石膏与硅灰对钢渣水泥基胶凝材料复合改性效应_杜君

石膏与硅灰对钢渣水泥基胶凝材料复合改性效应
杜 君，刘家祥
（北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室 ；材料科学与工程学院 北京１０００２９）
摘 要：以钢渣和水泥为主要原料，加入少量石 膏（ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ）与 硅 灰，制 备 钢 渣 水 泥 基 胶 凝 材 料。探讨了 ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 与硅灰掺量 对 钢 渣 水 泥 基 胶 凝 材 料 强 度 的 影 响，并 通 过 ＸＲＤ、ＳＥＭ 表 征，研究钢渣水泥基胶凝材料的水化性能。 结 果 表 明：复 掺 １％ ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 和 ４％ 硅 灰 的 钢 渣 水泥基胶凝材料３ｄ抗压强度 较 未 掺 ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 与 硅 灰 提 高 了 ５９．０％，２８ｄ 抗 压 强 度 提 高 了 ３２．４％；ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 与硅灰的加入不会影响钢渣水泥基胶凝材料水 化 产 物 种 类；相 同 龄 期 内，加 入 ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 与硅灰的钢渣水泥基胶凝材料中水化 硅 酸 钙 （Ｃ－Ｓ－Ｈ）凝 胶 和 钙 矾 石 （ＡＦｔ）含 量增多，Ｃａ（ＯＨ）２ 晶体含量、晶体尺寸有所减小。 关 键 词 ：钢 渣 ；钢 渣 胶 凝 材 料 ；石 膏 ；硅 灰 ；水 化 反 应 中 图 分 类 号 ：ＴＵ５２８ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７４－４７６４（２０１３）０３－０１３１－０６
收 稿 日 期 ：２０１２－１１－２５ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （５１１７４０１１） 作 者 简 介 ：杜 君 （１９８６－），男 ，博 士 生 ，主 要 从 事 钢 渣 利 用 研 究 ，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｄｕｊｕｎ２６８２６８＠１６３．ｃｏｍ。
刘 家 祥 （通 信 作 者 ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 固 废 利 用 、粉 体 分 级 等 研 究 ，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｌｊｘｐｏｓｔ＠２６３．ｎｅｔ。
Ｌｕｂｉｃａ等 和 ［７］ Ｋｕｍａｒ等［８］通 过 物 理 粉 磨 来 提 高 钢 渣 活 性 ，发 现 钢 渣 活 性 随 比 表 面 积 增 大 而 增 大 。 李建新等 和 ［９］ 秦力 川 等 对 ［１０］ 钢 渣 进 行 高 温 重 构，重 构钢渣２８ｄ强度有 大 幅 度 提 高，但 ３ｄ强 度 提 高 不 大。Ｔｏｓｓａｖａｉｎｅｎ等 研 ［１１］ 究了 高 温 冷 却 机 制 对 钢 渣 性能的影响，发 现 钢 渣 的 活 性 随 着 冷 却 速 度 的 增 大 而增大。王强等［１２］对 磨 细 钢 渣 进 行 筛 分，将 钢 渣 中 易磨组 分 和 水 泥 以 ２０％ ∶８０％ 的 比 例 进 行 胶 砂 试 验 ，其 ２８ｄ 抗 压 强 度 可 达 到 纯 水 泥 的 ９３％ ，但 是 ３ｄ 强度较低。 林 宗 寿 等［１３］通 过 添 加 水 玻 璃 来 提 高 钢 渣水 泥 基 胶 凝 材 料 强 度；罗 珣 等 利 ［１４］ 用 硫 酸 盐、碱 对大掺量钢渣 水 泥 基 胶 凝 材 料 进 行 活 性 激 发，钢 渣 水泥基胶凝材 料 早 期 强 度 增 加，但 是 后 期 强 度 有 不 同程度的降低。李东旭提出钠钙硫复合活化钢渣的 方法［１５］，激发剂可生 成 ＮａＯＨ，提 高 水 化 环 境 碱 度， 促进钢渣水化反应。
表 １ 原 料 的 化 学 成 分 分 析
化学成分
日照热闷 钢 渣／％
中国钢渣平均 水 平［１６］／％
基准 水 泥／％
硅 灰／％
ＳｉＯ２
１１．２４
１０～１５
２１．１８ ９６．６０
ＣａＯ
４１．９２
４０～５０
６３．４２
０．２３
Ａｌ２Ｏ３ ＭｇＯ
１．９２ ８．２４
１～５ 约 １２
５．０２ ４．３２
０．４１ ０．３０
Ｆｅ２Ｏ３ ＦｅＯ Ｐ２Ｏ５
１６．８４ ７．４４ ２．３１
３．１４ 约 ２４ 约８
０．４９
１．２ 实 验 方 法 ： 用颚式破碎 机 将 钢 渣 破 碎 至 ５ ｍｍ 以 下，除 铁
后磨细至比表面积４５０～５００ｍ２／ｋｇ［１７］，取钢渣 微 粉 进行胶砂试验。测得磨细钢渣比表面积４７５ ｍ２／ｋｇ， 密度３．４７ｇ／ｃｍ３，满足 ＧＢ／Ｔ ２０４９１—２００６标准。砂 浆尺寸为４０ ｍｍ×４０ ｍｍ×１６０ ｍｍ，钢 渣 和 水 泥 的 配 比为３∶７，水胶比 ０．５，胶砂比 １∶３，养护温度（２０± １）℃，相对湿度不低于９５％。将加入 ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 和 硅灰的胶砂养护到３、７、２８ｄ，测试不同龄期胶砂强度， 并控制 ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 和硅灰的总加入量不超过５％。
钢 渣 是 炼 钢 时 生 成 的 副 产 物 ，为 钢 产 量 的 １５％ ～ ２０％（质 量 分 数 ，本 文 涉 及 化 学 组 成 ，掺 量 等 均 为 质 量
分 数）；２０１０ 年 中 国 粗 钢 产 量 超 过 ６ 亿ｔ，约 占 全 球 产 量１／２，因此副产物钢渣的产量约有 １亿ｔ［１－２］。钢渣
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土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第３５卷
不仅占用土地，对渣场周围环境造成严重污染，同 时 还会造成资源的浪费。
钢渣作水泥活性掺和料是实现这一工业废渣资 源化的途径之一。 钢 渣 替 代１０％ 左 右 水 泥 时，对 混 凝 土 工 作 性 能 和 强 度 有 改 善 作 用 ［３－４］，但 是 当 钢 渣 替 代３０％水泥时，混凝土 各 龄 期 强 度 会 有 大 幅 度 的 降 低 。 ［５－６］ 因此，为 了 提 高 钢 渣 在 水 泥 中 的 掺 量，必 须 提高大掺量钢 渣 水 泥 基 胶 凝 材 料 （钢 渣 掺 量 不 小 于 ３０％ 时 ，认 为 是 大 掺 量 ）的 活 性 。
水化机理研究采 用 净 浆 试 验，水 胶 比 ０．３，钢 渣 和水泥配比 ３∶７，到 规 定 养 护 时 间 后 将 试 块 敲 碎， 并用酒精浸泡以终止水化。净浆水化产物物相用日 本理学 Ｒｉｇａｋｕ／ｍａｘ－２５００ＶＢ 型 Ｘ 射线衍射仪测试； 浆体微观形 貌 用 ＨＩＴＡＣＨＩ Ｓ ４７００ 型 扫 描 电 子 显微镜观察。
水 泥 ：基 准 水 泥 ，主 要 化 学 成 分 见 表 １。 硅灰：粒径小于１μｍ 占８０％ 以上，平均 粒 径 为 ０．１～０．３μｍ，比表面积：２０ ０００～２８ ０００ ｍ２／ｋｇ，化
学 成 分 见 表 １。 标 砂 ：厦 门 艾 思 欧 标 准 砂 有 限 公 司 生 产 。 水 ：普 通 自 来 水 。 ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 为分析纯。
１ 实验原材料以及方法
１．１ 实 验 原 材 料 钢 渣 ：山 东 日 照 钢 铁 厂 转 炉 钢 渣 ，其 冷 却 机 制 采
用 热 闷 处 理 ，由 表 １ 知 ，钢 渣 的 主 要 化 学 成 分 为 氧 化 硅、氧 化 钙 和 铁 的 氧 化 物，其 总 量 约 占 钢 渣 的 ８０％ 左右，本实验采 用 的 钢 渣 和 中 国 钢 渣 的 平 均 水 平 相 当 ，有 一 定 的 代 表 性 。
第 ３５ 卷 第 ３ 期 ２０１３ 年 ６ 月
土木建筑与环境工程 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ，Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｄｏｉ：１０．１１８３５／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－４７６４．２０１３．０３．０２１
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１３
Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｄｉｈｙｄｒａｔｅ Ｇｙｐｓｕｍ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃａ Ｆｕｍｅ
ｏｎ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｓｌａｇ－Ｃｅｍｅｎｔ Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
Ｄｕ Ｊｕｎ，Ｌｉｕ Ｊｉａｘｉａｎｇ
（Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
物理粉磨 和 高 温 重 构 对 钢 渣 活 性 的 改 善 很 有 限 ，而 碱 性 激 发 不 利 于 水 化 产 物 的 聚 合 ，并 且 高 浓 度 Ｎａ＋ 会 引 起 泛 碱，影 响 钢 渣 水 泥 基 胶 凝 材 料 后 期 强 度。本文钢渣以３０％ 比 例 替 代 水 泥，复 合 加 入 适 量 ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ 和硅灰，使大掺量钢渣水泥 基 胶 凝 材 料早期和后期强度均有大幅度增加，满足 ４２．５复合 水 泥 强 度 要 求 ；同 时 通 过 对 水 化 产 物 种 类 、硬 化 浆 体 显微形貌 分 析，揭 示 ＣａＳＯ４ ·２Ｈ２Ｏ 和 硅 灰 复 合 改 性的机理。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｓｍａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｄｉｈｙｄｒａｔｅ ｇｙｐｓｕｍ （ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ）ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ－ｃｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ－ｃｅｍｅｎｔ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ＣａＳＯ４ ·２Ｈ２Ｏ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ－ｃｅｍｅｎｔ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｐａｓｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ＳＥＭ ａｎｄ ＸＲＤ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ＣａＳＯ４ ·２Ｈ２Ｏ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ－ｃｅｍｅｎｔ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ－ｄｏｐｅｄ，ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｏｆ ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ｈａｓ ｍｕｃｈ ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ－ｃｅｍｅｎｔ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ＣａＳＯ４ ·２Ｈ２Ｏ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ａｒｅ １％ ａｎｄ ４％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ３ ｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ５９．０％ ，ａｎｄ ｔｈｅ ２８ｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ３６．５％ ．Ｎｏ ｍａｔｔｅｒ ａｄｄｉｎｇ ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ｏｒ ｎｏｔ，ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ－ｃｅｍｅｎｔ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｃ－Ｓ－Ｈ ｇｅｌ ａｎｄ ＡＦｔ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｃａ （ＯＨ）２ｃｒｙｓｔａｌｓ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ－ｃｅｍｅｎｔ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ＣａＳＯ４ ·２Ｈ２Ｏ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ－ｃｅｍｅｎｔ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ；ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｄｉｈｙｄｒａｔｅ ｇｙｐｓｕｍ；ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ；ｈｙ渣 矿 物 组 成 钢 渣 物 相 如 图 １ 所 示 。 主 要 矿 物 成 分 有 ３ＣａＯ·