钢渣_矿渣_水泥复合胶凝材料的水化性能和微观形貌_陈日高.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报 ：钢渣矿渣水泥复合胶凝材料的水化性能和微观形貌陈日高，王阵地，王玲（广西经济管理干部学院，南宁 ；中国建筑材料科学研究总院，绿色建材国家重点实验室，北京 ）摘要：通过测定矿渣和钢渣部分取代水泥构成的钢渣矿渣水泥复合胶凝材料（）的物相组成和 内的水化热，研究了 试样的微观形貌和水化性能，并用正交试验结果分析了 中钢渣矿渣的最佳掺量和比例。结果表明：的水化过程和水化产物的物相组成与硅酸盐水泥的相似，矿渣在水化早期参与反应，钢渣在水化早期呈惰性；的 水化放热量和放热速率均低于水泥相应的数值；正交试验结果表明水胶比对 强度的影响最显著，矿渣钢渣的最佳质量比为。关键词：钢渣矿渣水泥；复合胶凝材料；正交试验；水化性能；微观形貌中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：（）（，）（）（）（，），：；收稿日期：基金项目：国家重点基础研究发展计划（）作者简介：陈日高（），男，教授级高级工程师 ：钢渣、矿渣是钢铁冶炼过程中产生的副产物，每年的排放量巨大，预计 年我国粗钢总产量达到亿左右，按照每生产粗钢，分别排放 和 的钢渣和矿渣计算，年将排放钢渣 亿，矿渣 亿。一直以来，钢渣不但利用率很低，约为，且大多为低效率的利用，作为填埋材料或粗集料使用；同时钢渣具有良好的耐磨性、抗冻性、大气稳定性及潜在的胶凝活性。矿渣对硫酸盐和氯盐有较好的抗蚀能力，自身具有一定的水硬性，其利用率较高。将钢渣和矿渣复合用在实际工程中，尤其是将钢渣矿渣复合后替代部分水泥应用于混凝土道路工程中，有利于增加混凝土的耐久性，可以减轻钢铁工业的废渣对环境和社会的压力，降低水泥工业的 的排放量和能源消耗量，利于节能减排发展循环经济，意义重大。将钢渣和矿渣复合硅酸盐水泥作为胶凝材料应用到实际工程，需要深入研究其水化性能，需要阐明钢渣矿渣取代水泥的比例和钢渣矿渣复合粉的质量比对水化的影响程度以及钢渣矿渣水泥复合胶凝材料（）的强度发展情况，此外，研究水化性能还有利于分析由这种胶凝材料拌制的混凝土的耐久性能。实验 原料与制备实验中采用的钢渣（）来自河北滦县，矿渣（）来自唐山钢铁厂，水泥为专用于混凝土外加剂检测的基准水泥（），强度等级为 ，来自北京兴发水泥有限公司。、和 的比表面积分别为 、，相应的体积密度分别为 、，材料化学组成见表。将原材料按照配比加水搅拌后成型，制成的 净浆试块，在标准养护室养护 后拆模，继续养护至规定龄期后备用。正交实验利用正交试验，找出最佳的材料质量比和影响 水化的主要因素。考虑等质量取代硅酸盐水泥量 取代率（）、水胶比（）、矿渣与钢渣质量比（）、养护天数个因素，相应的个水平为、和 、和、以及、。样品组分构成如表所示。表 样品组分构成替代率水泥矿渣钢渣 表钢渣、矿渣、水泥的化学组成化学成分水泥钢渣矿渣 表征采用 压力试验机进行抗压强度实验，每组个试样。用无水乙醇终止水化后，采用 型 仪测定物相组成，铜靶。采用 公司 型扫描电镜分析微观形貌。采用美国 公司的微量热仪测定胶凝材料体系的水化放热历程，灵敏度为。为使胶凝材料充分水化，水化热测定在 的水胶比条件下，连续测定了。结果与讨论 水化放热特性图为 水化放热速率和总放热量的情况。图（）显示：的放热速率最大，的放热峰均低于硅酸盐水泥的放热峰，随着取代率的增加，放热速率呈下降趋势。的水化反应有两个典型的放热峰，水化几十分钟后，迅速放热，出现第一放热峰后进入诱导期，随着第二放热峰的出现，加速期结束，进入减速期，水化放热过程与硅酸盐水泥基本相同。无论硅酸盐水泥还是 ，其诱导期均介于。出现第一放热峰后，比硅酸盐水泥提前进入诱导期，且结束诱导期的时间比水泥晚，硅酸盐水泥的第二放热峰在 左右出现，而对于钢渣矿渣取代 水泥的 出现这一放热峰需要 左右。可见 的诱导期变长了。图（）图（）分别给出了各组成的 水化放热速率和 内的总放热量。可发现：水泥 的总放热量在 左右，的则介于 ；同时，在相同的钢渣和矿渣的质量比下，的总放热量随着 的减小有增加趋势，可以认为水泥用量越多，活性越高，则放热量越武汉理工大学学报 年月大。此外，在钢渣矿渣取代 硅酸盐水泥时（图（），矿渣与钢渣质量比分别为与的两种胶凝材料，其 的总放热量曲线基本重叠，这可能是不同矿渣钢渣质量比的 的总放热量均由二者中的水泥放热导致的；而当钢渣矿渣取代 水泥时（图（），矿渣与钢渣比例分别为、的种胶凝材料 总放热量曲线非常容易分辨，这表明：在 的取代率下，除了水泥以外，钢渣和矿渣也已经部分水化，水泥水化在一定程度上促进了钢渣矿渣的水化，的 总放热量并不完全由水泥掺量控制。水化产物与微观形貌图是不同水胶比下 和水化产物的 分析结果，可以看出：水化产物的组成与硅酸盐水泥水化产物相比较，并无本质区别。硅酸盐水泥的主要水化产物，氢氧化钙（），钙钒石（）等在 的和的 谱（见图）中均有显示，且随着龄期的增长，硅酸三钙（）和硅酸二钙（）的峰逐渐减弱，的峰逐渐增强，表明水化程度增大。硅酸盐水泥中的 峰无法辨认；而在 中，尤其是水胶比为 的 中，峰很容易辨认。这是由于 相的生长需要较大的空间，一般在孔洞或裂缝处生成，钢渣矿渣复合粉的加入使得硬化后的浆体结构疏松，且高水胶比的硬化浆体中有较多孔洞，为钙钒石的生长提供了空间。钢渣矿渣复合粉取代水泥量为 和 的 的 谱与此相类似。图是 在不同条件下的 照片。图（）表明：矿渣颗粒镶嵌在水化浆体中，结合紧密，表面已经有少量水化产物出现，表明矿渣在早期已经开始参与水化。图（）中的钢渣颗粒粒径约为，与浆体结合紧密且表面光滑，没有发现水化迹象，这表明钢渣在早期呈惰性。由图（）、图（）可以看出，时 已大量生成，为规则的六方板状晶体，且具有择优取向，证实了图中的 的衍射峰随着龄期增长逐渐增强的现象。钢渣和矿渣一般经过急冷处理，表面是介稳的玻第 卷第期陈日高，王阵地，王玲：钢渣矿渣水泥复合胶凝材料的水化性能和微观形貌璃体，水化生产的 能继续激发钢渣矿渣的活性，这进一步证明了水泥的水化促进了钢渣矿渣的水化。强度发展规律图（）、图（）分别是矿渣钢渣质量比在，情况下的抗压强度发展情况。从图（）、图（）两图可发现：、的抗压强度随着水胶比的减小而增大，但随着龄期的增长，不同取代率的 的 抗压强度已赶上硅酸盐水泥 的抗压强度，可见 抗压强度仍能得到发展；在 中，由矿渣钢渣取代 的水泥所组成的 其抗压强度最高，随着取代量的增加，胶凝材料总量中活性低的胶凝材料组分增大，相应的抗压强度值逐渐减小。此外，钢渣矿渣的质量比对强度发挥也有一定的影响，矿渣钢渣比例为的 其抗压强度要高于比例为的 的抗压强度。优化措施表为 抗压强度正交试验的方差分析表，考察各因素对 抗压强度的影响可以发现：水胶比对 的强度影响最为显著，其次是养护时间，钢渣和矿渣的质量比影响最小。表方差分析表因素方差自由度方差比临界值显著因素 养护时间 方差 图是正交试验的效应曲线图，可以看出：矿渣钢渣质量比为时，效果最佳；的强度，随着矿渣钢渣取代率增加而减少，的取代率最优，与 的取代率，对 的性能影响差别并不大。为达到 的强度性能最优，最佳的配比应该是，在 低 水胶比下，采 用 矿 渣 钢 渣 比 例 为，取代 的硅酸盐水泥组成的 。结论 水化放热速率和总放热量均低于水泥，随着钢渣矿渣取代量的增加，水化放热速率和武汉理工大学学报 年月总放热量逐渐减小，钢渣和矿渣的质量比对水化放热速率的影响很小。取代率时，中水泥的水化能促进矿渣和钢渣的水化。与硅酸盐水泥相似，水化产物主要是、等，其水化过程同样具有两个典型的放热峰，存在诱导期、加速期和减速期，但 的诱导期比硅酸盐水泥的长。在水化后矿渣已经开始参与水化反应，表面有微小晶核出现；而钢渣在 前是惰性的；不同取代率的 后期抗压强度值能逐渐赶上水泥的相应值。水胶比对 抗压强度影响最显著，其次是养护时间；钢渣矿渣等质量取代水泥率和钢渣矿渣质量比的影响不如前二者显著。为达到较高的抗压强度，的适宜组成是：在低水胶比下，质量比为的矿渣钢渣复合粉取代 的硅酸盐水泥。参考文献朱继民认清形势，坚定信心，促进钢铁工业平稳发展冶金管理，（）：王强，阎培渝大掺量钢渣复合胶凝材料早期水化性能和浆体结构硅酸盐学报，（）：，：，（）：，：罗忠涛，马保国水泥基多元复合体系水化历程及耐久性研究武汉理工大学学报，（）：黎载波，赵三银钢渣化学活性组分的提取与胶凝活性评价研究武汉理工大学学报，（）：赵海晋，余其俊钢渣矿物组成、形貌及胶凝活性的影响因素武汉理工大学学报，（）：第 卷第期陈日高，王阵地，王玲：钢渣矿渣水泥复合胶凝材料的水化性能和微观形貌