不同水热条件下钢渣粉作辅助胶凝材料的水化性能研究

论文摘要

中国是钢铁生产大国，由此而产生大量工业废渣——钢渣，受综合处理和利用的技术条件的限制，大部分钢渣被废弃在堆场，既占用土地又污染环境。钢渣因含有水硬性胶凝产物硅酸二钙和硅酸三钙被视为过烧硅酸盐水泥熟料，可作为辅助胶凝材料使用。基于此，本文以钢铁工业固体废物——磨细钢渣粉为研究对象，利用X射线衍射、扫描电镜、强度试验、离子溶出性试验、砂浆棒法、抗硫酸盐侵蚀快速试验等方法，研究了在不同水热养护条件下，磨细钢渣粉的水化特性以及对水泥强度、抗硫酸盐侵蚀性能、体积稳定性等的影响规律，并将之与普通磨细砂粉、粉煤灰进行对比，探讨将钢渣粉替代砂粉应用于蒸养等硅酸盐制品中的可能性。主要研究结果如下：（1）磨细钢渣粉颗粒多为形状不规则的非球状多面体，表面较粗糙，棱角比较分明，其表面圆滑程度差于实验用粉煤灰，优于实验用砂粉，并且钢渣粉的颗粒较砂粉细，表明其易磨性较砂粉好。对钢渣粉和砂粉中活性Si、Al的测定可知，在80℃水热养护条件下，钢渣粉的Si、Al溶出量增加，其早期活性较常温20℃水养护得到了激发；80℃水热条件下钢渣粉消耗的Ca（OH）2量较砂粉多，高温作用激发了钢渣活性，提高其水化反应程度。磨细钢渣粉作水泥掺合料，在10%30%的掺量范围，其对水泥的标准稠度用水量影响不大，对水泥凝结时间影响略有延长，有利于改善浆体流动性。（2）在不同水热养护条件下，单掺钢渣粉水泥的抗压强度，较之单掺砂粉水泥强度高，较单掺粉煤灰水泥强度低，且抗压强度随掺量的增多呈下降趋势，随龄期的延长而提高。固定掺量为30%时，高温水养1d的强度较常温水养3d强度提高10.18%，高温水养3d的强度较常温水养7d强度提高9.74%；将钢渣粉与砂粉、粉煤灰分别复掺时，强度效果较单掺钢渣提高幅度明显，尤其是钢渣粉与砂粉、粉煤灰以2:1复掺，在常温养护下强度提高达20%以上，同时，在高温水热养护下较常温3d、7d强度提高30%以上。结合离子溶出性试验及SEM扫描电镜显微测试证实，磨细钢渣粉的在高温水热养护条件下，活性激发程度较常温高，反应程度较砂粉高，较实验用粉煤灰略差，其水化程度与致密程度较好，故其强度高于砂粉。（3）抗硫酸盐侵蚀也是水泥耐久性的关键考察因素，将磨细钢渣粉掺入硅酸盐水泥中，有效降低了C3A等的含量，遏制了SO42-与C3A有效反应，有效降低了水泥体系中Ca（OH）2含量，提高了水泥抗硫酸盐侵蚀能力。在30％掺量范围内，掺钢渣粉水泥抗硫酸盐溶液侵蚀能力较好，尤其当钢渣粉与砂粉以适当比例1:2复掺时，可以进一步提高水泥抗硫酸盐侵蚀能力，提高耐久性。（4）体积安定性是钢渣用于水泥、混凝土领域时需要考虑的重要因素之一。钢渣中含有较多的游离CaO、MgO等，在不同水热养护条件下，单掺钢渣粉时，由于钢渣粉中的游离氧化钙等在水化过程中产生的微膨胀，有效抑制水泥的干缩，未出现膨胀、干缩的不均一现象，当钢渣粉的掺量为10％时，水泥胶砂60d的总干缩率较常温可以降低17.14%；掺量为30％时，水泥胶砂60d总干缩率降低10.34％。同时，由于废陶瓷粉具有的干缩性能，考虑将钢渣粉与陶瓷粉复掺，对控制钢渣粉带来的体积膨胀影响有一定抑制效果，其比例为2:1时效果较好。通过对磨细钢渣粉的组成、颗粒形态及强度、耐久性、体积稳定性等的研究，水热条件下更有利于磨细钢渣粉活性的发挥，有较好的强度，而陶瓷粉对钢渣粉膨胀有一定的抑制效果，同时，钢渣粉也有助于提高水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，可利用这些优点将钢渣粉应用于水泥混凝土中取代部分砂粉或者制备蒸养硅酸盐制品。开展磨细钢渣粉综合利用研究，实现废弃物的资源化利用，可以节约资源，减少环境负荷，具有较大的社会效益和经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 钢渣作辅助胶凝材料研究进展
• 1.2.2 钢渣粉水化性能研究进展
• 1.2.3 研究现状及趋势分析
• 1.3 课题背景及关键问题
• 1.4 课题主要研究内容及研究方法、技术路线
• 1.4.1 课题主要研究内容
• 1.4.2 研究方法、技术路线
• 第二章 钢渣粉组成特性及对水泥常规性能影响
• 2.1 钢渣粉的组成特性
• 2.1.1 钢渣粉的化学组成
• 2.1.2 钢渣粉的矿物组成
• 2.1.3 钢渣粉的颗粒形貌分析
• 4+、Al³⁺溶出量测定'>2.2 钢渣粉在碱溶液中 Si⁴⁺、Al³⁺溶出量测定
• 2溶液反应后溶液中残余 Ca²⁺浓度测定'>2.3 钢渣粉与饱和 Ca（OH）₂溶液反应后溶液中残余 Ca²⁺浓度测定
• 2.4 钢渣粉对水泥对标准稠度用水量、凝结时间的影响
• 2.4.1 钢渣粉对水泥标准稠度用水量影响
• 2.4.2 钢渣粉对水泥凝结时间影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 不同养护条件下钢渣粉对水泥强度的影响研究
• 3.1 不同水热养护条件下钢渣粉、砂粉、粉煤灰对水泥强度的影响
• 3.1.1 常温 20℃水养条件下单掺钢渣粉对水泥强度的影响
• 3.1.2 常温 20℃水养条件下复掺钢渣粉、砂粉、粉煤灰对水泥强度的影响
• 3.1.3 80℃水热养护条件下单掺钢渣粉对水泥强度的影响
• 3.1.4 80℃水热养护条件下复掺钢渣粉、砂粉、粉煤灰对水泥强度的影响
• 3.1.5 不同水热养护条件下单掺钢渣粉水泥强度对比分析
• 3.1.6 不同水热养护条件下复掺钢渣粉、砂粉水泥强度对比分析
• 3.2 不同养护条件下钢渣粉、砂粉、粉煤灰对水泥硬化浆体微观结构的影响
• 3.2.1 不同养护条件下单掺钢渣粉、砂粉、粉煤灰水泥的微观结构分析
• 3.2.2 不同养护条件下复掺钢渣粉、砂粉、粉煤灰水泥的微观结构分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 钢渣粉对水泥耐久性的影响研究
• 4.1 掺钢渣粉对水泥抗硫酸盐侵蚀性能的影响
• 4.1.1 单掺钢渣粉、粉煤灰、砂粉对水泥抗硫酸盐侵蚀的影响
• 4.1.2 复掺钢渣粉、砂粉对水泥抗硫酸盐侵蚀的影响
• 4.2 掺钢渣粉对水泥体积稳定性影响
• 4.2.1 掺钢渣粉水泥的雷氏安定性测定
• 4.2.2 掺钢渣粉水泥胶砂的干缩性能试验研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A：攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录 B：硕士学位期间参与的科研课题及技术服务项目