摘要:在鋼渣、礦渣、粉煤灰三摻復合水泥中加入少量激發(fā)劑，既大幅度提高了鋼渣復合水泥的早期強度，又改善了鋼渣復合水泥的后期性能。通過砂漿強度測試、SEM、XRD、EDS和孔結構測試等分析，探討了激發(fā)劑對鋼渣水泥性能的影響，研究了其水化產物和微觀結構的變化。并與硅酸鹽水泥、鋼渣水泥、礦渣硅酸鹽水泥的水化作了比較。結果表明：鋼渣、礦渣、粉煤灰的復合摻加改善了復合水泥的孔結構，激發(fā)劑提高了鋼渣、礦渣、粉煤灰的水化活性，加快了復合水泥的水化速度，從而提高了水泥的力學性能，但激發(fā)劑對復合水泥水化產物種類影響不大。
關鍵詞:鋼渣；激發(fā)劑；鋼渣復合水泥；水化
中圖分類號 TQ172. 78+1 文章編號
0 前言
鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣，其產量約為粗鋼產量的12%～20%（質量分數）。鋼渣的化學組成與水泥熟料相似，是一種具有潛在水化活性的膠凝材料。用鋼渣作混合材生產鋼渣水泥是實現這一工業(yè)廢渣建筑材料資源化和高值化的重要途徑之一。目前我國生產的鋼渣復合水泥大都以鋼渣和礦渣為主要原料，摻入熟料和少量石膏作為激發(fā)劑。但因鋼渣低水化活性的影響，鋼渣復合水泥的早期強度偏低，其性能只能達到32.5標號，且鋼渣摻量較低，一般也只有10%左右[1-3]。因此，各種用于提高水泥中鋼渣摻量及改善鋼渣水泥性能的應用技術不斷涌現，其中如何激發(fā)鋼渣活性，提高鋼渣水泥的早期強度是問題的關鍵[4-6]。
本研究旨在采用堿礦渣水泥的激發(fā)原理研制以鋼渣為主要原料的堿激發(fā)鋼渣水泥，從而達到充分利用鋼渣，減少環(huán)境污染的目的。以鋼渣為主要混合材，同時復合礦渣、粉煤灰并摻入激發(fā)劑，研制了一種高強度、高混合材摻量的鋼渣水泥，著重研究了激發(fā)劑對鋼渣水泥性能的影響。
1 實驗原料及方法
1.1試驗原料
主要原料為萊蕪連云水泥廠生產的42.5熟料、鄒平熱電廠排放的粉煤灰、二水石膏、濟鋼磁選除鐵轉爐鋼渣和水淬高爐礦渣，激發(fā)劑為幾種化工原料和一種工業(yè)廢渣復合而成的粉狀物。各原料的化學組成見表1。激發(fā)劑為水玻璃a（模數為1.35）、堿性復合激發(fā)劑a（實驗室自制）、硫酸鹽激發(fā)劑b（主要成分為Al2(SO4)3的工業(yè)廢渣）。
1.2 實驗方法
(1)水泥細度測定按GB/T1345-2005進行，水泥標準稠度用水量和凝結時間測定按GB/T 1346-2001進行，水泥膠砂強度試驗按GB/T177-1985進行。
(2)水泥凈漿試樣成型用水量以同等標準稠度為原則。水化產物通過德國普魯克公司生產的D8-Advance型X射線衍射儀分析，其形貌和水泥石的微觀結構用日立S－2500型掃描電子顯微鏡（帶有EDS探頭）觀察，水泥硬化漿體孔結構用Poremaster-60型壓汞儀測定。
2 實驗結果及分析
2.1 鋼渣細度對鋼渣水泥性能的影響
眾所周知，鋼渣是較難磨的物料。若將所有原料混合粉磨，水泥中易磨性差的鋼渣顆粒偏粗，嚴重影響了鋼渣活性的發(fā)揮和鋼渣摻量，從而降低了鋼渣水泥的強度。因此適當的細度是鋼渣活性激發(fā)的前提。本試驗采用先將鋼渣預磨，再與其它原料混合粉磨的方式。該方法綜合了分別粉磨和混合粉磨的優(yōu)點，不僅避免了選擇性粉磨的缺點，有利于鋼渣活性的發(fā)揮，而且通過混合粉磨使所制得的鋼渣水泥具有顆粒分布范圍較寬和級配較好的特點，有利于減小漿體內部孔隙率，提高鋼渣水泥的強度。通過將不同細度的鋼渣與其它原料混合粉磨相同時間制得的鋼渣水泥性能見表2。
由表2中的試驗數據可得，當鋼渣的比表面積提高到314.4 m2/Kg時，標準稠度用水量稍微增加，凝結時間逐漸縮短，3d、28d抗壓壓強度大幅度提高。當鋼渣的比表面積繼續(xù)提高時，標準稠度變化不大，凝結時間進一步縮短，鋼渣水泥的3d、28d抗壓強度繼續(xù)提高，但增加幅度變緩。因此，鋼渣比表面積應控制在310 m2/Kg以上，制備的鋼渣水泥的比表面積在430 m2/Kg左右時，鋼渣活性較好，鋼渣水泥性能較優(yōu)。
2.2 激發(fā)劑對水泥的物理性能的影響
將鋼渣、礦渣、熟料、粉煤灰及激發(fā)劑等在小型球磨機中混合粉磨相同時間制得不同品種水泥，其物理性能見表3。
由表3中數據可得一下結論：
（1）單摻鋼渣或粉煤灰的水泥強度很低，而由鋼渣、礦渣、粉煤灰復摻而制得的復合水泥與礦渣水泥的強度較為接近。這說明鋼渣、礦渣、粉煤灰復合摻加時，它們對復合水泥強度的貢獻并不等于各自作用效果的簡單疊加，而是有利于各自強度的發(fā)揮，存在強度的超疊加效應。這可歸結為不同水化特點、不同結構特征的混合材復合后有利于相互激發(fā)水化活性和提高水泥漿體結構的密實度。
?。?）三種激發(fā)劑對復合水泥性能的改善非常顯著。通過激發(fā)劑的分散、促凝和增強作用，使其標準稠度用水量增加，凝結時間縮短，各齡期強度大幅度增長，復合水泥標號由32.5增至42.5R。但激發(fā)劑用量較大。而激發(fā)劑的復合摻加起到了降低激發(fā)劑用量和改善激發(fā)效果的目的。在相同的28d強度下，復合激發(fā)劑的摻入可使熟料摻量由65％降至20％。熟料用量的減少，不僅為提高鋼渣礦渣的用量，降低生產成本創(chuàng)造了條件，更重要的是節(jié)省了自然資源和大量的能源消耗，保護了自然資源，有利于社會的可持續(xù)發(fā)展。
2.2 激發(fā)劑對水泥水化產物的影響
水化28d漿體的XRD圖譜見圖1。從XRD圖譜可以看出，3種水泥的水化產物相類似，只是數量上有所不同。與基準1#水泥相比，6#水泥中的Ca(OH)2晶體的衍射峰強度已有所減弱，AFt晶體的衍射峰有所增強。而10#水泥中Ca(OH)2晶體的衍射峰強度已經相當微弱，AFt晶體和C-S-H凝膠的衍射峰顯著增強。這說明摻加激發(fā)劑后，促進了鋼渣、礦渣與硅酸鹽水泥熟料水化形成的Ca(OH)2中間的反應，使水泥中的Ca(OH)2被消耗，生成大量的AFt晶體和C-S-H凝膠，具有明顯的火山灰效應。
2.3 水化產物的SEM分析
圖2為水泥漿體養(yǎng)護3天的SEM照片。由圖2(A)可見，單摻鋼渣的水泥（2#）水化早期生成水化產物量很少，主要為團絮狀C-S-H凝膠和六方板狀Ca(OH)2晶體，漿體中空洞較多且孔尺寸較大，結構極不密實。鋼渣、礦渣、粉煤灰復合摻加后，水泥（6#）水化早期生成的水化產物量增多，主要是C-S-H凝膠、Ca(OH)2晶體及AFt晶體，硬化漿體結構較為密實，這也就是復摻水泥較單摻鋼渣的水泥強度高的原因。圖2(B)中鋼渣顆粒尚未水化，與周圍水化產物粘接也不牢固。由圖2(C)可以看出，摻加激發(fā)劑后，水泥（10#）水化早期即生成了大量的水化產物，鋼渣顆粒表面已經水化。水化產物主要為團絮狀無定形C-S-H凝膠和棒柱狀AFt晶體，大量水化產物相互交織、填充，水化早期即形成了較為完整的網絡結構。
水泥漿體養(yǎng)護28天的SEM照片如圖3所示，水化后期2#水泥水化產物量仍較少，主要為C-S-H凝膠、板狀Ca(OH)2晶體及少量AFt晶體。大量板狀的Ca(OH)2非常顯著，鋼渣顆粒仍然沒有水化，與周圍水化產物粘結也不牢固。6#水泥水化后期鋼渣顆粒表面發(fā)生了水化，并與水化產物粘結在一起。與2#水泥相比，PC水泥水化產物中板狀Ca(OH)2晶體明顯減少，AFt的生成量有所增加，大量水化產物粘結在一起，使硬化漿體中空洞較少，結構趨于密實。10#水泥水化后期，水化產物的量繼續(xù)增多。與2#水泥相比C-S-H凝膠和AFt的生成量顯著增加，漿體中幾乎找不到Ca(OH)2晶體。鋼渣顆粒水化較徹底，顆粒的界面已不明顯，與周圍凝膠產物牢固地連接為一體。由圖3(C)可以看出大量的棒柱狀AFt晶體（其能譜分析見圖4）相互交織，形成了完好的網絡結構，孔隙被新生成的水化產物不斷填充，使硬化漿體更加密實。
單摻鋼渣的水泥中，熟料水化未能激發(fā)鋼渣的活性，水化后期鋼渣顆粒仍未水化，與周圍水化產物粘結不牢固，漿體不密實，宏觀表現為早期、后期強度都較低。鋼渣、礦渣、粉煤灰多組分混合材復合后，有利于相互激發(fā)水化活性、促進水化產物的生成和提高水泥硬化漿體結構的密實程度，水化后期鋼渣顆粒表面已經發(fā)生了水化，與周圍水化產物粘結在一起。宏觀表現為水泥的早期強度較低，后期強度有一定增長。激發(fā)劑的摻入進一步提高了鋼渣、礦渣等的水化活性，大大加快了復合水泥的水化速度，使Ca(OH)2晶體參與反應生成了更多的C-S-H凝膠和AFt晶體，各種水化產物相互交織、搭接，后生成的水化產物填充其中，從而使水泥石的孔隙率降低、孔尺寸減小，有利于水泥石獲得較密實、堅固的網絡結構，從而使鋼渣復合水泥具有較高的早期和后期強度.
2.4 激發(fā)劑對水泥漿體孔結構的影響
表4為鋼渣復合水泥水化28d漿體的孔結構參數與孔分布。在混合材摻量相同的條件下，3種試樣的總體積孔率與最可幾孔徑(RP)卻不同。單摻鋼渣的2#水泥孔隙率高、孔尺寸大，而將鋼渣、礦渣、粉煤灰復合摻加制得的6#水泥和摻加激發(fā)劑的10#復合水泥的孔隙率低、孔尺寸小。說明后兩者漿體的結構更密實，有利于強度發(fā)展。從孔分布測定結果來看，激發(fā)劑的摻入使7.5～10nm及10～30nm的孔含量總數有所增加，而30～100nm及100nm以上的孔含量總數有所減少，即復合水泥細微孔多，大孔少。激發(fā)劑改善復合水泥的孔結構可能是由于激發(fā)劑促進形成了更多的水化產物，填充孔隙所致。
3 結論
1.鋼渣比表面積在310 m2/Kg左右時，能夠保證鋼渣具有較好的活性。鋼渣、礦渣與粉煤灰復合摻加有利于相互激發(fā)水化活性和提高水泥漿體結構的密實度。
2.混合材摻量為75％的鋼渣復合水泥在摻入3％激發(fā)劑后，需水性和凝結性能得到了顯著改善，鋼渣水泥的強度等級由32.5增至42.5R。
3.激發(fā)劑活化了鋼渣、礦渣等的水化活性，加快了鋼渣復合水泥的水化速度，水化早期即可形成較多的膠凝產物，從而使?jié){體的孔隙率降低、孔尺寸減小，形成密實堅強的水泥石。
4.激發(fā)劑對鋼渣水泥水化產物種類沒有影響，但水化產物數量上有所不同。硬化漿體中Ca(OH)2晶體的含量大大降低，C-S-H凝膠和棒柱狀AFt晶體的生成量顯著增多。
參考文獻
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