高爐礦渣製備膠凝材料的影響因素綜述

高爐礦渣製備膠凝材料的影響因素綜述

劉新波,房傑,紀召毅

(山東泰山鋼鐵集團有限公司,山東萊蕪271119)

摘要:粒化高爐礦渣是生鐵冶煉時產生的副產物,具有較高的潛在價值,堆放不僅會對生態環境產生危害,同樣會造成資源的浪費 高爐礦渣具有潛在的活性,因此利用鹼激發製備膠凝材料是礦渣利用的重要途徑 本文歸納了影響礦渣製備膠凝材料的因素,為礦渣的綜合利用提供理論依據

關鍵詞:高爐礦渣;水化產物;膠凝材料

隨著社會經濟的進步,鋼鐵需求量日益增大,鋼鐵行業發展迅速,因此產生較多的廢渣 粒化高爐礦渣(簡稱礦渣)是高爐產生的廢渣熔融體經冷水冷卻後形成的海綿狀浮石類物質 礦渣堆積造成環境汙染,資源浪費,從節能環保,資源循環利用角度考慮,礦渣的回收利用具有重大的意義 高爐礦渣是一種經高溫燒制形成的玻璃體結構材料,與矽酸鹽水泥熟料具有相似的化學組成 研究表明其存在潛在活性,是鹼激發製備膠凝材料的重要原料[1-2],本文分析了鹼激發礦渣水化特性的影響因素

1 礦渣化學成分的影響

礦渣主要由CaO SiO2 Al2O3和MgO組成,各組分的含量與礦石性質 冶煉工藝及原料配比密切相關,導致了其水化特性的差異,進而影響了鹼激發礦渣膠凝材料水化反應特性

Bernal等[3]研究礦渣中MgO含量對礦渣膠凝材料性能的影響規律 研究結果表明,隨著MgO含量的增加,水化產物中生成了類水滑石物相,MgO含量的增加可以提高膠凝材料水化反應程度 除MgO含量外,礦渣中的Al2O3含量也會影響礦渣的水化反應特性 Haha等[4]研究了礦渣中Al2O3含量對礦渣膠凝材料水化反應特性影響 結果表明,Al2O3含量的提高不利於礦渣膠凝材料早期的水化反應,但隨著養護時間的延長,Al2O3含量的變化對抗壓強度的影響逐漸降低 Jambunathan等[5]考察了不同Al2O3含量對膠凝材料水化反應特性的影響,指出Al2O3含量高時體系中會生成水化鋁酸鈣,但隨所處環境溫度的提高,Al2O3含量的降低則有利於穩定試樣的強度

2 激發劑種類的影響

大量資料報導,pH值是影響礦渣水化性能的關鍵因素,礦渣的水化反應活性隨pH值提高而升高[6-7] 由此可見,激發劑成為影響鹼激發礦渣膠凝材料性能的重要因素

王聰[8]研究水玻璃激發劑對礦渣水化性能的影響規律,結果表明凝結時間比NaOH的短得多,因為水玻璃加快了矽酸根陰離子縮聚的速率,因此凝結時間比NaOH短 Brough等[9]利用矽酸鈉及添加NaCl來激發高爐礦渣水化性能,結果表明在添加量小於4%時,NaCl對礦渣水化有速凝作用 Ba-kharev[10]等對比矽酸鈉 氫氧化鈉 碳酸鈉等不同活化劑對礦渣活化性能的影響規律,結果表明,矽酸鈉的效果最好 ivica[11]研究結果表明,水玻璃對礦渣的激發效果要優於硫酸鈉,因為在鹼激發礦渣體系中更有利於水化產物的形成

與採用傳統的激發劑相比,採用Na2CO3和Na2SO4激發的礦渣膠凝材料具有成本低 收縮率低的優勢,成為關注的熱點 吳其勝[12]等研究利用Na2CO3激發礦渣粉煤灰膠凝材料性能規律,結果表明當Na2CO3含量增加時,膠凝材料的強度明顯增加,這說明Na2CO3提高溶液鹼度的同時,也形成複雜的水化產物 Rashad等[13]則利用Na2SO4激發礦渣的水化性能規律,結果表明,單獨使用Na2SO4作為激發劑時存在試樣早期強度低的缺點

張西玲等[14]利用生石灰及消石灰激發礦渣探究水化性能,結果表明一起激發時,試樣的強度較高,單獨利用消石灰激發,試樣的強度隨含量的增加呈現先增大後降低的趨勢 Jeong等[15]考察了二水石膏 NaOH Na2CO3和Na2SO4對試樣水化性能的影響 研究結果表明,二水石膏的效果明顯優於其他三種激發劑 賀孝一[16]利用水玻璃和NaOH激發偏高嶺土和礦渣混合料,結果表明複合激發劑的效果優於單一激發劑 因此,若單一激發劑效果不理想,可以利用複合激發劑改善膠凝材料的性能

激發劑種類在鹼激發的過程中起著決定性作用,不僅影響水化產物的種類,還會影響試樣的強度,因此,需要根據實際過程中的要求,選擇合適的激發劑體系,既要滿足性能要求,也要考慮經濟因素

3 礦渣細度的影響

大量文獻表明礦渣比表面積與膠凝材料水化程度成正比關係[17-18] 礦渣細度的提高,可以使礦渣玻璃體結構得到均勻化,顆粒產生微裂縫,鹼激發劑中的離子或分子可以進入裂縫,促進玻璃體的溶解,提高活化性能 Wang等[19]考察了礦渣細度與礦渣水化性能的關係,研究表明,礦渣粒徑小於等於20μm時,對提高試樣抗壓強度具有重要的作用,而粒徑大於20μm時,礦渣的水化活性會降低,影響試樣的強度 Obuzor等[20]研究表明,礦渣複合水泥比表面積的增加加速了水泥的水化反應速率,隨著養護齡期的延長,比表面積的增大對水泥水化反應程度的影響逐漸減小

張永娟[21]考察了礦渣細度對礦渣水泥早期水化性能的影響,研究表明礦渣細度越大,其表面活化能越高,因此活性愈高 趙爽[22]採用比表面積為387m2/g 456m2/g 512m2/g的礦渣研究細度對礦渣水化性能的影響,結果表明在鹼激發劑量一定的情況下,試樣水化產物的含量增加,礦渣水泥活性隨細度的增加而提高 Shen等[22]研究比表面積為600m2/kg 800m2/kg及1000m2/kg的鹼礦渣水泥的水化程度,結果表明時長3天時礦渣水化程度為38%~44%,時長28天時僅增加了3%左右

礦渣細度主要影響膠凝材料的水化速率,在生產過程中要考慮細度對膠凝材料強度和穩定性的影響

4 外加劑的影響

可以通過添加外加劑提高鹼激發礦渣膠凝材料的性能,目前應用於鹼激髮膠凝材料的外加劑主要有無機和有機兩大類 其中有機類主要為有機酸 聚丙二醇以及聚羧酸類減水劑,無機類添加劑按化學組成又可分為CaCO3 SiO2 TiO2 MgO等

Rashad等[23]研究添加石灰石粉對Na2SO4激發礦渣水化性能的影響,結果表明摻入5%石灰石粉可以提高試樣的抗壓強度 Sato等[24]研究指出納米CaCO3的加入,可以起到良好的填充作用,降低孔隙率,促進水化產物C-S-H凝膠的生成,進而提高試樣的強度 潘莉莎等[25]在矽酸鹽水泥中添加木素磺酸鈣減水劑,研究結果表明,減水劑對顆粒物具有分散作用,可以增大與水的接觸面積,提高水化速率 雷西萍[26]在礦渣水泥中添加不同量聚羧酸減水劑驗證對水化性能的影響,結果表明,礦渣水泥時長3天水化程度被抑制,時長28天試樣強度超過空白樣,因此隨著養護齡期的延長,水化程度不斷在增加 有機酸類外加劑通常為了延長膠凝材料的凝結時間以保證施工性能 Zhao等[27]的研究表明,酒石酸可以延緩早期的水化速率並限制了鈣礬石在水化初期的生成,保證了砂漿試樣在水化初期的流動性

5 結語

目前粒化高爐礦渣在國內僅限於生產礦渣水泥 混凝土摻合料等方面,從環保和節能方面考慮,利用粒化高爐礦渣生產水泥的過程不僅會消耗大量的能量,還會對空氣環境造成一定的危害,作為一種高附加價值的二次「資源」利用率較低,開發粒化高爐礦渣利用的新途徑,實現這一資源的再利用具有重要意義

利用礦渣開發新型膠凝材料代替矽酸鹽水泥是當前研究的熱點,礦渣膠凝材料具有早強 耐酸鹼腐蝕等優異性能,大量研究表明,利用化學方法可以有效地提高粒化高爐礦渣活性,獲得優質膠凝材料,這不僅可以降低礦渣堆放對環境造成的危害,還可以為礦山採空區充填等行業提供膠凝材料,使礦渣得到再利用 目前關於粒化高爐礦渣應用及活化的研究較多,但對礦渣的水化機理認識甚少,導致粒化高爐礦渣的利用受到制約,礦渣的開發利用存在很大潛力,因此,加強對粒化高礦渣水化機理的研究是今後的重點

通 知

關於徵集中華人民共和國建材行業標準《鋼渣瀝青混合料》編制單位的函