不同种类钢渣的重构与性能优化的基础研究

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钢渣是炼钢工业的废渣,排放量巨大,且长期以来没有得到有效的利用,其大量累积和堆放,不仅占用了大量耕地和污染环境,同时还是一种巨大的资源浪费。事实上,钢渣中含有部分胶凝性矿物,为一种弱胶凝活性材料,但由于其胶凝活性远低于硅酸盐水泥,且化学组成和矿物组成波动大,体积安定性差,因而制约了其在水泥混凝土中的大规模应用。几十年来,研究工作者采用多种技术方法对钢渣进行活化处理,以提高钢渣的利用率,其中,本课题组就在国家“十一·五”科技支撑计划项目(2006BAF02A24)资助下,另辟途径,通过在出炉的熔融转炉钢渣中加入组分调节材料,利用钢渣余热使其与组分调节材料发生高温物相反应,对其组成和结构进行重构,以期提高钢渣的胶凝活性,促进其在水泥工业中的利用。本文针对钢渣化学组成和矿物组成波动大,品质不稳定的缺点,选取化学组成差别较大的三种钢渣:中碱度低铝质(典型代表为武钢钢渣)、高碱度低铝质(典型代表为邯钢钢渣)和高碱度高铝质(典型代表为马钢钢渣),以工业废渣为主要的组分调节材料,通过高温反应和适当的冷却制度对其进行静态模拟重构试验,探索不同种类钢渣的重构与性能优化工艺及参数,为实现钢渣工业重构奠定理论基础和提供技术支撑。本文的主要工作和取得的成果包括以下几个方面:(1)采用钙硅铝质的白渣和矿渣作为组分调节材料,对中碱度低铝质钢渣的碱度进行调控,并采用重构技术,提高了其胶凝活性。结果表明:掺入适量白渣使钢渣碱度调整至2.12~2.13时,重构钢渣28d胶凝活性指数提高10~15%;掺入适量矿渣使钢渣碱度调整至1.82~1.89时,重构钢渣28d胶凝活性指数提高10~18%。重构钢渣的适宜冷却方式是空气中自然冷却。对中碱度钢渣重构时,不同化学组分与钢渣各龄期胶凝活性关联度的排序为:SiO2>CaO> Fe2O3> Al2O3。(2)利用低碱度的钙硅铝质和硅铝质的组分调节材料为主要原料,通过设计正交试验研究了适宜于高碱度低铝质钢渣重构的工艺参数。结果表明:不同重构因素对钢渣重构效果的影响程度为:调节组分种类>调节组分掺量>重构温度。利用矿渣作为组分调节材料,调整钢渣碱度至2.10~2.45时,重构钢渣28d胶凝活性指数提高19~22%。(3)采用XRD、SEM-EDS和岩相分析等方法对重构前后中、高碱度钢渣的矿物组成、重构钢渣的水化产物等进行了研究。水化热、浆体电阻率和非蒸发水量等的测试结果表明:钢渣经过重构后,其硅酸盐胶凝性矿物含量增加,且早期水化活性提高,重构钢渣3d水化放热量较原钢渣提高1.5~6倍,掺30%不同重构钢渣的水泥浆体3d电阻率较掺原钢渣试样提高26~56%,28d水化程度也远高于掺原钢渣试样。(4)选取工业氧化铝作为组分调节材料对高碱度高铝质钢渣进行重构,使钢渣向铝酸盐水泥方向调节。结果表明,调整钢渣铝酸盐碱度系数为0.7~0.9时,利用熔融法获得快硬而不快凝和高早强的铝酸盐胶凝材料。重构钢渣主要矿物组成为CA、CA2、MgAl2O4和C2AS。重构钢渣1d、3d和28d抗压强度最高分别为24MPa、32MPa和40MPa,各龄期强度是原钢渣的4.7-7.7倍,重构钢渣胶凝性能得到较大的改善,其3h后水化程度远高于原钢渣,水化产物结构致密,水化浆体3d电阻率是原钢渣的20倍。
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