矿渣-钢渣发泡混凝土的制备及反应机理.pdf

第 3 6卷第 4期 2 0 1 4年 8月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l ，Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo L 3 6 No 4 Au g20 14 d o i ： 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 4 0 4 0 1 6 矿渣一 钢渣发泡混凝土的制备及反应机理 陈 伟 ， 倪 文 ， 黄 迪。 ， 李 倩 ， 吴志 豪 ( 1 北京科技 大学 土木与环境 工程学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 北京 中冶设备研 究设计总院有限公 司， 北京 1 0 0 0 2 9 ) 摘 要 ： 为了实现 高炉矿渣、 转炉钢渣的高附加值综合利用， 以水淬高炉矿渣和转炉钢渣为主要原 料 ， 加入 少量的脱硫 石 膏 、 石 灰和 水泥 熟料 ， 通 过铝 粉发 气 制备 发 泡混 凝 土 。测试 了不 同矿渣一 钢 渣 掺 量制 备 的发 泡混凝 土制 品 3 、 7 、 2 8 d的抗 压 强度和 容 重 ， 并 用扫描 电子 显微镜 和 X 射 线 能谱仪 分 析 了发 泡混 凝 土制品 养护过 程 中的水 化产 物和微 观 结构 的变化 。结 果表 明 ， 钢渣掺 量 为 3 0 、 矿 渣 掺 量 为 4 5 时 ， 两者的协 调性 比较 强 ， 制 品 的抗压 强度 达到 5 1 MP a ， 绝 干容 重为 6 2 5 k g m。 ； 该 凝 胶 体 系中有钙矾 石和 CS H 凝胶 协 同生成 ， 且 转 炉钢 渣 的水硬 活性 明显低 于水淬 高炉矿 渣 。 关键 词 ： 矿 渣 ； 钢 渣 ； 发 泡混凝 土 ； 水硬 活性 ；钙矾 石 中 图分类 号 ： TU5 2 8 3 文 献标 志码 ： A 文章编 号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 O 1 4 ) 0 4 0 0 9 8 0 6 Fa b r i c a t i o n a n d Fo r ma t i o n M e c h a ni s m o f Fo a me d I r o n S l a g - S t e e l S l a g Co n c r e t e Ch e n Wei ，Ni We n ， Hu an g Di ， Li Qi an ， Wu Zh i h ao ( 1 S c h o o l o f Ci v i l a n d En v i r o n me n t En g i n e e r i n g， Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，PRCh i n a； 2 B e i j i n g Me t a l l u r g i c a l E q u i p me n t Re s e a r c h a n d De s i g n Co r p o r a t i o n Li mi t e d o f MC C Gr o u p， Be i j i n g 1 0 0 0 2 9，P RCh i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o a c hi e v e t he c o m p r e he ns i v e u t i l i z a t i o n o f i r o n s l a g a nd s t e e l s l a g，f o a me d c on c r e t e we r e pr e pa r e d by a d di ng s ma l l a m o un t o f g y ps u m ， l i m e a nd c l i nke r i n s t e e l s l a g i r on s l a g s ys t e m a n d u s i n g a l u m i n um p owd e r a s f oa m i n g a ge nt ， The t hr e e d a y， s e ve n da y a nd t we n t y e i g ht d a y bul k d e n s i t y a n d c ompr e s s i v e s t r e n gt h o f f oa m e d c on c r e t e wi t h t he d i f f e r e nt r a t i o o f t h e ma i n r a w ma t e r i a l s we r e r e s e a r c he d Fu r t he r mo r e，i n or d e r t o r e s e a r c h t h e h yd r a t i on me c h a n i s m a n d mi c r o s t r u c t ur e of f oa m e d c o nc r e t e， t he XRD a nd S EM i m a ge s of t he t h r e e pr o du c t i o ns o f f o a m e d c on c r e t e we r e a n a l y z e dTh e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e c o o r d i n a t i o n o f t h e d o s a g e o f s t e e l s l a g a n d i r o n s l a g wa s b e t t e r wh e n t h e f o r me r wa s 3 0 9 5 a n d t h e l a t t e r wa s 4 5 ，Me a n wh i l e ，t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wa s 5 1 MPa ， t h e b u l k d e n s i t y wa s 6 2 5 k g m。 ： Et t r i n g i t e a nd C S H ge l s y ne r gi e s g e n e r a t e d i n s t e e l s l a g i r o n s l a g s ys t e m Be s i de s hy dr a t i o n a c t i vi t y o f s t e e l s l a g wa s obv i ou s l y l o we r t ha n t ha t o f i r o n s l a g Ke y wo r ds ： i r o n s l a g；s t e e l s l a g；f o a me d c o nc r e t e；hy dr a t i o n a c t i v i t y；e t t r i ng i t e 发泡 混凝 土 是 一 类免 蒸 免 烧 的多 孔墙 体 材料 ， 既可 以现 场浇 注硬 化 ， 也 可 以预制 成砌 块板 材 ， 具 有 轻质 、 隔热、 隔音等优良性能 。但具有较低体积密 度的同时具有较高强度的发泡混凝土一般采用高强 度等级普通硅酸盐水泥， 经泥浆打泡后常压养护而 成 ， 有时 甚至 需 要 加 入 椒 脂 或纤 维 等 进行 增 强 。 因此 ， 与 蒸压加 气混 凝土 相 比 ， 目前 制 备方 法 所 生产 的优 质发 泡混 凝 土 在 制 造 成 本 和 减 排 C O 等 方 面 优 势并 不 明显 。 转炉钢渣一般具有 C a O和 Mg O含量高的特征， 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 卜2 O 作者简介 ： 陈伟 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 主要从事大宗工业 固体废弃物处理研究 ， ( E ma i l ) c h e n w e i 2 0 1 1 0 1 1 7 1 6 3 c o m。 倪 文( 通信作者) ， 男 ， 博士生导师 ， ( E ma i l ) n i we n c h i n a g ma i l c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 期 陈 伟， 等 ： 矿渣一 钢渣发泡混凝土的制备及反应机理 9 9 其碱度 往往超 过硅酸盐水泥熟 料 。且其 S i O 2 +Al ( ) 3 含量很 低 ， 一 般低 于 1 5 ， 因此 ， 其 为 形 成 C S H 凝胶 提供硅氧 四面 体 的潜 能 比水 泥 熟 料低 很 多 。再 加上钢 渣 中常 含有 引起 硬 化 后 的混凝 土 膨胀 的游 离 氧化钙、 游离氧化镁、 R O相等， 使其在建材领域的应 用长期受 到制约_ 4 。目前 ， 中国每年转炉钢渣约 1 亿 t ， 而 利 用 率 不 到 3 O ， 给 钢 铁 企 业 造 成 巨 大 压 力 J 。高炉水 淬矿渣 中的 S i O +A1 O 3的质量 分数 一 般在 5 0 左右 ， C a O+Mg O的质量分数也在 5 0 左右 ， 其碱度系数接近于 1 。将矿渣微粉用于混凝土， 其为形成C s H凝胶提供硅氧四面体 的潜能是水 泥熟料两倍 以上， 是钢渣的 3 倍 以上。在常温养护的 混凝土 中矿渣大部分 不能参与 水化反 应 ， 而是 以活性 掺合料 的火 山灰 活性 反 应 和微 集料 效 应 的双 重作 用 对混凝 土的强度和耐 久性产生贡献_ 8 。 乔欢欢等 实验结果表明发泡混凝土的性能不仅 与孔隙率有关， 还与基体材料 中掺合料的种类有关。 熊传胜等口 。 。 以钢渣和粉煤灰为掺合料研制水泥基发泡 混凝土， 发现钢渣粉与粉煤灰复合取代水泥时可 以得 到良好的效果。郑念念等口 制备出掺有聚丙烯纤维的 高性能大掺量粉煤灰发泡混凝土。本文拟采用比常规 商品矿渣粉更细， 通过粉磨和采用钢渣、 脱硫石膏多重 激发矿渣活性 ， 并在高于室温 的养 护条件下 ( 工 业上可 采用钢渣冷却的余热) 制备发泡混凝土。以期实现矿 渣、 钢渣和脱硫石膏三者的活性互相激发， 发生深度水 化反应 ， 来制 备发 泡混凝 土 。使所 制备 的发 泡混 凝土 具有使用极低 的水泥熟料 ， 而强度 、 体 积密度 和耐久性 又能达到蒸 压加气混 凝 土 的水 平 ， 即为大量 利用 冶金 固体废弃物， 减排 C 0 2 和降低成本方面有所突破， 又为 充分发挥钢渣 、 矿渣和脱硫石 膏的各 自特 征 ， 提高利用 潜能和效益提供新的思路 。 1 试验方法 1 1实 验原料 实验所 用原 料 主要有 转炉 钢渣 、 高 炉 矿渣 、 天 然 石膏 、 水 泥熟料 和石 灰 。 1 1 1 高炉矿 渣 实验 用 的矿 渣 为 北 京 首 钢 股 份 有限公司的水淬高炉矿渣 ， 使用之前将其粉磨至勃 氏比表面积为 5 3 0 c m。g 左右， 主要化学成分分 析结果见表 1 ， XR D分析结果见图 1 ： 1 、董 重 2 0 1 ( 。 ) 图 1 矿 渣 XRD 图谱 表 1 矿渣 的主要化学成份分析结果 从表 1可 以 看 出 ， 矿 渣 主 要化 学 成 分 为 C a O 和 S i ( ) 2 ， 含 量 分 别 高 达 4 1 4 1 和 3 6 9 7 ； 其 次 是 A1 ( ) 3 ， 含 量 达 1 1 6 0 ； 此 外 ， 含 有 4 2 4 的 Mg O、 2 0 3 的 S以及微量 的 F e 2 O 3 、 F e O、 Na 2 O、 K 2 O、 T i 0 2 和 Mn O， 碱 性系数 Mo 一 0 9 3 6 1 ， 为高碱性渣 。 从 图 2可 以看 出 ， 钢 渣 中主 要 的 物相 组 成 为硅 酸二钙 、 硅酸三钙 、 橄榄石、 铁酸钙、 铁酸二钙和铝酸 钙等 ， 以及 R O 相 ( F e O、 Mn O 和 Mg O 等 的固溶 体 ) 。 由于 钢渣 是 由溶态 水 淬 急 冷 而成 ， 因 此 ， X R D 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O O 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 6 卷 谱 图中显示各物相 的结晶度较低 ， 并 只有其 中结晶 度 比较高的显示 出特征衍射峰， 以及 2 角为 3 0 。 5 O 。 的 凸包 还显 示会 有一定 量 的非 晶态物 质 。 1 1 3 石灰 石灰为北京市金隅加气混凝土公司生 产所用 的中速 消解石 灰 ， 消解 时 间为 1 2 mi n ， 消 解温 度为 6 5。活性 C a O质量分数为 6 5 左右， Mg O质 量分数6 ， 烧失量8 ， +0 0 8 mm约为 1 3 5 。 1 1 4 水泥熟料 水泥熟料为唐 山冀 东水泥有 限 公司生产的 4 2 5普通水泥熟料 ， 经过破 碎、 粉磨成 水 泥熟 料粉料 。其 主要 化学成 分分 析结果 见 表 3 。 表 3水 泥 熟 料 主 要 化 学 成 分 分 析 结 果 成分 含量 6 6 3 O 2 2 5 0 4 8 6 3 4 3 o 8 3 1 4 7 o 8 1 O96 从 表 3可 以看 出 ， 水泥 主要化 学成 分为 C a O， 含 量高 达 6 6 3 O ， 其 次是 S i O ， 含 量达 2 2 5 O ， 其他 成分 含量 均不高 。 1 1 4其他材 料 1 ) 发气剂。发气剂为哈尔滨东轻金属粉业有限 责任公 司生产的 F Q_ 8 0 B型亲水性铝粉， 其 活性 A1 含量 9 0 ， +0 0 8 mm 产率 3 0 ， 发气 率 8 0 ， 发气 时 间2 0 mi n ， 亲水 性 2 0 S 。 2 ) 调整剂。调整剂为天然石膏， +2 0 0目占8 。 1 2试 验过 程 实验 固定 水 泥 熟 料 、 石 灰 和 石 膏 掺 量 为 1 0 、 1 o 和 5 9 6 ， 钢渣粉和矿渣粉掺量交替变化( ig J 者的 总掺量为 7 5 ， 具体变化见表 4 ) ， 另加入 占干物料 总量 6 0 的水 ( 温度 为 5 5 ) 打 浆 均 匀 ， 再 加 入 占 干物料 总质 量的 0 0 7 5 铝粉 ， 搅 拌 4 0 S ， 浇注 入 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 的模具 中， 5 5的恒 温养护箱 中发气静停蒸养 ， 1 0 h后拆模放入温度为 2 01、 湿度为 9 o 以上 的标准养护 箱中养护 ( 简称“ 标养” ) ， 分别取 出标样 3 、 7 、 2 8 d的试块 ， 进 行强度和容重测试 。 表 4钢渣和矿渣的掺量 2 试验结果与分析 养护时间结束后进行低温( 5 0) 烘 干， 进行抗 压强度和容重性能测试， 并对优化配方制备 的制 品 送 检 ， 表 5为矿渣一 钢渣 发泡 混 凝土 各项 性 能 的 检测 结果 ， 图 3为使用不同钢渣掺量的发泡 混凝 土制 品 的 3 、 7 、 2 8 d抗压强度变化曲线 ， 图 4为使用不同钢 渣掺量的发泡混凝土制 品的 3 、 7 、 2 8 d绝干容重变 化曲线( 图中横坐标为钢渣的变化掺量 ， 矿渣的掺量 随之 变化 ) 。 6 5 垂 4 髓3 誉 z 1 0 钢渣掺量 注 ： - 4 - 3 d - t - 7 d - 4 - 2 8 d 图 3 不同钢渣掺量的发泡混凝土制品 3 、 7和 1 8 d强度 昌 I田 l1 馋 钢渣掺量， 注 ： - - - 3d + 7 d - * - 2 8 d 图 4不 同钢渣掺量的发泡混凝土制品 3 、 7和 2 8 d容重 从 图 3可 以看 出 ， 随 着钢渣 掺 量 的逐 渐增 加 ， 制 品在养护 2 8 d后 的抗压强度均呈现先提高后降低 的趋 势 ， 在 掺 量 为 3 0 是 达 到 最 高 值 5 1 MP a ； 养 护 3 、 7 d制品的抗压强度基本呈现出逐渐降低的趋 势 。而且可以得 出， 钢渣掺量值越大， 制品养护 2 8 d 比养 护 3 d的抗压 强度增 长 的幅度 越大 ， 掺 量为 1 0 时 ， 制品养护 2 8 d比养护 3 d抗压强度增长 的 幅度为 5 8 ， 而掺量为 5 0 时， 制品养护 2 8 d比养 护 3 d的抗 压 强 度增 长 的幅 度 为 2 2 4 oA。 由此 可 以 得 出 ， 随养 护 时间 的增加 ， 制 品抗压 强 度增 长 率 的变 化与钢渣掺量成反相关 ， 与矿渣掺量成正相关 ， 这表 明矿渣的水化对制品前期强度贡献显著 ， 而钢渣对 前 期强 度 贡献 不 明显 ， 且 在 钢 渣 掺 量 为 3 O ， 矿 渣 掺量为 4 5 时 ， 表现 出两者 的协调性 比较强 。这是 因为随着养护时间的增加， 未参与反应的钢渣、 矿渣 颗粒作为细骨料存在于孔壁 中， 与水化反应 生成 的 cS H凝胶类物质相互咬合 ， 提升制品强度 ， 但 当前期反应活性较低的钢渣掺量过多时 ， 未参 与水 化反应的钢渣颗粒过多 ， 导致坯体孔壁结构越松散 ， 0 O o O 失 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 陈 伟 等 ： 矿 渣一 钢 渣发 泡 混凝 土的制 备及 反应 机理 l 0 1 表现出制品早期强度偏低 ， 影响坯体成型 ； 而当矿渣 掺 量过 多时 ， 因气孔 内部 气 体 溢 出而 形 成 的 孑 L 隙 得 不 到后 期水 化 产物 的填 补 ， 影 响 制 品 后 期 强 度 的 提 升 。 分 析 图 4可知 ， 养护 3 、 7和 2 8 d制 品强 度 曲线 的变化 趋势 基本 一致 ， 2 8 d制 品 的绝 干容 重 均 比 3 、 7 d制 品的绝 干 容重要 高 ， 这说 明随 着养 护时 间 的增 加 ， 坯体 内部 的结 晶水 含量 增加 ， 从 而 引起 绝 干容 重 的升高 。 由实验 数据得 出， 在 钢 渣掺 量 为 3 0 9 6 ， 矿 渣掺 量 为 4 5 时 两 者的协调性 比较强 ， 因此 ， 以此 配方 制备 的矿 渣一 钢渣发 泡混凝土 的各项 性 能指标 在 同类产 品 中相 比优势突 出 ， 具 体检测结 果见表 5 。 表 5 矿 渣一 钢 渣 发 泡 混 凝 土 优 化 配 方 性 能 检 测 结 果 3机 理分 析 3 1 XRD分 析 图 5为实验 A 一 3组 养 护 3 、 7 、 2 8 d制 品 的 XR D 以 及钢渣 的 XR D对 比 图 ， 其 中 F C 一 3 、 F C 一 7和 F C 一 2 8 分 别 表示 养 护 3 、 7 、 2 8 d的样 品 ， G Z 一 1表 示 粉 磨 时 间 为 5 0 rai n的钢 渣样 品 。 26 v ( 。1 E 一 钙矾石 ；p - 氢氧化 钙；A - c 3 H 2 ：B J S 2 H： D 一 水镁铁 石 ( M g 6 F e 2 t ： ( J ( 0 H ) 。6 H 2 O)：S - 铁 酸二 ： 钙 ( ( ： a 2 F e 2 O 5 ) T 一 钙 铁铝 订 ( C a 2 ( A l ，F e ) 2 O 5 ) ；Z - 铁酸钙 ( C a lV e 3 O 5 )； M一 铝酸钙 ( ( = ll 】 2 A I 4 O) 图 5钢渣 X R D图谱 由图 5可知 ， 随着 养护 时 间的增 加 ， 制 品 内部 的 水化 产 物 的 种 类 发 生 明 显 的 变 化 。对 比 GZ 一 1和 F C 一 3 、 F C 一 7 、 F C 一 2 8可知 ， 原 钢渣 中含有 的铁 酸二 钙 ( C a 。 F e O ) 、 钙 铁 铝 石 ( C a 2 ( A1 ， F e ) 2 Os ) 、 铁 酸 钙 ( C a F e O ) 和铝 酸钙 ( C a 。 2 A1 O ) 在 3 、 7和 2 8 d的 制 品 中均有 明 显 特 征 峰 ， 这 说 明铁 酸 二 钙 、 钙 铁 铝 石 、 铁酸钙和铝酸钙在这个体系中反应活性不强 ， 以 致并未完全参与反应而残余在制 品中， 这些 晶体与 钢 渣水化 活性 组分 伴生 ， 影 响其参 与 水化 反 应 ， 表现 出钢渣水 硬 性 比矿 渣 差l_ 1 引。从 F C 一 3 、F C 一 7和 F C 一 2 8的图谱 中能看 出有 明显 的钙 矾石 的特 征 衍射 峰 ， 这 说 明钙 矾石 在 制 品 的 养护 前 期 就 开 始 形 成 ， 伴 随 整 个养护 过 程 ， 为制 品 的前期 提供 强 度 支撑 并 随着 数 量 的增 多 而 提 升 了后 期 强 度 。而 且 在 3个 图 谱 中 ， C a ( OH) ：的衍 射 峰在 3个 阶段 都 有 ， 这 是 因为 水 泥熟料 和 钢 渣 在 水 化过 程 中都 会 生 成 大 量 的 C a ( oH) ， 养 护 过程 中 ， 没 有参 与反应 的发 生结 晶残 留 在 制品 中 。在 2 e为 2 0 。 4 0 。 的 区 间 有 明显 的 “ 凸 包 ” ， 表 明有大 量 的 CS H 凝 胶生 成 ， 还 有 结 晶 的 水 化 硅 酸 钙 的 特 征 衍 射 峰 其 中 较 为 明 显 的 有 C 。 S H 和 C S H。此外 ， 在 F C 一 2 8的 图谱 中有 明显 的 水镁 铁 石 ( Mg F e 。 C O 。 ( OH) H O) 的 特 征 衍 射 峰 ， 而 在 F C 一 3和 F C 一 7的 图 谱 中并 不 明显 ， 这 说 明水镁 钙石 的形 成 需 要一 定 的时 间 ， 在 3 、 7 d的制 品中可能会出现水镁铁石的晶体前驱体 ， 随着时 间 的增加 ， 逐渐形成晶体 。 3 2扫 描 电镜分 析 实验 对 A一 3 组 养护 1 、 3 、 7和 2 8 d制 品取 样 ， 进 行 扫描 电镜 分 析 ， 其 中图 6为发 泡 混凝 土制 品 1 、 3 、 7和 2 8 d制品孔壁外表面 1 0 0 0 0倍 S EM 照片 图 7 为 养护 7 d制 品 中水 化产 物 的 S E M E D S图 ： 养护 1 d 1 0 k 倍S E M 养护3 d 1 0 k 倍S E M 图 6发泡 混凝 土 制 品 l 、 3、 7和 2 8 d 制 品孔壁外表面 1 0 0 0 0倍 S E M 图 由图 6可 以看 出 ， 发 泡 混 凝 土 制 品 的孔 壁 外 表 面有晶体生长足够的空间 ， 因此 。 随着养护时间的增 长 ， 生长的晶体增多， 晶体的形貌特征更加明显 。从 图 6中可 以看 出 ， 养 护 1 d的制 品的 孔 壁 外 表 面离 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 6 卷 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 k e V R 点 S E M-E D S 图 k e V s A S E M-E D S 图 k e V T点S EM E D S 罔 图 7 养护 7 d制品中水化产物的 S E M- E D S图 散 的分 布着 絮团状 集 合 体 为胶 凝 状 C S H 凝胶 和杆棒状晶体钙矾石聚集生长 ； 养护 3 d的制品中， 这种絮团集合体逐渐增多， 几乎覆盖整个孔壁外表 面； 到养护 7 d时， 杆棒状的晶体沿着截面生长， 长 度 增加 ， 凝 胶 类 物 质 逐 渐 被 掩 盖 ， 杆 棒 状 晶体 越 突 出， 呈穿插结 构； 在从养护 7 d制品 中水化 产物 的 S E M E D S图 ( 图 7 ) 可 以得 出 ， R 点所 表 征 的凝 胶 类 物质为 CS H凝胶 ， T点表征的晶体为钙矾石 ， 而 s点所 表征 的是 掺杂有 钙矾 石成 晶 晶核 的凝 胶 类 物质 ， 这与 XR D分析相吻合； 到养护 2 8 d时 ， 集 中 生长 的杆棒 状 的钙 矾 石 基 本将 孔 壁 外 表 面 覆 盖 ， 形 成 晶体 连 生体 ， 增 强孔 壁 的支撑 力度 。 3 3水化 机理 分析 在发泡混凝土 的混合料浆 中加入 了 1 0 的生 石灰 生 成 大 量 的 C a ( OH) ， 水 泥 熟 料 和 钢 渣 中 的 C 。 S 、 C 。 S的 水 化也 会 产 生 C a ( OH) ， 因此 ， 矿 渣 微 粉初始处于 C a ( OH) ：的饱 和溶液 中 ( P H 值约 为 1 2 6 ) 。此 外 ， 加 入 石 膏 作 为 调 整 剂 ， 起 到 调节 水 泥 凝结 时 间 的 作 用 ， 并 能 提 供 生 成 钙 矾 石 所 需 的 s o _ _ 坞 。随着 反应 的进行 ， 在 碱激 发 和硫 酸 盐 激 发作 用共 同下 ， 矿 渣 和 钢 渣 颗粒 表 面 的硅 氧 四面 体 和 铝氧 四面体 发生 键 的断裂 和 重组 ， 会 有 CS H 凝胶 和 钙矾 石 协 同生 成 。根 据 祝 丽 萍 的研 究 结 果 ， 原始水淬高炉矿渣 中的铝全部 以铝氧 四面体的 形式与硅氧四面体结合 ， 并进入硅一 铝氧四面体玻璃 网络， 其 中硅氧 四面体与铝氧 四面体呈无序排 列 ， C a 和 Mg 等 阳离子 无 序 分 布在 硅 氧 四 面体 和 铝 氧四面体周围平衡 电荷 。在发泡混凝土浆体碱性溶 液的作用下 ， 矿渣玻璃体表面的阳离子率先溶解进 入 溶液 ， 剩 下 的硅 氧 四 面体 与 铝 氧 四 面体 电荷 不 平 衡加剧 ， 导致铝氧四面体的铝氧键断裂， 以偏铝酸根 的形式 从玻 璃 体表 面 溶 出 ， 并 倾 向 于 形成 玻 璃 体 表 面与溶液之间 的溶解平衡口 引。当有游离 石膏存在 时 ， 会发 生如 下式 所示 的反应 ： 4 H。 Al Oi +6 C a + 6 Ca SO4 2H2 O + 40H 一 + 4 4H2 O 一2(3 Ca O A l O 。 3 C a S O 3 2 H ( ) ) ， 随着钙矾石 的不断形 成 ， 矿渣玻璃体表 面 与溶 液之 问偏 铝 酸 根 的溶解 平 衡 被 不断打破 ， 促进铝氧四面体不断从矿渣玻璃体表面迁 移出来 。铝氧 四面体从矿渣玻 璃体 表面 的迁 出 ， 破 坏 了硅氧四面体与铝氧四面体的连接 ， 使矿渣玻璃体表 面的硅( 铝) 四面体聚合度快速下降， 残余硅氧四面体 和铝氧 四面体 的活性大 幅度提 高 ， 在富 C a 抖 的发 泡混 凝土浆体溶液中不断形成 c S H凝胶_ l 。这类反 应不但发生在 矿渣玻璃体微 粒表 面 ， 部 分经过 机 械力 化学活化 的低 结 晶 度矿 渣微 粒表 面 也 可 以发生 类 似 的反应 。因此 ， 在含有大量 矿渣 、 钢渣 、 脱 硫石 膏 等 固 体废 弃物微 粉的胶 凝体 系中 ， 可能 存在着 钙矾 石和 C S H 凝 胶 的协 同生 成 过程 。 由 图 8制 品 的 S E M 照片可以看出， 杆棒状的钙矾石晶体穿插在凝胶孔隙 中， 提高凝胶材料整体密实度， 而且这种 晶体与凝胶 类物质交叉共生能提高咬合力， 提升制品强度_ 】 。矿 渣和钢渣的水硬活性是潜在的， 受外界激发剂的作用 才 能激 发 出其水 硬 活性 1 ， 从 上述 实验 结 果来 看 ， 钢 渣 的水硬活性要 比矿渣 差 。分 析原 因可 能是 ： 1 ) 矿渣 微粉的比表面比钢渣大 ， 参与反应 的接触面大， 而且 表 面质点 的不平衡性 高 ， 容易发生 s i o和 Al 一0 的 断裂 ， 而溶于溶液 中发 生水 化反应 ； 2 ) 在 碱性 坏境 中， 弱酸性的矿渣比高碱性钢渣更容易溶解 ； 3 ) 矿渣的玻 晶 比( 表征结构 特征的参数为玻 璃相 含量 与结 晶相 含 量的比值) 比钢渣高 ， 玻璃相表面活性要 比晶体物质 强 ， 易于发生水化 反应 。 图 8制 品 的 S EM 照 片 4 结 论 1 ) 钢渣掺量为 3 O 、 矿渣掺量 为 4 5 时 ， 两者 的协 调 性 比 较 强 ， 养 护 2 8 d制 品 强 度 能 达 到 5 1 MP a ， 容 重为 6 2 5 k g m。 。适 当的矿 渣掺 量能 确 保 制 品稳 定 成 型 ， 而未 参 与 反应 的 钢 渣 颗粒 作 为 细 骨 料存 在于孔 壁 中 ， 与 水化反 应 生成 的 Cs H 凝 胶 类物 质相 互 咬合 ， 大幅度 提升 制 品后 期 强度 。 2 ) 在碱 激发 激 发 作 用 下 ， 矿 渣 表 面 的溶 解 平 衡 伽 姗 瑚 啪 。 姗 枷 姗 瑚 啪 0 姗 m o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 陈 伟 ， 等 ： 矿 渣一 钢 渣发 泡混 凝土 的制备 及反 应机 理 1 O 3 得到破坏 ， 溶解 出的偏铝酸根与游离 的石膏反应生 成钙矾石 ， 与浆体溶液中生成的 C S H凝胶协 同 生成 ； 且随着养护时间增长 ， 钙矾石晶体在孔壁外表 面集中生长形成晶体连生体。 3 ) 转炉钢渣中含有的铁酸二钙 ( C a z F e z O s ) 、 钙铁 铝石( C a ( A1 ， F e ) O s ) 、 铁 酸钙 ( C a F e 。 O ) 和铝酸钙 ( C a A1 0 3 。 ) 等反应活性极低的晶体物质 ， 影响钢渣 的水硬活性， 且其 s i O 2 +A1 。 O 。的含量远低于矿渣 中 的含量 ， 表现 出钢渣 的水硬活性 明显低于高炉 矿渣 。 参 考文 献 ： 1 Ke a r s l e y a E P ， Wa i n wr i g h t P J Th e e f f e c t o f h i g h f l y a s h c o nt e nt o n t he c o mpr e s s i v e s t r e ng t h o f f o a me d c o n c r e t e J C e me n t C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 1 ) ： 1O 5 1 1 2 2 陈兵 ， 刘睫纤维增强泡沫混凝土性能试验研究 F J 建 筑 材料 学报 ， 2 0 l O ，1 3 ( 3 )： 2 8 6 2 9 O Ch e n B，L i u J Ex p e r ime n t a l r e s e a r c h o n p r o p e r t i e s o f f o a m e d c o n c r e t e R e i n f o r c e d w i t h p o l y p r o p y l e n e f i b e r s J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ，2 0 1 0 ，1 3 ( 3 ) ：2 8 6 2 9 0 3 郭立英 ， 赵芸平 ， 张大伟 ， 等泡沫混凝 土 的制备 及强度 影 响研究 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ：1 3 3 1 3 5 Gu o I Y，Zha o Y P，Zha ng D W ，e t a 1 St ud y o n t he p r e p a r a t i o n a n d s t r e n g t h i n f l u e n c e o f f o a me d c o n c r e t e J C o n c r e t e， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ：1 3 3 1 3 5 4 侯 贵华 ， 李伟峰 ， 郭伟 ， 等转炉钢渣的显微 形貌及矿物 相 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ，3 6 ( 4 )： 4 3 7 4 4 3 Hou G H ，Li W F，Gno W ，e t a 1 M i c r o s t r u c t ur e a nd mi n e r a l p h a s e o f c o n v e r t e r s l a g J J o u r n a l o f t h e Chi ne s e Ce r a mi c So c i e t y ，20 08，3 6( 4)：43 7 4 43 5Qi a n g W ， J i a n W Y， P e i Y YC e me n t i t i o u s p r o p e r t i e s o f s u p e r f i n e s t e e l s l a g J P o wd e r Te c h n o l o g y ， 2 0 1 3 ， 2 45： 3 5 - 3 9 6 王克 ，王灿 ，吕学都 ， 等基于 L E AP的 中国钢铁行 业 C O 减排潜 力分 析 J 清华 大 学学 报 ： 自然 科 学版 ， 2 0 0 6 ，4 6 ( 1 2 ) ：1 9 8 2 1 9 8 6 W a n g K ，W a n g C，Ln X D。e t a1 Ab a t e me nt p ot e n t i a l 0 f C02 e mi s s i o ns f r o m c h i n a s i r on a nd s t e e l i nd us t r y b a s e d o n I E AP J J o u r n a l o f Ts i n g h u a Un i v e r s i t y ： S c i e n c e 8 L Te c h Te c h n 0 1 o g y ， 2 0 0 6 ， 4 6(1 2)： 1 9 8 2 1 9 86 7Hu a n g Y，Gu o P x，Hu i G c，e t a 1 A n o v e r v i e w o f u t i l i z a t i o n o f s t e e l s l a g J P r o c e d i a E n v i r o n me n t a l Sc i e nc e s，2 01 2，16 ：7 91 8 O1 8 C h e n g X L， Z h a o K， Q i Y HD i r e c t r e d u c t i o n e x p e r i m e n t o n i r o n - b e a r i n g w a s t e s l a g J J o u r n a l o f I r o n a n d S t e e l Re s e a c h，I n t e r n a t i o n a l ，2 0 1 3 ，2 0 ( 3 )：2 4 2 9 9乔欢欢， 卢忠远， 严云， 等掺合料粉体种类对泡沫 昆凝 土性能的影 响 J 中国粉体技术 ， 2 0 0 8 ， 1 4 ( 6 ) ： 3 8 4 1 Qi a o H H，Lu Z Y，Ya n Y，e t a 1 I n f l u e n c e o f f i l l e r t y p e o n p r o p e r t i e s o f f o a me d c o 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