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赤泥、电解锰渣复合激发钢渣活性的研究

2019-07-03 09:36来源:成弘建作者:陈平,梁康,赵艳荣,刘荣进,韦家崭,周宏研关键词:钢渣电解锰渣赤泥收藏点赞

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钢渣是冶炼钢铁时产生的副产品,约占粗钢产量的15%~20%,是在冶炼过程中由于石灰、萤石等造渣材料的加入,炉衬的浸蚀以及铁水中硅、铁等物质氧化而成的复合固溶体。我国钢渣累积堆积已经超过10 亿t,但钢渣的综合利用率约为22%,远低于欧美等西方发达国家。国外对钢渣开展研究时间虽然早,但主要是将钢渣作为道路材料等低附加值的使用,在水泥混凝土中的利用率较低;国内很早就将钢渣作为铁质校正原料在水泥生料配料中进行使用,以及利用钢渣生产钢渣水泥,在混凝土中可替代部分石子作为骨料使用,经过加工磨细后的可作为矿物掺合料进行利用,尚建丽等人研究表明,钢渣与矿渣、硅灰复合之后,在钢渣掺量高达60%,仍可稳定生产C30 混凝土。钢渣的大量堆积存在诸多问题,如占用着大量的耕地;钢渣中含有一定量的铁,造成铁资源的浪费;钢渣中含有一些重金属元素,不进行处理直接进行堆积会造成地下水的污染;钢渣影响着钢铁行业的长远发展。将如果能将钢渣应用于水泥混凝土行业中,对提高钢渣资源利用率有很大的帮助。

胶凝活性差是钢渣利用率较低的主要原因。研究表明,钢渣中具有和水泥熟料相似的矿物组分C3S、C2S,是一种具有潜在活性的矿物掺和料。但是由于矿物的结晶致密、晶粒较大,使得胶凝活性矿物水化速度较缓慢,进而降低了早期强度。选择合适的激发剂对钢渣进行活化处理,激发钢渣潜在活性,对于钢渣在水泥混凝土行业中的广泛使用具有重要意义。

目前钢渣活性手段主要有机械激发、化学激发、热力激发等手段。化学激发目前研究取得一定的成果,主要的激发剂有酸激发剂、碱激发剂、硫酸盐激发剂,如水玻璃、NaOH、硫酸、醋酸、石膏、Na2SO4等。但由于利用化学试剂成本过高,而且与水泥混凝土协调性差,一旦加入量过多会对混凝土造成致命的伤害。赤泥中含有大量的碱,电解锰渣中含有大量的硫酸盐,将二者复合对钢渣进行活性激发,不仅原料价格低廉易得,而且三者的协调性非常好,对提高电解锰渣、赤泥资源利用率有一定的帮助。

本研究拟采用赤泥与电解锰渣复合激发钢渣活性,将碱激发与硫酸盐激发同时进行,最大程度激发钢渣活性。赤泥在钢渣水化时提供碱性环境,促进钢渣的水化;电解锰渣在钢渣水化过程中可溶解出SO42-,可以加快钢渣水化速率,促进水化产物中AFt 的形成。结合相应试样的XRD、SEM水化产物微观结构的分析结果,探索复合激发剂的活性激发机理。

1 试验

1.1 试验原料

广西柳钢集团生产的热焖钢渣,密度3.57 g/cm3,比表面积(535±5)m2/kg,主要化学成分如表1 所示。

水泥:柳州鱼峰P·I 42.5 级水泥,密度3.18 g/cm3,比表面积(350±5)m2/kg,纯水泥7、28 d 抗压强度分别为39.1、46.1 MPa,其化学成分如表1 所示。

广西平果铝业公司赤泥拜耳法赤泥密度为3.0 g/cm3,比表面积为(360±5)m2/kg,化学成分如表1 所示。

电解锰渣密度为2.61 g/cm3,比表面积为(380±5)m2/kg,化学成分如表1 所示。

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1.2 试验方案

利用小型试验球磨机将烘干的原料粉磨至相应细度,按表2 配合比称量原料,参照国家标准GB/T 17671—1999成型水泥胶砂试件,胶砂流动度参照国标GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测定,试件在温度22 ℃、湿度90%的湿气养护箱内养护24 h 后脱模,放入温度(20±2)℃的养护池内养护至规定龄期,水泥胶砂强度检验按GB 177—1992 标准进行试验。净浆试块按照试验配合比准确称量混合料共60 g,成型后在温度22 ℃、湿度90%的湿气养护箱内养护24 h 后脱模,放入温度(20±2)℃的养护池内养护至规定龄期取出,烘干后利用振动磨进行粉磨,过200 目方孔筛再进行XRD 射线衍射分析。SEM 微观形貌分析则采用压碎的胶砂试块进行。

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2 试验结果与分析

2.1 不同比例复合激发剂对钢渣试样强度的影响

利用赤泥、电解锰渣复合激发钢渣活性,以水泥、钢渣、赤泥、电解锰渣、标准砂为主要原料制备不同配合比的胶砂试样,试样性能测试结果如表3 所示。

从表2 可以看出,与未加入激发剂的A 组相比,加入复合激发剂后钢渣试样的强度均有所提高,而早期强度提高较快,后期强度增长速度较慢。其中,当赤泥与电解锰渣比例为1∶2时,试样F 早期强度增加最明显,7 d 抗压强度可以达到31.9 MPa,当赤泥与电解锰渣比例为3∶2、3∶1 时,试样G、H 的强度也有明显提高,而当赤泥与电解锰渣的比例为2∶3、1∶1 时,试样B、D 强度没有得到提高。整体而言,赤泥与电解锰渣复合激发钢渣的活性,对钢渣的早期强度影响较大,而后期强度的增长不明显。

2.2 不同比例复合激发剂对钢渣试样水化矿物相的影响

采用不同质量配合比激发剂制备的钢渣净浆试样养护28 d 后,对其水化产物进行XRD 分析,如图1 所示。

从图1 中可以看出,未加入复合激发剂的试样A 的水化产物主要有C-S-H 凝胶、AFt 和Ca(OH)2,同时还有未水化的C2S,钢渣水化程度低,加入激发剂后,水化产物的种类基本没有变化,但矿物相变化较大。Ca(OH)2的衍射峰变弱,C-S-H 凝胶衍射峰变强。其中试样F 中C-S-H 和AFt 的衍射峰较高,而Ca(OH)2的衍射峰明显降低,说明该配合比下,赤泥、电解锰渣可加快钢渣的水化速率,促进Ca2+的吸收,使Ca(OH)2含量减少。试样B、D 中Ca(OH)2衍射峰较强,而C-S-H 衍射峰较低,说明钢渣的水化速率低,水化产物少,密实度较低。不同比例激发剂制备的钢渣试样水化28 d 的XRD 结果与28 d 抗折抗压强度的试验结果相吻合。

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2.3 不同比例激发剂对钢渣试样微观结构的影响

不同比例激发剂制备的钢渣试样水化28 d 的SEM照片如图2 所示。

对图2 中个点进行能谱分析可知图B、C、D、H 中的a是薄片状矿物的Ca(OH)2晶体,图2 各照片中b 为珊瑚状、花絮状、许多粒子构成的网络状的C-S-H,图2 各照片中c 是棒状的钙矾石晶体,图2 各照片中不规则花瓣形状的矿物d 是单硫型水化铝酸钙。对比各组试样的微观结构照片发现,试样A 在28 d 水化后C-S-H 较少,导致结构不密实,强度降低;而加入激发剂的其他试样在28 d 水化后,AFt 晶体、C-S-H 凝胶较多,Ca(OH)2晶体减少,这与28 d抗折抗压强度的试验结果相吻合。

赤泥属于碱性废渣,可以为钢渣的水化提供碱性环境,钢渣经过破碎和粉磨之后存在断键,在赤泥提供的碱性环境中会发生形成键Si-O 和Al-O 键的不断破坏,玻璃体解体,释放出Ca2+与硅(铝)氧四面体,不断生成C-S-H 凝胶,并反应生成AFt 晶体,从而提高了钢渣的活性。电解锰渣中含有较多的硫酸盐,可以加快钢渣在水化过程中钙矾石的生成速率,从而可以提高钢渣在水中的水化,对于钢渣试样早期强度的提高比较有利。将赤泥与电解锰渣复合激发钢渣活性,一方面赤泥可以为钢渣的水化提供碱性环境,另一方面,电解锰渣促进钢渣水化过程中钙矾石的形成。在赤泥、电解锰渣较多的B、D 中,由于赤泥、电解锰渣胶凝活性较低,而少量的钢渣不能在赤泥提供的碱性环境中释放出大量的Ca2+与硅(铝)氧四面体,因此生成的C-S-H 凝胶以及AFt 晶体也不多;造成钢渣试样的密实度较低,因此强度难以提高。

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3 结论

(1)加入激发剂后,钢渣早期强度得到不同程度的提高,而后期强度大部分得到提高。在微观表征方面,从XRD中可以看出水化产物中Ca(OH)2的衍射峰变弱,而C-S-H凝胶、AFt 衍射峰变强;从SEM中可以看出,加入激发剂后,钢渣试样水化产物中片状的Ca(OH)2减少了,而絮凝状的C-S-H 凝胶以及棒状的AFt 晶体数量明显较多,说明加入激发剂能够激发钢渣的活性,加快钢渣的水化速率。

(2)当钢渣、赤泥、电解锰渣三者的质量配合比为3∶1∶2时,钢渣7 d 的活性指数从46%提高到82%, 28 d 的活性指数从61%提高到82%,激发效果最好。

(3)当引入复合激发剂时,对钢渣潜在的活性有一定的激发作用,加快了钢渣的水化速率,同时水化产物中Ca(OH)2数量明显减少,C-S-H 凝胶、AFt 晶体的数量增加明显,使钢渣胶凝材料结构密实性更好,因而抗折抗压强度明显提高。


原标题:赤泥、电解锰渣复合激发钢渣活性的研究
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