钢渣基多金属复合磷酸盐水泥的性能及其机理研究

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钢渣是炼钢过程中排放的炉渣,具有活性低、游离碱土金属氧化物(CaO、MgO)含量高等特性,作为胶凝材料掺合料其利用率低,并且会造成体积安定性差等问题,难以在普通硅酸盐水泥、混凝土行业得到大规模利用。作为钢铁材料主要生产国,我国钢渣年排放量近1.5亿吨,而其利用率仅约为30%,大部分的钢渣仍以堆存或填埋处理,占用大量的耕地资源,造成严重环境污染,同时也是一种巨大的资源浪费。如何高效利用钢渣,克服游离氧化物造成的体积安定性问题,成为钢渣资源化利用亟待解决的关键技术问题。基于此,本文提出利用钢渣富含钙铁相特性,在常温下与酸式磷酸盐反应制备快凝早强多金属复合磷酸盐水泥,实现钢渣高效资源化利用的同时,大大降低传统磷酸盐水泥的制造成本,改善其可操作性。主要研究内容和结论如下:(1)研究缓凝剂种类掺量和钢渣(SSP)与磷酸二氢铵(ADP)质量比(SSP/ADP)等因素对钢渣基磷酸盐水泥凝结特性及力学性能的影响。研究表明:当硼砂掺量为3.0%,SSP/ADP为6/1时,磷酸盐水泥净浆初凝时间为7.5min,自然养护1d、3d、7d、28d的抗压强度达最高分别为13.5、21.9、27.3、30.4MPa。(2)通过XRD、FTIR、SEM-EDS、DTG-TG和BSE等表征手段对水化产物组成及结构进行分析,并对其反应机理进行推理。研究得出:钢渣中的FeO、Ca2(Al,Fe)2O5、CaMgSiO4、Ca2Fe2O5和Ca2Si O4等组分与磷酸二氢铵发生反应,形成的水化产物有结晶相(NH4)2Ca(HPO4)2·H2O和非晶相(Fe(OH)3、Al(OH)3、H4SiO4、FeHPO4)等,随着反应进行,水化产物包裹钢渣颗粒,相互胶结,逐渐形成一个结构致密的结构体。(3)对钢渣基复合磷酸盐水泥耐水性进行研究。研究表明,有别于传统磷酸镁水泥,复合磷酸盐水泥湿养护时,其抗压强度保持率均大于100%。钢渣中含有的硅酸二钙(C2S)为γ型,其水化反应速度较慢,在后期湿养护环境下,其可以发生水化反应,形成胶凝相产物,填充内部孔隙,优化微观结构,提高其耐水性。
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