礦渣沸石基水泥的試驗研究

李文杰

（安徽海螺建材設計研究院，蕪湖 241070)

礦渣沸石基水泥的試驗研究

李文杰

（安徽海螺建材設計研究院，蕪湖 241070)

研究了礦渣沸石基水泥中原料組成含量對水泥的強度、凝結時間及標準稠度等性能的影響規律，并探討了該水泥體系的水化機理。研究結果表明，以30%的沸石、25%的熟料、34%的礦渣、6%的鋼渣和5%的石膏，可以制備出3d抗壓強度達15.3MPa、28d抗壓強度達42.8 MPa的礦渣沸石基水泥。該水泥的主要水化產物為C-S-H凝膠和水化硫鋁酸鈣。

沸石，礦渣，鋼渣

引言

沸石是凝灰巖經風化作用而成，其化學組成以SiO2和Al2O3為主[1]。30年前[2]，在我國就興起了開發利用天然沸石巖的熱潮，相比其他火山灰質材料，沸石具有更高的活性，在水泥中摻入一定量的沸石可以改善水泥的性能。沸石礦物的鋁酸巖結晶在Ca(OH)2的作用下逐漸破壞，并反映生成鋁酸鈣和硅鋁酸鈣等水化產物，提出“脫鋁-解硅-吸鈣多階段反應的模式”[3]。我國天然沸石儲量巨大，但對沸石的利用程度遠遠不夠。本文以未經任何處理的天然沸石、礦渣和熟料等為主要原料制備低能耗的礦渣沸石水泥，對沸石的綜合利用開辟一條途徑。

1 原料與試驗

1.1 原料

天然沸石：含少量水分的塊狀固體，外觀為淺黃色。使用前將沸石置于90℃烘箱中烘干，再用Φ500mm×500mm標準磨粉磨至勃氏比表面積為605.4 m2/kg。

礦渣：取自武漢鋼鐵集團公司，使用前將礦渣置于120℃烘箱中烘干，再用Φ 500mm×500mm標準磨粉磨至勃氏比表面積為446.9 m2/kg。

熟料，采用白馬山海螺水泥有限公司生產的硅酸鹽水泥熟料，用Φ500mm× 500mm標準磨粉磨至勃氏比表面積為435.2m2/kg。

鋼渣：取自武漢鋼鐵集團公司，使用前將鋼渣置于120℃烘箱中烘干，再用Φ 500mm×500mm標準磨粉磨至勃氏比表面積為594.4 m2/kg。

石膏：取自白馬山海螺水泥有限公司，用Φ500mm×500mm標準磨粉磨至勃氏比表面積為429.2 m2/kg。

各原料化學成分見表1。

表1 原料的化學成分(wt/%)

1.2 方法

沸石、礦渣、熟料、鋼渣、石膏按照表2的配比制備出不同的水泥。按照GB/ 1346-2001方法測定標準稠度、安定性、凝結時間。按照GB/T 17671-1999方法，水灰比為0.5，膠砂比為1∶3，在40mm×40mm×160mm鋼制三聯試模中成型砂漿試樣，先在相對濕度95%的養護箱中養護24h后再脫模，然后將試塊放置20℃下浸水養護。

不同配比試樣的各物理性能測定結果見表2。

2 結果與分析

2.1 原料配比對水泥物理性能影響

根據表2，A1-A5試樣的熟料、鋼渣和石膏配比不變，沸石摻量由20%增加到40%，同時礦渣摻量從44%降低到24%，可以看出，隨著沸石的增加，需水量變大，這是由于沸石結構很疏松，內部有很多孔洞；同時水泥的初凝和終凝時間都變化不大。

表2 試樣配比及物理性能測定結果

不同沸石摻量的砂漿各齡期抗折、抗壓強度測定結果如圖1。由圖1可見，隨著沸石摻量增加和礦渣摻量的減小，3d、7d強度均先增大后減小，而28d強度則隨著沸石摻量的增加而逐漸減小。當沸石摻量不大于30%時，3d、7d和28d強度變化趨勢不大；一旦沸石摻量超過30%時，3d、7d和28d強度均明顯下降。當其摻量達到40%時，3d、7d和28d抗壓強度分別下降為9.5MPa、16.6MPa和34.3MPa，下降幅度超過20%。由此可見，在該水泥中，沸石參與了水化反應，而沸石活性沒有礦渣好，因此沸石摻量不宜超過30%。

圖1 不同沸石摻量下各齡期的抗折和抗壓強度

A6、A7、A8、A3試樣的沸石、石膏和鋼渣配比不變，熟料摻量由15%增加到30%,同時礦渣摻量從44%降低到29%。由表2可以看出，隨著鋼渣的增加，需水量變大，初凝和終凝時間也隨之變長。

不同熟料摻量的各齡期砂漿抗折和抗壓強度測試結果如圖2。由圖2可見，隨著熟料摻量增加和礦渣摻量減小，3d、7d、28d抗折和抗壓強度均直線下降。由此可見，在該水泥體系中，熟料水化對水泥強度的發展起到重要作用。

圖2 不同熟料摻量下各齡期的抗折和抗壓強度

A9-A11、A3試樣的沸石、礦渣和石膏配比不變，鋼渣摻量由2%增加到8%，同時熟料摻量從29%降低到23%。由表2可以看出，隨著鋼渣的增加，水泥需水量降低，初凝和終凝也隨之變長。

不同鋼渣摻量的各齡期砂漿抗折和抗壓強度測定結果如圖3。由圖3可見，隨著鋼渣摻量增加和熟料摻量的減小，3d、7d和28d強度均先先不變后減小。當鋼渣摻量不大于6%時，3d、7d和28d強度變化趨勢不大；當鋼渣摻量超過6%時，3d、7d和28d強度均明顯下降。由此可見，在該水泥中，鋼渣主要起堿性激發的作用，摻量不宜超過6%。

圖3 不同鋼渣摻量下各齡期的抗折和抗壓強度

由上可見，當熟料：沸石：礦渣：鋼渣：石膏=25∶30∶34∶6∶5配比，此時生成出的水泥3d強度為15.3MPa、28d強度為42.8MPa,沸石摻量可達30%，性能可與32.5R復合硅酸鹽水泥相近。

2.2 水化機理分析

沸石在Ca(OH)2溶液中，一方面Ca2+與沸石中的Na+和K+進行離子交換，另一方面沸石中的AlO2-和SiO42-被Ca(OH)2激活并參與水化反應[4]。礦渣是具有潛在水硬活性的膠凝材料，在少量堿性激發劑的情況下，可以依靠自身的化學組成形成凝膠物質而具有水硬性[5]。

當沸石、熟料、鋼渣、礦渣和石膏加水攪拌時，鋼渣中的Ca2+遇水生成Ca(OH)2，使漿體迅速成堿性；由于熟料活性優于沸石和礦渣，因此熟料最先水化形成晶核；同時Ca(OH)2促進沸石和礦渣中的AlO2-和SiO42-溶出，與石膏中的SO32-反應生成C-S-H凝膠和水化硫鋁酸鈣。

在礦渣沸石水泥中，熟料一方面提供沸石和礦渣水化所需的堿性環境，另一方面自身水化提供漿體硬化所需的C-S-H凝膠和水化硫鋁酸鈣；由于鋼渣形成溫度很高，結構非常致密，自身水化很慢，因此主要起堿性激發的作用，加速礦物水化；由于沸石和礦渣水化活性沒有熟料好，早期水化慢，因此水泥早期強度比較低，但是后期強度能持續增長。

3 結論

a. 以30%的沸石為基質材料，摻25%的熟料、34%的礦渣、6%的鋼渣和5%的石膏，可以制備出3d抗壓強度達15.3MPa、28d抗壓強度達42.8 MPa的礦渣沸石基水泥，其強度能達到32.5R復合硅酸鹽水泥強度標準。

b. 鋼渣主要起堿性激發的作用；熟料保證水泥的早期強度及漿體持續的堿性環境；沸石和礦渣保證水泥持續的后期強度。

c. 該水泥的主要水化產物為C-S-H凝膠和水化硫鋁酸鈣。

[1]孫孝.用沸石代替火山灰作混合材生產水泥的試驗[J].水泥工程,2003, (1)∶44-46

[2]廉慧珍.沸石巖火山灰活性的研究[J].硅酸鹽學報,2002, 30(4)∶411-416.

[3]郭競雄，梁春林.沸石在水泥中作用機理的研究[J].硅酸鹽學報，2009,31（4）∶53-55.

[4]劉連成，喬麗娜.鋼渣沸石水泥的研究[J].硅酸鹽通報，2008,27（3）∶508-511.

[5]黃赟．磷石膏基水泥開發研究[D]．武漢理工大學博士論文，2010

TQ172

：B< class="emphasis_bold">文章編號1

1007-6344（2015）06-0001-02

李文杰（1987-），碩士研究生，男. E-mail：liwenjie646269@126.com