化學激發(fā)劑對鋼渣體系的激發(fā)效果研究

王瑞蘭，蔣文莉，李庚英

（1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.華南農(nóng)業(yè)大學，廣州 510640）

1 概述

由于鋼渣的活性較低，嚴重制約了鋼渣的利用[1]。因此，人們圍繞提高鋼渣的活性進行了許多研究[2]，已有研究主要分為機械活化和化學激發(fā)兩大類。機械活化主要是用機械粉磨的方法提高鋼渣的細度，通過提高細度來提高鋼渣的反應(yīng)能力[3]。由于機械活化對提高鋼渣強度活性的效果不明顯，而且鋼渣的易磨性較差、粉磨電耗高，因此，單靠機械活化的辦法來提高鋼渣的活性，在技術(shù)上和經(jīng)濟上都不可取。化學激發(fā)實際上應(yīng)該包括所有能提高鋼渣水化膠凝活性的化學措施，如鋼渣與水泥復合、鋼渣與礦渣復合及采用化學激發(fā)劑對鋼渣的激發(fā)等。常用的化學激發(fā)劑有石膏、熟料、石灰和堿金屬的硅酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物等[4]。

本文通過研究不同化學激發(fā)劑加入純鋼渣體系和鋼渣—水泥體系時的強度變化規(guī)律，考察了化學激發(fā)劑的種類、性能參數(shù)、摻量、復合配伍及養(yǎng)護條件等因素對激發(fā)效果的影響，對化學激發(fā)劑的選用和工藝參數(shù)的選擇進行了初步探討。

2 試驗原材料及試驗方法

2.1 試驗原材料

（1）鋼渣粉。本試驗采用慢冷鋼渣粉（M60，比表面積399m2/kg），其化學成分如表1，顆粒分布如表2。

表1 慢冷鋼渣（M60）化學組成

表2 慢冷鋼渣（M60）顆粒分布

（2）水泥。水泥采用廣州市珠江水泥有限公司生產(chǎn)的P·II 42.5R水泥，化學成分及基本物理性能分別如表3和表4。

表3 硅酸鹽水泥化學組成

表4 硅酸鹽水泥的物理力學性能

續(xù)表4

（3）激發(fā)劑：水玻璃、石膏、硫酸鈉、明礬石等。

2.2 試驗方法

采用20mm×20mm×20mm的凈漿試體，在溫度50℃±5℃和濕度95%±5%條件下，養(yǎng)護24h后測定試體的抗壓強度。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水玻璃對純鋼渣性能的影響

為了避免水泥的影響，研究水玻璃對鋼渣的激化效果，首先進行了水玻璃對純鋼渣激發(fā)的試驗，試驗方案及試驗結(jié)果如表5。

表5 水玻璃模數(shù)、濃度及養(yǎng)護溫度對鋼渣激發(fā)效果

續(xù)表5

水玻璃模數(shù)m是決定純鋼渣—水玻璃體系性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，其影響如圖1。

圖1 水玻璃模數(shù)對鋼渣強度的影響

圖1表明，當水玻璃的模數(shù)為1.2～1.8時，試樣強度發(fā)展較快，①水玻璃中的SiO2的初聚狀態(tài)有利于鋼渣的縮聚反應(yīng)；②純鋼渣—水玻璃體系在這種模數(shù)下的溶解速度與反應(yīng)產(chǎn)物的形成速度相匹配。當水玻璃模數(shù)較大（m＞1.8）時，純鋼渣—水玻璃體系的強度發(fā)展趨于平緩，說明此時SiO2的初聚狀態(tài)不利于縮聚反應(yīng)的進行。

試驗選用模數(shù)分別為1.4，1.8的兩種水玻璃，改變水玻璃的濃度，測定鋼渣抗壓強度的變化，試驗結(jié)果如圖2。

圖2 水玻璃濃度對鋼渣強度的影響

由圖2可知，當水玻璃濃度在25%～30%時，水玻璃濃度的增加對鋼渣的抗壓強度影響小，其原因為堿濃度低，鋼渣的溶解速度慢，活性不易被激發(fā)，試體強度不高。當水玻璃的濃度在30%～40%范圍內(nèi)時，隨著水玻璃濃度的增加，鋼渣的抗壓強度迅速提高，當水玻璃的濃度為40%時，鋼渣的抗壓強度達到最大值。當水玻璃的濃度超過40%時，鋼渣的抗壓強度開始下降。這是因為在較高濃度時鋼渣的溶解速度與反應(yīng)產(chǎn)物的形成速度不相匹配，致使強度有所下降。無論水玻璃模數(shù)是1.4或1.8，其變化趨勢基本相同。總之，在水玻璃濃度為0.4時，鋼渣可得到較高的抗壓強度。

養(yǎng)護溫度對鋼渣強度的影響規(guī)律如圖3。

圖3 養(yǎng)護溫度對鋼渣強度的影響

由圖3可如，養(yǎng)護溫度對純鋼渣—水玻璃體系的抗壓強度有較大影響，強度隨養(yǎng)護溫度的升高而增加。當水玻璃模數(shù)為1.8時，隨著溫度的升高，試體強度均衡、緩慢地升高；當水玻璃模數(shù)為1.4時，溫度從60℃升至70℃時，抗壓強度升幅最大，溫度小于60℃或大于70℃時，試體的抗壓強度增長較緩慢。

綜合研究成果分析，水玻璃對鋼渣的激發(fā)屬于鈣質(zhì)材料（f-CaO，C3S，C2S等）與水玻璃之間的反應(yīng)。在水玻璃的堿性環(huán)境激發(fā)下，f-CaO，C3S，C2S等礦物加速溶解，提供Ca2＋，與水玻璃中豐富的[SiO4]4-離子反應(yīng)，生成硅酸鈣沉淀。這里水玻璃不僅提供鋼渣加速溶解的化學環(huán)境，而且提供生成最初反應(yīng)產(chǎn)物的陰離子物質(zhì)。

3.2 其他化學激發(fā)劑對鋼渣—水泥體系的影響

3.2.1 各種化學激發(fā)劑單摻

表6為摻加3%的各種激發(fā)劑對含鋼渣—水泥體系的激發(fā)強度結(jié)果。

表6 不同種類激發(fā)劑對強度影響

續(xù)表6

由表6可見，加入各種激發(fā)劑后水泥—鋼渣體系的強度與無激發(fā)劑的水泥—鋼渣體系相比均有所提高。其中燒石膏、硫酸鈉、明礬、硫酸鋁、三乙醇氨和水玻璃作為系統(tǒng)激發(fā)劑對強度的提高比較明顯。

3.2.2 各種化學激發(fā)劑復合使用

為檢驗復合激發(fā)劑對含鋼渣—水泥體系性能的作用效果，設(shè)計1組正交試驗，試驗中考慮燒石膏（A）、硫酸鈉（B）和硫酸鋁（C）3個因素，分別設(shè)定不同的因素水平，正交因素水平如表7。

表7 正交試驗因素水平

正交試驗共9組，試驗結(jié)果如表8。

表8 正交試驗試驗結(jié)果

對表8的正交試驗結(jié)果進行極差分析，分析結(jié)果如表9。

表9 極差分析結(jié)果

從直觀分析可知，各因素對強度影響順序為：燒石膏＞硫酸鈉＞硫酸鋁，燒石膏是強度影響的最顯著因素。對強度而言，最佳配比為B1A1C1，即4%的燒石膏、1%硫酸鈉和1%的硫酸鋁復合時，強度最高（107.7MPa），比純水泥的強度高了11.4%，比基準樣（鋼渣粉30%＋水泥70%）提高了41.0%。

4 結(jié)語

（1）當水玻璃的模數(shù)為1.2～1.8時，試樣強度發(fā)展較快，當水玻璃濃度在25%～30%時，水玻璃濃度的增加對鋼渣的抗壓強度影響小，當水玻璃濃度在30%～40%范圍內(nèi)時，隨著水玻璃濃度的增加，鋼渣的抗壓強度迅速提高，當水玻璃濃度為40%時，鋼渣的抗壓強度達到最大值。養(yǎng)護溫度對純鋼渣—水玻璃體系的抗壓強度有較大影響，強度隨養(yǎng)護溫度的升高而增加。當水玻璃模數(shù)為1.8時，隨著溫度的升高，試體強度均衡、緩慢地升高；當水玻璃模數(shù)為1.4時，溫度從60℃升至70℃時，抗壓強度升幅最大，溫度小于60℃或大于70℃時，試體的抗壓強度增長較緩慢。

（2）加入各種激發(fā)劑后水泥—鋼渣體系的強度與無激發(fā)劑的水泥—鋼渣體系相比均有所提高。燒石膏是強度影響的最顯著因素。4%的燒石膏、1%硫酸鈉和1%的硫酸鋁復合時，強度最高，比純水泥的強度高了11.4%，比基準樣（鋼渣粉30%＋水泥70%）提高了41.0%。