不同激發劑對免燒鋼渣陶粒抗壓強度的影響

易龍生 康路良 齊麗娜 李 行 黎七榮(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083)

不同激發劑對免燒鋼渣陶粒抗壓強度的影響

易龍生 康路良 齊麗娜 李 行 黎七榮(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083)

試驗選用NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃及這些試劑組成的復合試劑作為免燒鋼渣陶粒的外加激發劑，通過測定免燒鋼渣陶粒在不同激發劑下3、7和28 d的抗壓強度，分析對比了各種激發劑對免燒鋼渣陶粒抗壓性能的影響，并最終通過XRD確定了鋼渣在受到激發后生成的水化產物。試驗結果表明:激發劑能破壞鋼渣中的玻璃體網狀結構，釋放封存在體內的硅鋁鐵等活性成分，其中，復合激發劑NaOH+石膏(質量比為1∶1)對免燒鋼渣陶粒的激發效果最好，在此激發劑的激發作用下，生成的水化礦物相為鈣鐵輝石。

鋼渣 免燒陶粒 激發劑 抗壓強度

“十二五”規劃以來，我國對環境保護及二次資源再生利用的投入力度都在不斷加大。鋼渣作為一種鋼鐵冶金工業排放的固體廢棄物，其排出量約占粗鋼產量的15%～20%[1]，每年以數百萬t的速度在增長[2]，與之形成鮮明對比的是，我國鋼渣的利用率僅為50%～60%[3]。

鋼渣的大量堆積，不僅占用土地，污染環境，而且長年累月經雨水沖刷析出的重金屬也會對土壤及地下水造成污染，危害人們的生活和生存環境[4-6]；另一方面，鋼渣作為一種經急冷而形成的玻璃體，體內封存著大量能量，具有很強的熱力學活性，雖然其本身的膠凝性不強，但卻是一種很強的潛在膠凝活性物質[7-9]。選擇合適的激發劑來激發其潛在膠凝活性，制備高強度的免燒鋼渣陶粒，便可以將大量堆積的鋼渣化害為利、變廢為寶，還可以固化其中的重金屬物質，實現環境、經濟、社會三重效益的統一，符合我國科學發展的目標。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

(1)鋼渣。鋼渣取自湖南湘潭鋼鐵集團，呈灰白色，經磨細處理，主要化學成分分析結果見表1，粒度分布見圖1，XRD圖譜見圖2。

表1 鋼渣的主要化學成分
Table 1 Main chemical composition of steel slag %

成 分CaOSiO2TFeMgOAl2O3P2O5含 量38.4730.1616.828.404.480.04

從表1可以看出，鋼渣中CaO、SiO2、Fe含量較高，其次是MgO、Al2O3，P2O5含量極低。

從圖1可以看出，鋼渣粒度較細，主要集中在5～20 μm，+100 μm含量極低。

圖1 鋼渣粉粒度分布

圖2 鋼渣的XRD圖譜

從圖2可以看出，鋼渣的物相圖雜亂無章，這恰說明急冷后的鋼渣是一種玻璃體，無完整的結晶結構，故在XRD下看不出物相組成，需通過化學激發破壞玻璃體進行分子重排，從而形成完整的結晶。

(2)水泥。試驗用水泥熟料為市面上最常見的32.5#復合硅酸鹽水泥，呈灰色，化學成分及粒度分布分別見表2、圖3。

表2 水泥的主要化學成分
Table 2 Main chemical composition of cement %

成分CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3SO3K2OZnO含量49.4613.694.954.572.231.370.550.35

圖3 水泥粒度分布

從表2可以看出，水泥中的主要成分為CaO，其次是SiO2，MgO、Al2O3、Fe2O3等含量均較低。

從圖3可以看出，水泥的粒度比鋼渣粉略粗。

(3)石膏。石膏為工業二水石膏。

(4)細砂。細砂取自湘江河岸，細度模數為2.7。

(5)激發劑。試驗所用均為常用激發劑：NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃(均為分析純)，以及這些試劑按質量比1∶1組成的復合激發劑。

1.2 激發劑篩選試驗方案

因純鋼渣制成的免燒陶粒抗壓強度為0，故篩選最優激發劑的試驗固定水泥摻量為膠凝材料總量的30%，采用激發劑+鋼渣摻量占膠凝材料總量70%的配料方法來探究不同激發劑的不同摻量對免燒鋼渣陶粒抗壓強度的影響。鋼渣、激發劑所占比例及細砂、水分添加量如表3所示，按表3配方篩選出最佳激發劑。

表3 化學激發試驗方案Table 3 Experimental scheme of chemical activation

注：①激發劑表示NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃、NaOH+石膏、NaOH+水玻璃、NaOH+CaCl2、NaOH+CaCl2+水玻璃；②砂膠比指細砂與激發劑+鋼渣粉+水泥總摻量的比值；③水膠比指外加水與激發劑+鋼渣粉+水泥總摻量的比值。

1.3 試驗方法

2 試驗結果與分析

2.1 激發劑篩選試驗

2.1.1 單一激發劑對免燒鋼渣陶粒抗壓強度的影響

單一激發劑對免燒鋼渣陶粒抗壓強度影響試驗結果見表4。

從表4可以看出：

(1)未加激發劑時，免燒鋼渣陶粒3 d抗壓強度僅為4.32 MPa。當各激發劑加入量為2%時，免燒鋼渣陶粒的抗壓強度都得到提高，激發劑影響幅度由大到小的排列順序為CaCl2>NaOH>石膏>CaO>水玻璃，這是由于原料中加入了30%的水泥，提供了一定的堿性環境，當激發劑的加入量較小時，整個體系的堿性仍不足以大量溶蝕鋼渣玻璃體，使其釋放封閉于其中的硅鋁成分，故此時體系中的Ca2+濃度對強度的影響最大。一方面，Ca2+與部分溶蝕出來的硅鋁成分形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝物質；另一方面，Ca2+的加入也促進了水泥的水化作用，在一定程度上對水泥起了激發促進作用。所以，當單一激發劑的加入量不超過2%時，CaCl2的激發作用最好，而且，隨著CaCl2加入量的提高，免燒鋼渣陶粒的強度穩步提升，這說明Ca2+濃度的提高始終有利于整個體系的活化。

表4 單一激發劑制備的免燒鋼渣陶粒不同齡期的抗壓強度Table 4 Compressive strength of the non-sintered steel slag ceramsite activated by different single activator at different curing periods

(2)當激發劑的用量提高到4%和6%時，NaOH的激發作用最好，這是因為隨著激發劑用量的增加，整個體系堿性的影響馬上占據主導地位。NaOH是一種強堿性物質，具有強烈的堿腐蝕性，它的加入能迅速提高體系的堿性，當加入量達到一定值時，便將鋼渣玻璃體中的硅鋁鐵成分大量溶蝕出來，從而大大提高了鋼渣的活性，使免燒鋼渣陶粒產生較高強度；但NaOH并不是越多越好，隨著NaOH加入量的增加，陶粒強度提高的幅度從大到小，最后反而會降低陶粒的強度。這是由于當體系的堿性達到足以破壞整個鋼渣玻璃體時，堿性的進一步提高便不會再提高鋼渣的活性，相反，過高的堿性會使部分物質溶于堿中，導致整個體系的液固比例失衡，反而降低了免燒鋼渣陶粒的強度。

(3)當激發劑的用量提高到8%和10%時，水玻璃的激發作用開始變得最好。水玻璃的激發作用主要體現在2個方面：一是直接化學激發作用，二是間接化學激發作用。水玻璃本身是一種黏結劑，能夠依靠自身膠結力將其他顆粒物質黏結為一個整體，產生直接的化學激發，這在水玻璃加入量較少時起主要作用。同時水玻璃也是一種堿性物質，具有堿腐蝕性，它能像NaOH一樣破壞鋼渣玻璃體結構，對鋼渣的活化起間接化學激發作用。雖然它的堿性不如NaOH，但當加入量達到一定值時，便也可達到破壞整個玻璃體的最佳堿性，再加上本身的膠結作用，使得水玻璃的加入量達到一定值后，免燒鋼渣陶粒的早期強度得到大幅度提高。

(4)石膏對免燒鋼渣陶粒強度的提高效果相對平緩，這是由于石膏本身就是一種具有膠結性的激發劑，它對鋼渣活性的激發主要靠直接化學作用，由于堿性不夠，無法破壞鋼渣的玻璃體結構，因而強度的提高有限。

(5)CaO添加量超過2%時反而嚴重影響免燒鋼渣陶粒的強度，這是因為CaO遇水會發生體積膨脹，少量加入CaO可以提高體系的堿性，補充Ca2+促進活化，但稍微過量就會引起免燒鋼渣陶粒爆裂，表面產生很多裂紋，且裂紋隨CaO添加量的增多而增多。而且如果生成的Ca(OH)2含量過多，Ca(OH)2還會進一步生成六方板狀晶體，既沒有膠凝性，又容易溶解于水中，使免燒鋼渣陶粒產生更多空隙，這就嚴重影響到了免燒鋼渣陶粒的強度。

2018年11月26日，機電一體化專家博澤中國太倉新基地舉行了開業慶典儀式。多名博澤集團和中國區領導層、太倉市政府領導和業界人士共同出席了此次活動。

(6)免燒鋼渣陶粒在各激發劑作用下7 d抗壓強度的變化趨勢大體與3 d相同，除CaO外，7 d抗壓強度較3 d都有所上升，這說明隨著養護時間的延長，在各激發劑作用下整個膠凝體系的水化程度都在加深。而免燒鋼渣陶粒在各激發劑作用下28 d的抗壓強度發生了一些變化：首先，在NaOH、CaCl2的激發下，免燒鋼渣陶粒28 d的抗壓強度較7 d仍有一個穩步增長，在摻量為6%時，其抗壓強度分別達到16.22 MPa和14.54 MPa，這說明堿性對免燒鋼渣陶粒后期強度的提高要強于Ca2+，這主要是由于高堿性環境下溶蝕鋼渣玻璃體釋放出硅鋁鐵成分與鈣形成膠凝物質是一個緩慢的過程，從而導致鋼渣的水化速度較慢，但對后期強度卻是有利的。在石膏的激發作用下，免燒鋼渣陶粒28 d抗壓強度與7 d相比，最大增值僅為3.24 MPa，增幅不明顯。這是由于石膏主要是靠本身的直接化學作用，沒有真正溶蝕出封存在鋼渣體內的硅鋁鐵等活性成分，故后期強度增加不明顯。其次，在水玻璃的激發作用下，免燒鋼渣陶粒28 d的抗壓強度較7 d出現大幅度下降，摻量為10%時，從7 d的17.09 MPa降到了28 d的12.43 MPa，且抗壓強度并不隨水玻璃摻量的增加而增加，而是在摻量為6%時達到最低強度8.23 MPa，出現一個先降后升的趨勢。這可能是由于水玻璃本身的膠結作用隨著養護時間的延長，受到周圍環境等一系列復雜因素的影響而失效，從而嚴重影響到免燒鋼渣陶粒的后期強度，但同時水玻璃提供的堿性環境卻又利于后期強度的增加。

單一激發劑激發試驗表明，激發劑對鋼渣活性的激發主要有直接化學作用和間接化學作用，且間接化學作用對免燒鋼渣陶粒后期強度的提高要強于直接化學作用。

2.1.2 復合激發劑對免燒鋼渣陶粒抗壓強度的影響

復合激發劑對免燒鋼渣陶粒抗壓強度影響試驗結果見表5。

從表5可以看出，復合激發劑的加入對免燒鋼渣陶粒3、7、28 d的抗壓強度影響較大。其中，NaOH+石膏復合激發對免燒鋼渣陶粒抗壓強度的增幅最大，在NaOH+石膏的摻量為10%時，其3、7、28 d的抗壓強度分別達到了12.47、14.85、19.49 MPa，遠遠超過未加激發劑時的4.32、5.37、11.88 MPa，結合表4可知，也遠遠超過單加NaOH或石膏的情況。這說明NaOH+石膏的復合激發更有利于免燒鋼渣陶粒抗壓強度的提高，這可能是由于NaOH和石膏起到了一個相互促進的作用，一方面NaOH的加入比例合適，提供了良好的堿性環境，能夠較好地溶蝕鋼渣玻璃體，釋放出硅鋁鐵等活性成分，另一方面石膏又提供了一定的Ca2+，且本身具有膠結性，從而極大地提高了免燒鋼渣陶粒的強度。而在NaOH+CaCl2和NaOH+水玻璃的復合激發下，其3 d和7 d的抗壓強度均分別低于單加CaCl2或水玻璃的情況，28 d的情況則相反。這可能是由于CaCl2和水玻璃更有利于免燒鋼渣陶粒早期強度的提高，而NaOH則對后期強度的影響較大。NaOH +CaCl2+水玻璃的復合激發效果要低于這三者中任意一種單一激發劑的激發效果，甚至在28 d時，其抗壓強度要低于未加激發劑時的情況。

表5 復合激發劑制備的免燒鋼渣陶粒不同齡期的抗壓強度Table 5 Compressive strength of the non-sintered steel slag ceramsite activated by composite activators at different curing periods

這可能是由于膠凝體系中生成了沒有膠凝性的沉淀物質，覆蓋在鋼渣表面，影響了鋼渣的活化。

上述試驗表明，復合激發劑NaOH+石膏對免燒鋼渣陶粒抗壓強度提高效果最顯著。

2.2 NaOH+石膏復合激發對免燒鋼渣陶粒水化礦物相的影響

為了確定復合激發劑NaOH+石膏激發鋼渣后的水化產物，在該復合激發劑下進行了純鋼渣激發試驗。其中鋼渣摻量為85%，NaOH+石膏摻量為15%，砂膠比和水膠比仍維持在1∶6和1∶3不變。自然養護3、7、28 d，抗壓強度分別為14.53、17.46、17.87 MPa，并對養護28 d后的免燒鋼渣陶粒粉磨制樣，其XRD圖譜見圖4。

從圖4可以看出，在NaOH+石膏的復合激發作用下，鋼渣水化后的主要結晶相為SiO2和鈣鐵輝石，而原鋼渣本身是一種經急冷后所形成的沒有完整結晶相的玻璃體。這說明在NaOH+石膏的激發作用下，鋼渣的玻璃體網狀結構受到破壞，釋放出了活性硅鋁成分，在堿性環境下與鈣、鐵等物質形成了具有膠凝性的硅酸鹽礦物。

圖4 NaOH+石膏激發純鋼渣水化28 d的XRD圖譜

3 結 論

(1)在單一激發劑激發試驗中，NaOH、石膏、CaCl2和水玻璃都對鋼渣具有一定的激發作用，其中NaOH和CaCl2更有利于免燒鋼渣陶粒后期強度的提高，石膏和水玻璃更有利于提高其早期強度，而對后期強度增幅減緩，甚至出現下降；CaO在激發過程中因體積膨脹出現爆裂現象，嚴重降低了免燒鋼渣陶粒的強度。

(2)鋼渣的活性激發作用主要可分為3種：激發劑本身具有膠結性的直接化學激發作用，破壞鋼渣玻璃體結構、生成新組分的間接化學激發作用以及二者的復合化學激發作用。

(3)NaOH+石膏組成的復合激發劑對鋼渣的激發效果最好，在摻量為10%時，免燒鋼渣陶粒3、7、28 d的抗壓強度分別達到了12.47，14.85和19.49 MPa。

(4)鋼渣在NaOH+石膏的復合激發下，玻璃體網狀結構受到破壞，溶蝕出的活性組分生成的水化產物為鈣鐵輝石，有效提高了鋼渣的膠凝性。

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(責任編輯 羅主平)

Effect of Different Activators on Compressive Strength of Non-sintered Steel Slag Ceramsite

Yi Longsheng Kang Luliang Qi Lina Li Hang Li Qirong(SchoolofMineralProcessing&Bioengineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

Compressive strength of non-sintered steel slag ceramsite，being added of different reagents of NaOH，CaO，gypsum，CaCl2，sodium silicate，curing at 3,7,28 d are detected.Effect of various activators on the compressive property of non-sintered steel slag ceramsite is analyzed and compared.The hydrate products of steel slag generated after activation are finally determined by XRD analysis.The test results show that the activators can destroy the vitreous network structure of the steel slag and release active ingredients sealed inside，such as ferro-silico aluminium，among which，the composite activator made up of NaOH and gypsum(ratio of which is 1∶1) has the best activation effect on non-sintered steel slag ceramsite.Activated by this activator，the hydrated mineral phase generated from steel slag is hedenbergite.

Steel slag，Non-sintered ceramsite，Activator，Compressive strength

2014-11-01

易龍生(1964—)，男，所長，教授，碩士。

TD926.4

A

1001-1250(2015)-01-166-05