有關材料學的論文(2)

　　有關材料學的論文篇2

　　淺論堿激發鋼渣礦渣膠凝材料凝結硬化性能

　　鋼渣是煉鋼時所產生的廢渣，其產量約占粗鋼產量的12%～15%.近年來，隨著鋼鐵工業的發展，鋼渣產量迅猛增長，2012年我國鋼渣產量約為1億t，但綜合利用率只有10%左右[1]，且多為低附加值的應用，如填埋、作路基等，大量鋼渣被閑置堆積起來，對環境造成影響.

　　我國排放的鋼渣大多為轉爐鋼渣，其化學和礦物組成都與水泥熟料相近，含有較多的C2S(硅酸二鈣)和C3S(硅酸三鈣).但鋼渣的形成溫度(1 650 ℃)較高，且多為自然冷卻，常溫活性很低，因此，被稱為“過燒的水泥熟料”，具有潛在的膠凝活性[2].目前，多采用物理激發，化學激發等方法來激發鋼渣活性，但是鋼渣的化學成分波動較大，水化活性低，還可能產生安定性不良等問題，這些都限制了鋼渣的實際應用.

　　研究發現鋼渣與礦渣組合后，用水玻璃做激發劑能得到性能較好的膠凝材料[5].本文通過對堿激發鋼渣礦渣膠凝材料(以下簡稱鋼渣礦渣膠凝材料)強度的測試、反應過程水化熱的測定、反應產物的XRD和SEM分析，研究了鋼渣礦渣膠凝材料的凝結硬化性能及其水化反應的機理.探討了鋼渣作為膠凝材料使用的可行性和應用前景.

　　1、原材料及實驗方法

　　1.1原材料及配合比

　　實驗用鋼渣為萊蕪鋼廠的轉爐鋼渣，勃氏法測定比表面積476 m2/kg.礦渣為重慶鋼鐵廠的水淬高爐礦渣，勃氏法測定比表面積517 m2/kg.鋼渣與礦渣的化學成份見表1.激發劑為重慶井口化工廠生產的水玻璃，模數為2.64，用NaOH調整模數至1.3.

　　1.2實驗方法

　　膠凝材料的凝結時間測定參照GB/T 1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》從中水泥凝結時間測定方法，將水膠比固定為0.4.膠砂強度測試參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，水化熱測定參照GB/T 12959-2008《水泥水化熱測定方法》.

　　微觀測試采用凈漿試件，水膠比為0.4，標準養護至齡期后采用無水乙醇終止水化，并于60 ℃烘干.RigakuD/max1200 X射線衍射儀(Cu靶)分析膠凝材料水化產物的礦物組成，TESCAN VEGA Ⅲ 掃描電子顯微鏡高真空條件下觀察膠凝材料水化產物的表觀形貌.

　　2、結果及分析

　　2.1緩凝劑對膠凝材料凝結時間及強度的影響

　　鋼渣礦渣膠凝材料組成中鋼渣和礦渣的質量分數分別為40%和60%.不同緩凝劑對膠凝材料凝結時間及強度的影響見表3和圖2.

　　由表3可以看出，不摻緩凝劑的S0組凝結過快，因此，必須摻加緩凝劑調整凝結時間.5種緩凝劑中K和N的緩凝效果較好.當K摻量為1%或N摻量為4%時，膠凝材料的凝結時間能夠滿足通用水泥初凝時間不早于45 min的要求. 　　由圖2可以看出，3種緩凝劑的摻量較低時，其對膠凝材料的抗壓強度的影響不大，隨著緩凝劑摻量的增大，膠凝材料的28 d抗壓強度均呈現不同程度的下降，說明緩凝劑對膠凝材料的28 d抗壓強度有一定的負面影響.摻K緩凝劑的A2組28 d抗壓強度達到S0組的94.3%，摻N緩凝劑的B3組28 d抗壓強度達到S0組的86.9%.綜合考慮凝結時間和強度，1%K緩凝劑的緩凝效果最優.以下研究均采用1%的K做緩凝劑.

　　K緩凝劑具有良好的緩凝效果是由于其所含的陽離子能夠與水玻璃發生反應，迅速形成一種在堿性環境中相對穩定的水化產物膜，該膜能包覆在礦渣顆粒表面，從而削弱堿組分中OH-對礦渣強烈的結構解體作用[7]，也能包覆在鋼渣顆粒表面，減少鋼渣中Ca2+的溶出.隨著水化反應的進行，水化產物包覆膜逐漸被破壞，鋼渣和礦渣的水化反應得以繼續進行.

　　2.2鋼渣摻量對膠凝材料強度的影響

　　隨著鋼渣摻量的增加，膠砂抗壓強度和抗折強度有不同程度的降低.根據相關文獻，鋼渣的水化反應與礦渣的水化反應能夠相互促進[5].由圖3(a)可以看出，當鋼渣摻量低于30%時，抗壓強度下降較為緩慢，這是由于隨著鋼渣的增多，其不斷增強的水化作用在一定程度上補償了因礦渣減少對抗壓強度的負面影響.當鋼渣摻量增加到40%時，這種補償作用達到最大，各齡期抗壓強度下降更為緩慢.當鋼渣摻量超過40%時，除3 d強度之外，各齡期抗壓強度均大幅下降.這是由于鋼渣摻量較大時，其水化釋放的大量Ca2+難以被相對較少的礦渣吸收，礦渣和鋼渣的進一步水化均受到抑制，體系中膠凝性水化產物的生成量減少，硬化漿體的孔隙率增高，導致其強度降低較多.由圖3(b)可看出，隨著鋼渣摻量的增加，抗折強度逐漸降低的趨勢與抗壓強度大致相同.

　　摻40%鋼渣的膠凝材料的3 d，28 d抗壓強度分別為25 MPa，51.4 MPa;3 d，28 d抗折強度分別為4.03 MPa，8.32 MPa，均能達到42.5R普通硅酸鹽水泥的強度技術指標.在以后的研究中均采用鋼渣和礦渣的質量分數分別為40%和60%.

　　2.3鋼渣礦渣膠凝材料的水化放熱特性

　　分別對4組膠凝材料的水化熱進行測定，測定結果如圖4所示.圖中NS表示激發劑摻量.

　　由圖4可以看出，對照組普通硅酸鹽水泥的水化放熱曲線W4以下面積要明顯大于曲線W1，W2和W3，其放熱量為237.48 J/g，所以堿礦渣膠凝材料和鋼渣礦渣膠凝材料的放熱量要低于普通硅酸鹽水泥.表明堿礦渣膠凝材料和鋼渣礦渣膠凝材料具有水化放熱量低的優點.對W1和W3兩種膠凝材料單位質量的放熱量進行測定，發現水化反應120 h后，在鋼渣摻量達到40%的情況下，W1的放熱量為127.08 J/g僅略低于W3的144.99 J/g，表

　　明鋼渣發生了水化反應，對放熱有貢獻.兩者的放熱歷程基本相同，均在水化初期出現第一個放熱峰，10 h左右出現放熱低谷，在20 h左右出現第二個放熱峰.這可能是因為早期形成的各種水化產物包裹在未反應的礦渣和鋼渣顆粒表面，隨著水化反應的進行包裹層變厚，延緩了堿組分與鋼渣和礦渣的反應，在圖4中表現為放熱速率降低[8].隨著反應的持續進行，膜的滲透壓力變大，水化產物膜逐漸被破壞，鋼渣和礦渣的反應速率增大，出現水化放熱峰.由圖4還可以看出，W2放熱峰要比W1后移，且峰值稍低，說明緩凝劑起到了延遲水化進程的作用.

　　2.4堿激發純鋼渣的水化產物分析

　　為進一步研究鋼渣的水化過程，首先對堿激發純鋼渣的水化產物進行了微觀分析.圖5為堿激發鋼渣水化3 d，28 d時水化產物的XRD圖譜.圖6為堿激發鋼渣水化3 d，28 d時水化產物的SEM照片.由圖5可以看出3 d時，鋼渣已經發生水化反應，生成了CSH，CSAH和托勃莫來石等水化產物.由圖6(a)可以看出，3 d時，鋼渣水化生成了少量六方板狀的Ca(OH)2晶體，但在相應的XRD圖中Ca(OH)2的衍射峰強度很低，沒有標出，表明鋼渣水化初期釋放了Ca2+，但釋放量較少.

　　由圖5中28 d的XRD曲線還可以看出，鋼渣水化產物中CSH凝膠的衍射峰增多，有強度很高的Ca(OH)2衍射峰，還有CaAl12O19等復雜的水化產物，表明鋼渣的水化在持續進行.對應圖6(b)可看到，鋼渣水化28 d后，生成了大量片狀的Ca(OH)2晶體和絮凝狀的CSH凝膠.鋼渣28d的水化產物XRD圖中仍有C2S和C3S衍射峰的存在，這表明堿激發純鋼渣不能完全激發其活性，需要考慮與其他材料組合.

　　2.5堿激發鋼渣礦渣膠凝材料的水化產物分析

　　圖7為堿激發鋼渣礦渣膠凝材料水化3 d，28 d時水化產物的XRD圖譜.圖8為堿激發鋼渣礦渣膠凝材料水化3 d，28 d時水化產物的SEM照片.由圖7可以看出，鋼渣礦渣膠凝材料水化3 d后，生成了CSH凝膠和CSAH(鋁硅酸鈣)等水化產物，但鋼渣水化不完全，仍然有較多的C2S、C3S存在.由圖8(a)可以看出，膠凝材料水化產生了大量的絮凝狀CSH凝膠，結構較為松散.鋼渣發生了水化反應，但水化進程較慢，部分鋼渣顆粒外層生成了少量的水化產物附著在顆粒表面(如8(a)點h)，這與XRD的分析結果相吻合.由圖7還能看出，28 d水化產物的XRD圖中新出現了沸石類礦物，且C3S的衍射峰消失，這表明隨著時間的延長，膠凝材料的水化產物增多，鋼渣的主要活性成分逐漸發生水化反應，活性礦物減少.由圖8(b)可以看出，28 d時絮凝狀物質消失，形成一個非常密實的板狀結構.

　　圖7和圖8中均未發現有Ca(OH)2晶體存在，這可能是因為鋼渣水化產生的Ca(OH)2提供了Ca2+和OH-.OH-能夠提高液相的堿度，加速了礦渣結構的解體.礦渣中鈣的含量較低，解體后的礦渣吸收了鋼渣水化產生的Ca2+，生成了大量的水化產物.礦渣吸收了溶液中的Ca2+后，使得Ca2+的濃度降低，這又促進了鋼渣的進一步水化反應[5]，因此可以認為堿激發鋼渣和礦渣對水化反應起到了較好的相互促進的作用，有利于膠凝體系水化進程的發展.

　　3、結論

　　1)在6%水玻璃激發下，當鋼渣摻量為40%、礦渣摻量為60%時，以1%K做緩凝劑，鋼渣礦渣膠凝材料28 d抗壓強度達到51.4 MPa，其凝結時間和力學性能可以滿足42.5R普通硅酸鹽水泥的技術指標.

　　2)堿鋼渣礦渣膠凝材料的水化放熱特性與堿礦渣膠凝材料類似，放熱量遠小于普通硅酸鹽水泥，加緩凝劑能夠有效延遲放熱峰并減小放熱量.

　　3)堿激發純鋼渣不能完全激發鋼渣活性，鋼渣水化后生成了大量片狀的Ca(OH)2晶體和絮凝狀的CSH凝膠，鋼渣礦渣膠凝材料的水化產物中未發現有Ca(OH)2存在.鋼渣與礦渣組合有利于膠凝體系水化進程的發展，兩者具有相互促進的作用.