙;杜磊;华亮;高敏;刘荣浩;艾妮萨加帕尔
【期刊名称】《新型建筑材料》
【年(卷),期】2024(51)1
【摘要】以氢氧化钠和水玻璃为激发剂制备矿渣-钢渣复合胶凝材料,研究矿渣掺量、碱当量和水玻璃模数对复合胶凝材料抗压强度的影响,并采用XRD、SEM对硬化试样的显微形貌和水化产物组成进行了分析。
结果表明:随矿渣掺量减少,抗压强度降低。
随碱当量的增加,抗压强度先提高后降低,碱当量为11%时强度达到最高。
随水玻璃模数的增大,抗压强度先提高后降低,当水玻璃模数为1.2时强度达到最高。
水
化产物主要为CaCO3、C-S-H凝胶、C-A-S-H凝胶、托贝莫来石及RO惰性相。
【总页数】6页(P108-113)
【作者】郭启龙;杜磊;华亮;高敏;刘荣浩;艾妮萨加帕尔
【作者单位】西北民族大学土木工程学院;甘肃省新型建材与建筑节能重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TU526
【相关文献】
1.碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能研究
2.复合激发剂对钢渣-矿渣基胶凝材
料性能的影响3.碱激发偏高岭土/矿渣复合胶凝体系反应水平及影响因素分析4.钢渣——矿渣复合胶凝材料的制备及胶凝活性激发试验研究5.掺硅灰和碱渣的碱激
发矿渣/钢渣胶凝材料性能
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碱激发矿渣混凝土制备及性能研究摘要：中國在工业现代化的进程中每年有超过10亿t的工业废渣排放，而综合利用率不足40%，累积存达64亿t。
这些工业废渣大多为低活性铝硅酸盐材料，是一类可再利用资源，能够用于制备不同类型胶凝材料和掺合料。
其中，以化学原理设计制备的无熟料水泥碱矿渣水泥多年来被受关注。
科研人员对碱矿渣水泥及混凝土的水化机理、力学性能、变形规律、耐久性能等诸多方面进行了大量研究，取得了丰硕成果。
本文主要针对碱激发矿渣混凝土制备及性能进行简要分析。
关键词：碱激发；矿渣混凝土；制备；性能1原料及方法1.1主要原料矿渣粉，比表面积为450m2/kg，符合我国标准GB/T18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》规定的比表面积>400m2/kg，平均粒径为14.50μm，密度为 3.120g/cm3，其化学成分见表1。
2结果与讨论2.1水玻璃模数对胶凝材料性能影响为了研究水玻璃模数及掺量对矿渣胶凝材料潜在活性激发效果的影响，本次试验主要研究了模数1.5、1.2、1.0和0.8的水玻璃，掺量分别为10%、12%和14%时，对矿渣潜在活性激发效果，试验结果详见表3，水玻璃模数及掺量对试件强度影响见图1。
由表4可以看出，随着粉煤灰掺量的越大，料浆的流动性越好，但当粉煤灰掺量超过40%时，料浆流动度增加不明显。
强度试验结果表明，当粉煤灰掺量由0%增加至60%时，胶砂试件强度降低了约26.67%。
综上所诉，碱激发矿渣胶凝材料中适当添加粉煤灰可以有效改善其流动性，相比矿渣，水玻璃对粉煤灰激发效果较差。
2.3碱激发矿渣混凝土性能研究本次试验是在碱激发矿渣胶凝材料试验结果的基础上，研究激发剂掺量、粉煤灰掺量和聚缩酸系减水剂对碱激发矿渣混凝土性能影响情况，试验结果详见表5，碱激发矿渣混凝土性能测试结果见图2。
由表5和图2的试验结果可知，聚缩酸系减水剂可以适当改善混凝土工艺性能，但是会对碱激发矿渣混凝土力学性能产生负面的影响；通过编号为a、c和d三组试验的结果对比发现，当激发剂掺量由14%分别增加到16%和18%时，碱激发矿渣混凝土强度增加了约59.71%和61.73%，这表明激发剂掺量16%时已经达到饱和掺量，继续增加其掺量对矿物掺和料的激发效果无显著改善；将矿渣掺量由70%增加至80%后，抗压强度提高了7%左右，该结果验证了水玻璃作为激发剂对矿渣的激发效果优于粉煤灰。
碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能研究??【摘要】本研究旨在探讨碱激发对钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能的影响。
通过对钢渣矿渣胶凝材料的特点和碱激发对其性能的影响进行分析，设计了实验方法与流程，并进行了实验结果的分析。
研究发现，碱激发可以显著提高钢渣矿渣胶凝材料的凝结硬化性能。
性能改善措施可以进一步提升材料性能。
本研究为钢渣矿渣胶凝材料的应用提供了重要的理论和实验基础。
未来可以深入探讨碱激发对材料性能的影响机制，并开展更多的性能改善措施研究。
综合以上研究结果，碱激发对钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能具有重要的促进作用，为该类材料的应用和研究提供了新的思路和方向。
【关键词】碱激发、钢渣矿渣、胶凝材料、凝结硬化性能、研究、实验方法、实验结果、性能改善、结论、展望、总结。
1. 引言1.1 研究背景钢渣矿渣是冶金工业生产过程中产生的一种废弃物，大量的钢渣矿渣排放对环境造成了严重污染。
寻找一种能够有效利用钢渣矿渣的方法，不仅可以降低环境污染，还可以实现资源的再利用，具有重要的经济和环境意义。
近年来，随着建筑工程的发展和需求的增加，对胶凝材料提出了更高的要求。
钢渣矿渣由于其含有大量的氧化铁、钙、镁等成份，使其具有潜在的胶凝活性。
研究碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能，对于提高胶凝材料的综合性能，推动矿渣资源的综合利用具有重要意义。
本研究旨在通过添加不同类型的碱激发剂，探究其对钢渣矿渣胶凝材料性能的影响，从而提高其凝结硬化性能，为实现钢渣矿渣资源化利用提供技术支持。
通过实验研究和数据分析，深入探讨碱激发对胶凝材料性能的影响机制，为今后的研究和工程应用提供参考依据。
1.2 研究意义本研究旨在通过碱激发的方式改善钢渣矿渣胶凝材料的凝结硬化性能，探讨碱激发对胶凝材料性能的影响机理，为该材料在工程领域的应用提供技术支撑。
通过实验方法与流程的设计，以及对实验结果的分析，可以深入了解碱激发的作用机制，找到钢渣矿渣胶凝材料的性能改善措施。
研究探讨碱激发矿渣胶凝材料是指以强碱为激发剂，以水淬高炉矿渣为被激发材料的一种新型胶凝材料，与传统的水泥基材料相比，碱激发矿渣胶凝材料具有快硬早强、优良的耐化学侵蚀性、耐高温性和固结重金属的性能等[1,2]，可在部分环境替代水泥制备新型胶凝材料，其应用可显著减少碳排放[3,4]，符合我国“碳达峰、碳中和”的绿色发展之路，是《2030年前碳达峰行动方案》和《建材行业碳达峰实施方案》等国家或部委鼓励推广应用的新型胶凝材料。
现实生活中，一些交通道路老化，出现局部坑洞需要修复；城市更新时各种地下管线的埋设或维修频繁，也经常破坏道路，如何减少道路局部修复对交通的影响，需要充分考虑。
另外，在一些极端条件下，比如地震、自然灾害、战争等影响，一些公路、桥梁、机场等基础设施极易受损，但其又是灾后救援行动的生命线，灾后交通的快速修复是保障国家社会经济活动正常运转和及时挽回人民生命财产的必要条件，这些都急需研发高性能的道路快速修补材料[5-8]。
本文以磨细矿渣、加密硅灰、碱激发剂、粗细骨料和钢纤维为原材料制备复合胶凝体系道路快速修补材碱激发复合体系快速胶凝材料的性能研究*黄启林（三明市公路事业发展中心，福建三明365004）摘要：为测试前期研发的碱激发复合体系快速胶凝材料的工程应用性能，采用优选的两种配合比用于工程试验段，并测试了碱激发复合体系快速胶凝混凝土不同龄期的抗压、抗折强度、耐久性和耐磨性等性能，并进行了相关分析。
结果表明：①优选的两种碱激发复合体系快速胶凝材料的配合比，4h 抗折强度分别达到4.5MPa 和4.7MPa ，满足道路快速抢修和通车的要求；②地聚物早期强度增长较快，后期强度增加较慢，不存在后期强度衰减的情况；③两种配合比的单位面积磨耗量分别为2.45kg/m 2和2.26kg/m 2，渗水高度分别为8mm~12mm 和5mm~8mm ，28d 收缩量分别为508×10-3mm 和412×10-3mm ，28d 碳化深度值分别21.1mm 和18.2mm 、氯离子渗透深度分别为10.3mm 和8.2mm ；④掺加钢纤维有利于提高地聚物的抗压和抗折强度，有利于提高其耐久性能。
试验研究文章编号:1009-9441(2010)03-0001-03碱激发矿渣胶凝材料的试验研究杨 猛1,孙小巍2,李文学3 (1.辽宁省建筑材料监督检验院,辽宁沈阳 110032;2.沈阳建筑大学,辽宁沈阳 110168;3.辽阳市工程质量监督站,辽宁辽阳 111200)摘 要:通过变换碱种类、碱掺量、水玻璃模数,研究了矿渣粉在碱的作用下的强度发展规律,并对这类碱激发材料的性能进行了试验与分析。
结果表明,碱掺量增加,凝结时间越短;水胶比越小,凝结时间越短。
采用水玻璃比用N aOH的凝结时间短,水玻璃对矿渣的激发效果要优于N aOH的激发效果,模数为1.2的水玻璃当掺量达到8%时强度达到最大值。
胶砂强度随N a OH掺量的增加而增加,N aOH掺量达到10%时强度达到最大值。
关键词:胶凝材料;矿渣;碱激发中图分类号:TU528.062;TU528.04 文献标识码:A 引言硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料,其用量之大,使之成为人类使用量最大的人工材料。
然而,硅酸盐水泥本身存在着固有的不足。
一方面是能源与资源消耗大,污染大。
我国的水泥生产每年要消耗近1亿t煤,用电近600亿k W h,同时还要消耗近4亿t石灰石和大量黏土,对这些不可再生的矿物资源的持续性大量消耗,将对人类社会产生重大的影响。
另一方面,在熟料的煅烧过程中,因石灰石分解和燃料燃烧释放出大量的CO2,以及SO2、NO x等有毒气体,导致了严重的环境污染,尤其是巨大的CO2排放量在不断加剧地球的温室效应。
因此,研究胶凝材料制备的新原理,加强工业废渣的利用研究,是一项既具有科学意义,又具有实际意义的工作。
碱激发胶凝材料是近年来新发展起来的一种无机非金属胶凝材料,其抗压和抗折强度、抗酸碱侵蚀性、抗冻融性、抗碳化性能等均优于普通硅酸盐水泥。
另外,碱激发胶凝材料制备工艺简单、不需要高温煅烧、能耗低、成本低、市场广,又免除了大量有害废气的排放,是21世纪极具发展潜力的一种胶凝材料。
这类材料多以铝硅酸盐类矿物为主要原材料,而许多工业固体废弃物如矿渣、钢渣、粉煤灰和煤矸石等,其主要矿物成分均为硅酸盐或铝硅酸盐类。
因此,这些工业固体废弃物均可作为制备碱激发胶凝材料的主要原材料,这将为充分利用工业固体废弃物开辟一条新的途径。
碱激发矿渣是目前研究最为深入的碱激发胶凝材料。
1 原材料与试验方案1.1 试验仪器试验仪器主要有:XJ202-A型行星式水泥胶砂搅拌机;K JZ-500型电动抗折试验机;YA W-300型电子液压式压力试验机。
1.2 原材料2试验所用原材料主要有:鞍钢产的矿渣(质量系数K=1.62,碱度系数M o=1.33,属于碱性矿渣,活度系数M n=0.292)、氢氧化钠(分析纯)、水玻璃(模数为2.7)、天然二水石膏。
1.3 试验方案(1)选用不同种类的碱为激发剂,在不同的碱掺量、不同的用水量和缓凝剂掺量下制成胶凝材料,测定其凝结时间,研究碱激发胶凝材料凝结时间的影响因素及规律。
(2)以模数为1.2和1.6,掺量为6%、8%、10%、12%的水玻璃作为碱激发剂,进行力学性能试验,分析水玻璃的模数与掺量对纯矿渣粉料的影响。
(3)采用不同掺量的N a OH作为碱激发剂,进行力学性能试验,分析Na OH对纯矿渣粉料的影响。
2 试验结果与讨论2.1 碱激发矿渣凝结时间的影响因素2.1.1 碱掺量对碱激发材料凝结时间的影响以矿渣为原料,模数为1.2的水玻璃为碱激发剂,选择不同的碱掺量,其凝结时间测定结果见表1。
表1 水玻璃掺量对初凝时间的影响水玻璃掺量/%4681012初凝时间/m i n57503120162.1.2 水胶比对碱激发材料凝结时间的影响固定水玻璃的掺量为10%,选用不同的水胶比,其凝结时间测定结果见表2。
表2 不同水胶比对初凝时间的影响水胶比W/C0.340.360.380.400.42初凝时间/m i n2027333944由表1和表2可见,当水玻璃掺量一定时,随着水胶比的增加,初凝时间延长;当水胶比不变时,随着水玻璃含量的增加,凝结时间缩短。
其原因是在低水胶比下的碱浓度增加更快。
由此可以看出,初凝时间主要与体系中碱溶液的浓度有关,即水化产物的生成速度与溶液中各种离子的浓度尤其是碱离子浓度有关,碱离子浓度越高,水化产物生成速度越快,凝结速度越快。
2.1.3 碱的种类对碱激发材料凝结时间的影响分别选用水玻璃和N a OH作为激发剂,固定掺量为10%,其初凝时间测定结果见表3。
表3 激发剂种类对初凝时间的影响激发剂种类水玻璃NaO H初凝时间/m i n20136由表3可以看出,采用水玻璃作为激发剂时,比N a OH的凝结时间短得多。
这是因为矿渣与OH-离子作用时,是[S i O4]4-离子解聚-聚合的过程,总体上是[S i O4]4-单体量减少,高聚体的量增多,双聚体及其他低聚物发生单体聚合、多聚体解聚以及自身又解聚的双重反应。
水玻璃矿渣水泥和氢氧化钠矿渣水泥的水化,既有硅酸根离子的缩聚作用,又有碱性激发下多硅酸根离子的解聚作用,但整个水化过程以缩聚反应为主。
由于水玻璃溶液中有大量的[Si O3(OH)2]4-离子存在,大大加快了硅酸根离子缩聚反应的速度,所以,水玻璃激发的速度远大于N a OH,即凝结时间比采用Na OH激发要短。
2.1.4 缓凝剂对碱激发材料凝结时间的影响鉴于碱-矿渣水泥的速凝特点,为使其能在工程中更好地应用,需要确定适宜的缓凝剂及掺量。
试验采用石膏作为缓凝剂,其不同掺量对凝结时间的影响见表4。
表4 缓凝剂的掺量对凝结时间的影响石膏掺量/%046810初凝时间/m i n20457095130终凝时间/m i n4070130195260由表4可以看出,不加缓凝剂时,初凝时间只有20m i n,产生了速凝,终凝时间也只有40m i n,这是不能满足工程施工要求的。
当加入缓凝剂4%时,凝结时间开始明显变长,初凝时间达到45m i n,而终凝时间达到70m i n。
随着缓凝剂掺量的增加,凝结时间也不断增加。
说明含钙材料对水玻璃-矿渣水泥具有良好的缓凝作用。
这是因为在常规的水玻璃掺量下,含钙材料与水玻璃反应生成的凝胶在矿渣表面形成了一层凝胶体保护膜,阻止了系统中OH-离子对矿渣的进一步激发,使水化产物的晶核包裹在凝胶中,阻止了其进一步生长,从而延缓了水化产物的大量产生,避免了颗粒的进一步聚集,使初凝时间延长。
2.2 影响碱激发矿渣力学性能的因素矿渣是在炼铁过程中经急冷得到的含有较高潜能的不规则玻璃体,具有两种相组分的分相结构。
玻璃体的富钙相在中性环境中,水分子的作用不足以克服富钙相的分解活性,故矿渣在中性环境中表现为结构的稳定性,即矿渣不显示活性;而在碱性环境中,OH-离子的强烈作用能够克服富钙相的分解活化能,使富钙相迅速水化和解体,进而导致矿渣玻璃体的解体,随后暴露于碱性介质中的富硅相也逐步水化分解。
富钙相和富硅相的水化产物的不断形成和增加,使得水化产物的结构不断增强,表现为水泥石的强度不断增长。
2.2.1 碱的种类对碱激发材料力学性能的影响称取500g矿渣,以水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂,掺量均为10%,通过测定胶砂强度对比二者的激发效果。
胶砂强度测定结果见表5。
表5 激发剂的种类对胶砂强度的影响试件编号激发剂种类抗折强度/M Pa抗压强度/M Pa3d7d3d7d J F-1N a OH3.0 3.625.730.9J F-2水玻璃3.8 4.230.134.2由表5可以看出,在激发剂掺量相同的情况下,两者的早期强度均很高,而且水玻璃比Na OH激发矿渣试件的效果要好。
这是因为在碱-矿渣中,水玻璃的含水硅酸钠水解后生成Na OH和含水硅胶, OH-离子只是起到碱性介质的作用,促使反应不断地进行,最后形成的产物主要为C-S-H凝胶;而含水硅胶参与了其中的反应,即水玻璃在激发过程中起到了双重作用,因而其激发效果更好。
2.2.2 碱掺量对碱激发材料力学性能的影响选用模数分别为1.2和1.6的水玻璃及N a OH作为碱激发剂,测定胶砂3d和7d的抗压强度,结果见表6。
表6 碱掺量对胶砂抗压强度的影响试件编号激发剂种类激发剂掺量/%抗压强度/M Pa3d7dA1Na OH613.617.3A2Na OH820.426.7A3Na OH1025.730.9A4Na OH1223.428.9B1 1.2水玻璃616.822.4B2 1.2水玻璃835.438.3B3 1.2水玻璃1030.134.2B4 1.2水玻璃1228.331.8C1 1.6水玻璃614.717.8C2 1.6水玻璃830.536.6C3 1.6水玻璃1024.329.0C4 1.6水玻璃1222.726.8由表6可以看出,随着N a OH掺量的增加,胶砂强度不断提高,而且增长速率比较稳定。
当N a OH 掺量达到10%时,3d抗压强度为25.7M Pa,7d抗压强度为30.9M Pa。
随着Na OH掺量的继续增加,胶砂强度增长变得缓慢,而且有降低的趋势。
因此, N a OH的适宜掺量为10%。
这是由于当碱含量较低时,随着碱含量的增加,有效提高了胶凝材料浆体的碱度,促进矿渣水解,并与溶解的Ca2+离子生成C-S-H凝胶,从而提高了胶凝材料的强度;但当溶液的碱度达到饱和后,继续增加碱的掺量并不能有效提高溶液的碱度,而增加碱的掺量则相对减少了矿渣的掺量,致使强度有所下降。
随着水玻璃掺量的增加,胶砂强度不断提高,在掺量由6%增至8%的过程中,强度增长得特别快,并且达到最大值;当水玻璃掺量超过8%后,强度有所下降而且不稳定。
因此,水玻璃的适宜掺量为8%。
3 结论3.1 碱激发胶凝材料的凝结时间较短。
碱的种类、碱含量和水胶比均对凝结时间有较大的影响。
3.2 掺入缓凝剂可以有效地解决凝结时间过短的问题。
缓凝剂掺量应控制在4%以上。
3.3 Na OH和水玻璃均是矿渣的有效激发剂, N a OH的最佳掺量为10%;水玻璃的激发效果优于N a OH,且控制水玻璃模数为1.2、水玻璃掺量为8%时效果最佳。
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