利用钢渣粉制备干粉砂浆的研究

利用钢渣粉制备干粉砂浆的研究

吕林女,刘秀梅,何永佳,熊付刚,胡曙光(武汉理工大学,湖北武汉430070)

0 前言
今后胶凝材料的发展方向是利用大量废弃物以及工业副产物生产环境友好型材料,以减少能源、资源消耗和废弃物[1]。钢渣是炼钢工业的废渣,其排放量为钢产量的15%左右。我国钢年产量接近3 亿t,钢渣的年排放量达到5000 万t 以上。钢渣主要来自金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬料和炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢材性质而加入的造渣材料。其矿物组成包括橄榄石、硅酸二钙、硅酸三钙以及少量游离CaO、MgO、玻璃体等成分,具有一定的水化自硬能力,经过闷渣和超细粉活化处理后,可以较好地解决f-CaO、MgO 的膨胀问题,同时激发其反应活性[2]。排放的钢渣不仅侵占了大片土地与农田,还对周围环境造成了很大污染。研究钢渣粉取代部分水泥用于制备商品砂浆,对于降低商品砂浆的生产成本,提高钢渣的利用率,减轻其环境负荷都具有重要意义。

1 原材料及实验方法
1.1 原材料
钢渣粉:武汉绿色冶金渣公司生产的钢渣粉,密度为3.19g/cm3,比表面积为470 m2/kg,化学成分见表1。其矿物成分有C2S、C3S、C3A、Ca(OH)2、MgO、α-SiO2 等。颗粒分布见表2。
水泥:华新水泥股份有限公司生产的32.5P·O 水泥,颗粒分布见表2。
矿渣粉:武汉钢铁股份有限公司生产的磨细矿渣粉,比表面积为450 m2/kg,其化学组成见表1,颗粒分布见表2。

砂:中砂,细度模数2.4。
纤维素醚:赫克力士天普化工有限公司生产的纤维素醚HK-75000(以下简称HK)。

1.2 试验方法
砂浆试件的制备、养护、抗压和抗折强度的测试参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法》进行,工作性能的测试参照JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》和《砌筑水泥的保水率试验方法》进行。

2 实验及结果讨论
2.1 单掺钢渣砂浆实验
2.1.1 实验配合比
实验中固定水胶比、胶砂比及胶凝材料用量,钢渣粉的掺量(替代水泥量)为0~70%,具体配合比见表3。

2.1.2 实验结果
钢渣粉掺量对砂浆试样的稠度、保水率结果见图1;钢渣粉掺量对砂浆抗压、抗折强度的影响如图2 所示。

2.1.3 分析与讨论
由图1 可见,砂浆稠度与钢渣粉掺量的曲线大致可以分为3 段:(1)钢渣粉掺量小于10%时与横坐标基本平行的直线段,即掺钢渣粉砂浆的稠度与未掺钢渣粉砂浆的基本相同,说明在该掺量范围内,钢渣粉对砂浆的稠度基本没有影响;(2)钢渣粉掺量在10%~30%时的斜向上曲线段,即随着钢渣粉掺量增加,砂浆的稠度增加且均大于空白砂浆;(3)钢渣粉掺量在30%~70%时的斜向下曲线段,即随着钢渣粉掺量增加,砂浆的稠度降低。当钢渣粉掺量超过50%时,砂浆的稠度低于空白砂浆。可见,钢渣粉对砂浆稠度的影响与其掺量有关。
图1 还表明,掺钢渣粉有利于提高砂浆的保水性能。未掺钢渣粉纯水泥砂浆的保水率不足75%,当钢渣粉掺量为70%时,砂浆的保水率可达到85%以上。分析认为,这主要与钢渣粉的表面形态、颗粒分布以及水化活性等有关,钢渣为大小不一的不规则多边形,其表面有较多细小的附着物。由表2 也可知,钢渣粉颗粒分布范围较宽,且3 μm 以下的细颗粒含量高于水泥。这些对中断砂浆基体中泌水通道的连续性、提高粘聚性有一定作用,从而在一定程度上提高了砂浆的保水性能。但是值得注意的是,尽管单掺钢渣粉的砂浆保水性比空白砂浆好,但泌水现象仍然存在,保水性能不是很理想。
由图2 可见,砂浆的强度随着钢渣粉掺量的增加而降低,当掺量为30%~50%时,强度下降速率相对要小,分析认为,此阶段钢渣粉填充作用比较明显,因此砂浆的强度下降速率相对小一些。当掺量小于30%时,砂浆强度下降幅度较大。分析认为,钢渣中的Al2O3、CaO、SiO2 含量比水泥中的含量少得多,且其特殊的热历史造成钢渣中的矿物晶体生长发育较大,晶格稳定,使得其水化活性低。其部分活性在钢渣闷渣的过程中被消耗也是取代水泥使用时强度降低的部分原因。所用的钢渣是经过闷渣和超细粉活化处理的,因此与水反应发生溶解时会生成大量的OH-、Ca2+离子,pH 值不断升高,从而使水泥的水化受阻,也可能是强度负面影响的原因。砂浆7 d 强度随着钢渣粉掺量增加而下降速率较大,但28 d 强度下降的幅度减少,这说明钢渣的水硬性发展缓慢,其活性效应在中后龄期才发挥作用。

2.2 复掺钢渣粉与矿渣粉砂浆实验
2.2.1 实验配合比
为了提高钢渣砂浆的强度,根据复合材料的“超叠加效应”原理[3],在原钢渣砂浆配比的基础上,按合适的比例用矿渣粉取代部分钢渣粉以改善钢渣砂浆的强度。本实验希望在满足强度的条件下,尽可能地利用钢渣粉,因此经过前期探索研究,确定其它材料用量不变,将m(钢渣粉)∶m(矿渣粉)定为6∶4。具体配合比见表4。

2.2.2 实验结果
矿渣粉和钢渣粉复掺对砂浆稠度、保水率的影响见图3,矿渣粉和钢渣粉复掺对砂浆抗压、抗折强度的影响见图4。


2.2.3 分析与讨论
从图3 可见,砂浆的稠度、保水率与钢渣粉、矿渣粉总掺量的关系同其与钢渣粉掺量的关系(见图1)类似。与单掺钢渣粉的砂浆相比,在钢渣砂浆中加入矿渣粉后,砂浆的稠度略有增大,保水性略有降低。这与矿渣粉中玻璃体含量较高,但矿渣粉掺量低于钢渣粉有关。从图4 可见,在钢渣砂浆中加入矿渣粉后,和单掺钢渣粉的砂浆相比,其7 d、28 d 抗折和抗压强度显著增强,当钢渣粉、矿渣粉复掺掺量在30%以下时,砂浆的强度大于空白砂浆,复掺掺量在40%时,砂浆的强度与空白砂浆持平。其作用机理为:钢渣的SiO2、Al2O3 成分含量较低,而矿渣的含量却很高,两者可以起到互补的作用。经过闷渣和超细粉活化处理之后,钢渣中的f-CaO 生成Ca(OH)2,当钢渣与水反应发生溶解时,释放出大量的OH-、Ca2+离子,pH 值不断升高,当pH 值达到一定程度时,矿渣的玻璃态硅氧结构迅速溶解,溶解了的各形态硅酸离子、铝氧离子和钢渣释放的Ca2+、OH-生成CSH 和CAH 凝胶[4],填充于网络结构中,钢渣和矿渣水化互相促进,使结构密实产生强度。此外,由表2 也可知,钢渣、矿渣以及水泥的颗粒粒径分布存在差异,钢渣、矿渣的合理复掺可进一步提高其物理填充作用,降低砂浆中的孔隙率,提高密实度,进而提高抗压和抗折强度。

2.3 纤维素醚改善钢渣砂浆工作性能实验
2.3.1 实验配合比
在钢渣砂浆中掺入适量的矿渣粉,能获得较高的抗压、抗折强度,但砂浆的保水性能不够理想。为此,在确定钢渣粉与矿渣粉取代量为40%的砂浆基础上添加纤维素醚(HK),把水胶比降低到0.8,研究纤维素醚掺量对钢渣砂浆性能的影响。具体配合比见表5。

2.3.2 实验结果
HK 掺量对砂浆稠度、保水率的影响见图5,HK 掺量对砂浆抗压、抗折强度的影响见图6。

2.3.3 分析与讨论
由图5 可见,随着纤维素醚掺量增加,砂浆的稠度变大,保水性能提高,当纤维素醚的掺量达到0.15%时,泌水现象得到解决。分析认为,纤维素醚掺入砂浆浆体后,附着在胶凝材料颗粒表面,使胶凝材料均匀分散在砂浆中,不出现成团现象,并包裹所有的固态颗粒,形成一层润湿膜,使整个体系变得十分稳定,包裹的水分在相当长的时间内才逐步释放[5],因此保水性很好。由图6 可见,随着纤维素醚掺量增加,砂浆的强度有一定程度的降低,这主要是由于随着纤维素醚掺量的增加,生成的气泡增多,使砂浆的孔隙率增大,从而降低了砂浆的密实度。纤维素醚的掺量为0.15%,钢渣、矿渣复掺比例为6∶4,复掺掺量为40%,水胶比为0.8 时,可获得工作性能优良的M10 砂浆。

3 结语
(1)在砂浆中单掺钢渣粉或复掺钢渣、矿渣粉均有利于提高其保水性能,但泌水现象仍然存在,若同时掺入0.15%以上的纤维素醚可有效解决其离析泌水现象。
(2)单掺钢渣粉或复掺钢渣、矿渣粉对砂浆稠度的影响与其掺量有关,在掺量合适时有利于提高砂浆的稠度。
(3)在砂浆中单掺钢渣粉时,随着钢渣粉掺量增加,砂浆强度下降,但同时复掺矿渣粉可显著提高砂浆的强度,钢渣粉与矿渣粉掺加比例为6∶4、复掺掺量30%以下时的砂浆强度大于空白砂浆,复掺掺量40%时的砂浆强度与空白砂浆持平。
(4)掺纤维素醚可大幅度提高钢渣砂浆的工作性能,但力学性能有所降低。
(5)在水胶比为0.8 的砂浆中复掺钢渣、矿渣粉(复掺比例6∶4,掺量40%),同时掺加0.15%纤维素醚,可制备出工作性能优良的M10 砂浆。

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