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钢渣粉固化改良膨胀性黏土机理研究
ITIBMI 膨胀性黏土作为一种特殊的高塑性土，其含有大量裂隙和亲水性矿物（伊利石、绿泥石和蒙脱石），遇水后裂隙易发育并扩散，导致黏土颗粒吸水膨胀，失水收缩干裂。膨胀性黏土的变形具有复杂性、多发性、反复性和长期潜在性，为了克服其膨胀收缩性和软化崩解性，众多科研人员采用石灰、水泥、粉煤灰、氯化钙等添加剂对膨胀性土进行化学改良。这些改良剂通过与颗粒间的胶结作用、离子交换、硬凝和碳化作用，有效抑制了土体的胀缩性和裂隙发展。然而，传统改良剂的生产成本和二氧化碳排放量较高，为了适应“碳达峰-碳中和”的绿色、经济、环保可持续发展的战略需求，磷石膏、聚丙烯、碱矿渣和钢渣粉（steel slag powder，SSP）等替代改性剂逐渐被应用，其中钢渣粉已广泛应用于膨胀性黏土改良、农业肥料、道路建设等领域。钢渣粉是粗钢生产过程中的一种工业废弃物。中国粗钢总产量约占世界总量的1/2，其中钢渣年产量高达1.1亿吨。相比于日本、欧洲和澳大利亚等工业发达国家，中国的钢渣综合利用率仅为29.5%。其主要用于土木工程（10.1%）、水泥生产（9.3%）、土壤改良和道路建设（7.5%）以及其它用途（2.6%）。我国SSP综合利用率较低的主要原因包括生产制造工艺的滞后、科研水平的不足、法律政策的限制以及缺乏行之有效的应用标准。如果我国不加快提高钢渣的回收利用率，将会导致大量环境污染和土壤资源的浪费。由于钢渣粉中含有特殊的矿物和化学成分（如氧化铁和氧化钙等）它可以与土体中的水分和黏土颗粒发生离子交换及胶结反应，从而形成稳定的凝胶物质，填充裂隙并有效地黏结土颗粒。这一过程能够提高土体结构的密实性和整体性，显著改善膨胀土的塑性、自由膨胀率、未固化强度和排水性能等。利用钢渣粉改良问题土的工程性质，不仅符合低碳和环保发展理念，还可以提高固废资源的高附加值利用，并降低工程处理成本。本文从宏观及微观角度分析总结了钢渣粉的性质和组成、改良土的机理、工程效果以及应用前景，旨在全面阐述钢渣粉改良土的研究优势。在此基础上，对SSP改良土存在的不足及未来的发展方向提出几点建议，以期为问题土的改良提供新的思路和途径。 1钢渣粉的特性 1.1钢渣粉的理化特性 钢渣粉是在高温环境下，通过转炉、电炉或平炉生产分离出的工业副产品，主要由矿石、石灰石（CaCO3）、焦炭和氧等原料组成。根据钢渣粉的生产工艺及碱度值R=ω(CaO)/ω(SiO2+P2O5)（ω为质量）的不同，可将其分为高炉渣（blast furnace slag，BFS）、电弧炉渣（electric arc furnace，EAF）、钢包炉渣（ladle furnace slag，LFS）或碱性氧炉渣（basic oxygen furnace，BOF）。其中，当钢渣粉R＜1.8时，称为低碱度钢渣；R=1.8～2.5时，称为中碱度钢渣；R＞2.5称为高碱度钢渣，此时易形成C2S和C3S等矿物。Oluwasola等认为转炉钢渣具有良好的压实性好、吸水率低、良好的内摩擦力及排水自由等优点。由于炼钢厂生产工艺（如：废金属和铁水中存在的杂质、温度、气体环境、铁矿石成分以及铁矿石与烧结矿的比例、冷却速度、助熔剂掺量等）的差异性，容易导致钢渣粉的矿物成分、电导率、表面积、化学组成、孔隙率和PH值等理化性质的变化。综上所述，SSP具有良好的吸水性、高密度、较大的比表面积、丰富的棱角、较高的硬度等一系列特定的性质，适当提高SSP碱度可增加其水化活性。但由于SSP体积安定性较差及生产工艺的影响，很大程度上限制其工程应用领域。钢渣粉主要的矿物成分包括橄榄石、FeAlO3(CaO)2、Ca2Fe2O5、C4AF、C2F、β-C2S或α-C2S、Ca2SiO4、镁硅钙石、FeO、MgO、C3S、惰性矿物（简称为“RO相”）和CaO-FeO-MnO-MgO等组成。大量研究表明SSP属于含钙量较高的固体废物，其中，C2S、C3S、C2F和C4AF构成的SSP与硅酸盐水泥矿物成分相似。虽SSP的衍射峰较为复杂，矿物晶体形状不规则，但SSP中的固体可溶性成分含量较高，有利于水化溶解，形成胶凝状物质，进而改良土壤的胶结性能。另外，SSP的冷却速度、化学组成、熔剂类型、颗粒形状、颗粒大小分布及性质对土壤改良效果会产生重要影响。因此，对不同工艺条件下的SSP化学成分和含量进行详细分析对于土壤改良具有重要意义（表1）。 表1国内外钢渣粉主要的化学成分与质量分数 综上分析，SSP化学组成主要包括氧化铁（FeO/Fe2O3）、氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化镁（MgO）和氧化铝（Al2O3），质量分数分别为8%～30%、35%～65%、10%～20%、3%～10%和1%～6%，其中还含少量的Na2O、MnO、SO3和五氧化二磷等。生产工艺主要是EAF和BOF，其中EAF生产的矿物成分有丝光石和克氏石矿等，这些惰性物质在常温下不发生水化反应，结合能较差。而BOF生产的矿物成分主要为硅酸二钙、铁酸二钙、硅酸三钙、氢氧化钙、氧化钙等，其水硬活性主要来源于C3S和C2S含量，含量越高水化活性越高。然而，在不同生产工艺下，SSP的化学成分、结构特性、矿物组成、粒度、含量及性能显著变化。特别是SSP中高含量的游离氧化钙和氧化镁，会与孔隙中的水分产生化学反应，导致SSP体积迅速膨胀，从而降低其体积稳定性。因此，不同的生产工艺会直接影响SSP的化学活性及稳定性，进而对土体改良效果产生重要影响。 1.2钢渣粉的胶凝活性 钢渣粉的胶凝活性对其改良土体的效果具有重要影响。水化活性越高产生的水化产物，如C-AG和C-S-H凝胶、钙矾石（AFt）和Ca(OH)2等就越多，与黏土矿物颗粒接触面积就越大，包裹填充裂隙就越紧密，颗粒间黏结力和整体稳定性就越好。当SSP中ω(Al)/ω(Ca)比例高于ω(Ca)/ω(Si)时，改良土的胶凝特性和力学强度表现较好。然而，由于SSP中的硅铝酸盐矿物是在高温下形成的玻璃体结构，晶粒较大、结构密度较高，并且含有Si-O和Al-O化学键，导致部分C3S和C2S晶体在常温下水化活性低。Wang等认为提高SSP颗粒细度、养护温度或溶液碱度可加速其早期水化速率，其中碱激发剂的作用效果更加显著。目前，常用的碱激发剂包括氢氧化钠（NaOH）、石灰（CaO）、水泥（CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3）、水玻璃（Na2SiO3）、硫酸钠（Na2SO4）、铝酸钠（NaAlO2）、硅灰（CaSiO3）、硫酸铝（Al₂(SO₄)₃）和石膏（CaSO4·2H2O）等。王强证明了在适宜的碱性环境下SSP中的四面体会发生解聚，导致Si-O和Al-O化学键断裂，从而提高SSP的水化反应速率。此外，王琴、邵雁等考察K2CO3、Na2CO3、NaOH、Na2SiO3、Na2SO4、NaAlO2等6种不同化学激发剂对SSP活性的影响，结果显示3%～7%的Na2SO4是效果及稳定性最好的化学激发剂。综上研究表明，碱激发剂可以提高反应体系的碱度，促进SSP中的阳离子交换，进而破坏SSP中的玻璃网状结构，促使水化产物（C-SH）的转化和钙矾石（AFt）晶体的生成，形成更加稳定的水化产物和结构，从而提高SSP矿物组分的溶解和反应。 Sun等认为碱活化SSP水化产物Ca(OH)2的含量较低，结晶性较差，单一激发剂很难提高钢渣粉胶凝材料活性，而复合碱激发剂的改良效果更好。鉴于单一激发剂对SSP催化效果并不明显，实践中通常采用2种或以上的激发剂复合使用，以获得更优异的SSP性能。朱伶俐等指出氢氧化钠、生石灰、水玻璃、石膏、明矾、高岭土、水泥熟料、硫酸钠、三乙醇胺、硫酸铝钾和硫酸铝等作为复合激发剂可显著提高SSP的水化活性，加快其水化胶凝速度。樊传刚等发现采用5%石膏和碱激发剂作为复合激发剂可以有效催化SSP的活性，提高胶凝材料的抗压强度。而范立瑛等的研究则发现高岭土对SSP活性没有催化作用，同时认为复配激发剂（3%硫酸铝+2%水泥熟料+0.2%水玻璃+0.8%三乙醇）具有良好的激发效果。程从密等认为1%CaSO4·1/2H2O和0.4%NaOH复合改良SSP-水泥早强效果最佳。温建[49]的研究表明Na2SiO3、Na2SO4和氯化钙对钢渣粉-水泥胶凝强度具有增强作用，当氯化钙掺量为4%时，激活效果最好。此外，魏瑞丽等指出铝酸钠、硅灰都能提高SSP的活性，但硫酸钠对SSP的激发效果较差。而You等研究表明硅灰、NaOH2种激发剂的激发效果最为突出。邵俐等的研究结果显示加入石膏和硫酸钠能加快矿渣水化反应，降低冻融循环对固化土的影响，并表示硫酸钠的抵抗性更强。梅杨认为激发剂类型对胶凝材料强度影响最为显著，其中双掺Ca(OH)2和Na2SiO3最佳比例为5:1，掺量为4%时对矿粉活性激发效果最好。综上分析，复合激发剂对钢渣粉胶凝活性和强度增强效果更加显著，改良土体的力学特性也更加优异。由于激发剂种类多样性、掺量差异性，以及激发剂对SSP以及激发剂与激发剂之间的反应机理尚未深入分析，导致复合改良效果也不尽相同。因此，尽管复合激发剂对SSP具有较好的激发效果，但仍需进一步确定复合碱激发剂的最佳掺量、组合方式及应用条件。 2膨胀性黏土破坏机制 膨胀性黏土具有失水收缩与吸水膨胀的特性，容易导致土体内部和表面产生大量微裂隙，致使雨水渗入并降低土体的强度，从而引起土体的整体性破坏。这个过程主要包括物化作用、吸水膨胀和楔裂压力等共同作用。2001年，谭罗荣提出膨胀性黏性土都会经历吸水-失水-泥化-崩解-破坏，并指出土体崩解破坏的前提是结构扰动破坏、失水产生收缩拉裂及吸水产生膨胀应力破坏3个过程。膨胀性黏土崩解破坏机制包含黏土矿物遇水产生的膨胀力、孔隙中气泡溢出产生的推力、水膜楔入力及浮重力等作用，这些作用打破了土体内部联结力与崩解力之间的平衡，导致土体结构破坏。由于膨胀土含有蒙脱石和伊利石，水敏性较强，这是导致土体内部胶结膨胀、结构破坏、结构衰变和强度衰减的主要原因。遇水后，膨胀土内部会发生差异膨胀和变形，水压力作用下，孔隙、裂隙扩展引起膨胀崩解破坏。马婧等指出在化-水-力协同作用下，颗粒间发生离子交换、化学反应和水合斥力会影响蒙脱石层间膨胀、扩散双电层膨胀以及层叠体裂解，见图1（a）。张凌凯等提出膨胀土在干湿-冻融循环作用下的破坏机制，即干湿循环会增加膨胀土裂隙，冻融循环过程会导致黏土颗粒间的微裂隙被崩解破坏的细颗粒填充，从而减弱颗粒间的黏结力，见图1（b）（c）。总之，吸水-失水-冻融作用会导致部分胶结物被稀释、软化或溶解，裂隙贯通形成非均匀的孔隙水压力，使土体局部产生应力集中。与此同时，颗粒间的黏聚力、内摩擦力以及颗粒间咬合力也会减弱，土颗粒间基质吸力小于膨胀力，进而导致岩土颗粒碎裂、剥落和崩解。 （a）不同压实度下膨胀变形与层叠体间离子交换 （b）压缩变形破坏示意图 （c）干湿-冻融循环变形破坏示意图 黏土矿物的胀缩性易受温度和水分影响，环境温度的升高或降低均可导致土壤中矿物颗粒边界的热膨胀或冷缩，进而引发黏土颗粒内部产生拉压应力，从而使土体出现不均匀膨胀收缩应力。在此过程中，团聚体内产生微裂纹并不断扩展，当温度升降速率较快时，此现象更为显著。这是因为温度升降速率越大，土壤中矿物颗粒之间或颗粒内部的不协调变形将更加显著，从而使土壤中的微裂纹扩展更为严重且数量更多。同时，土壤表面的水分蒸发速度较快，而内部蒸发速度较慢，使得含水率分布不均匀形成水力梯度，产生内外应力差，导致裂纹形成。吴道祥等从黏性土的化学成分与细观结构特征入手，发现黏土矿物中的蒙脱石结构单元层间以O-O键相联结，键力极弱，遇水后具有氧键的强极化水分子很容易楔入其中，使其分开。同时极化水分子变为水化阳离子H3O+进入结构单元层间和水化膜之中，使层间间距及水化膜厚度增大，进而造成颗粒体积膨胀。由于内部体积膨胀的不均匀性，导致土体内部出现不均匀应力而使土颗粒碎裂破坏。综上所述，化学-水-力的相互作用均会导致土体吸水膨胀，并在其内部产生不均匀应力以及溶解掉部分的胶结物。随着胶结物稀释、软化、溶解和流失，导致颗粒间发生膨胀、收缩，甚至失去胶结力而崩解。同时，由于膨胀性黏土矿物的亲水性和孔隙的连通性，使得孔隙的导水性和容水的能力增强，这会扩大水和岩体的接触面。当化学溶液和水侵入孔隙、裂隙中时，多相界面的离子水化膜增厚，导致岩土体发生膨胀破坏。其中，影响土壤膨胀破坏的因素主要包括雨水侵蚀、土壤有机质含量、土壤扰动情况、黏粒含量、矿物成分、成土过程、土壤胀缩性、pH以及土壤所受到的外部应力等。 3钢渣粉改良土的微观机理 3.1物理改良 钢渣粉所含矿物主要是氧化钙、氧化铁和氧化硅，矿物质量分数高达80%。同时，由于SSP的孔隙率大、自身体积小、较为坚硬、比表面积高，且具有很强的胶凝特性。石荣剑等发现钢纤维能有效抑制水分入侵和冰透镜体的生长，从而减小土体的膨胀率。因此以SSP作为改良剂填充土壤颗粒之间的孔隙，可以提高土壤的密实度和水稳定性，在这个过程中，土颗粒与SSP发生排列和组合。SSP作为一种新型的土壤改良材料，可以与土体发生复杂的物理、化学相互作用。但针对SSP改良问题土方面的研究也相对较少，其微观改良机理也尚未被系统论述。因此，本文拟从物理和化学2个方面分析其改良机制，探索SSP改良固化土壤的内部微观结构变化，进而完善SSP改良土的相关研究理论。根据钢渣粉粒径的不同，其作用机制也会有一定差异。当钢渣粒径较大时，主要起到骨料支撑土颗粒的作用，可以使土颗粒包裹在钢渣孔隙之间，从而有效提高土体的整体稳定性和强度。随着钢渣细度的增加，物体表面的晶体结构会遭到破坏，晶格及键能减小，比表面积增大，与黏土颗粒表面的接触面积增大，因此可以有效填充土壤裂隙或孔隙，增加土壤的密实度。 综上所述，物理改良机理主要包括细颗粒填充作用、摩擦作用及粗颗粒的骨架支撑作用。 1）钢渣粉颗粒具有一定的粒径和形状，当SSP与膨胀性黏土混合时，钢渣粉细颗粒可以填充土壤颗粒之间的孔隙，增加土壤的密实度和稳定性。 2）钢渣粉细颗粒间具有一定的摩擦作用，提高团粒间的摩擦力，进而增加膨胀土的内聚力和抗剪强度。 3）大颗粒的钢渣粉具有较高的强度和刚度，可以增加土壤的整体强度和刚度，提高土壤的承载能力和抗沉降性能，从而改善膨胀土的工程性质。 3.2化学改良 指出激发剂作用下SSP改良土发生了阳离子交换，即氧化钙中电离出的Ca2+和土壤表面的Na+、K+发生吸附交换，从而减少了扩散层厚度，缩小了黏土颗粒间距，提高颗粒间的黏结性能，使得黏土颗粒发生团聚。同时，氧化钙还会与土壤中的水和二氧化碳反应生成钙碳酸盐，形成密实骨架结构，从而提高土壤的抗压强度和抗渗性能。吴子龙等探讨了SSP、偏高岭土掺入水泥改良土的微观机制，他们发现由于SSP与水泥的组分含量存在差异，当钢渣粉中Al2O3含量较少时，矿物水化活性低，不利于形成C-A(S)-H胶凝物质，因此不利于提高土体早期强度。另外，SSP中的玻璃体硅酸钙早期水化程度低且缓慢，无法快速反应形成胶体和钙矾石填充土体孔隙。同时，由于SSP具有广泛的矿物化学成分，碳化过程中会改变SSP的物理、化学、矿物学和力学性能。Yu等也验证了这一观点，他们发现经过碳化处理的SSP可显著提高土体的抗剪强度。但改良过程中生成的方解石易附着在黏土颗粒表面，由于方解石对高岭石、蒙脱石的胶结作用弱于石英，导致片状的高岭石和蜂窝状的蒙脱石在干湿循环后容易流失。综上研究，SSP改良土的过程中，发生了离子交换、水化反应和物质转化等化学反应。从微观角度分析，SSP易发生水化反应生成无定形水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-AH）、水化硅铝酸盐（C-A-F-H）和少量的钙矾石（AFt）等凝胶物质填充在孔隙中，并包裹颗粒表面形成稳定的团聚体。同时形成的板状Ca(OH)2以结晶形式分布在颗粒表面，增强颗粒间的黏聚力。 鉴于钢渣粉表面分布大量的阳离子（如Al3+、Ca2+和Mg2+等），能与黏土矿物可以发生离子交换和化学反应，生成水化产物C-S-H凝胶，进而提高土体的密实性和胶结力。刘翼飞等指出，碱性环境下的Ca2+可以与Na+进行离子交换反应，导致孔隙中游离的Ca2+吸附在黏土颗粒表面，从而生成填充和黏结作用的胶结物质，增强土体结构的密实性。Tian等则利用脱硫碳化钢渣粉（DS）改良土壤，并发现DS可以提供高浓度的Ca2+形成团聚体，从而有效抑制干裂缝的发育和扩展，降低裂缝面积密度和平均裂缝宽度。综上所述，SSP中含有一定的活性矿物成分，与水接触时会发生水化反应，生成水化产物C-S-H、C-A-H和微量钙矾石等。同时，SSP中的某些成分可以与黏土颗粒中的矿物质发生离子交换及吸附反应，形成凝胶和新的物质。这些产物可以填充土壤颗粒之间的孔隙，增加土壤的密实度和稳定性（图2）。此外，为了提高钢渣粉的物理、化学活性和早期强度，可以采用细度更高的钢渣粉，增加其表面接触面积。同时也可以添加化学激发剂（如水泥、石灰、水玻璃、粉煤灰、碳酸钠、矿碱和NaOH等），在碱性环境中激发SSP的水化活性，提高其水化凝胶产物的形成速度，增加土体早期强度。 （a）未改良土粒间孔隙 （b）水化胶结填充 （c）粒间离子吸附交换 （d）团聚体间改良过程 3.3复合改良 凝物质，增加土壤的密实度和稳定性。吴子龙等、于佳丽发现在碱性（NaOH）环境中可以激钢渣粉中的硅铝酸盐矿物是在高温下形成的玻璃体结构，主要以硅氧/铝氧四面体的形式存在，晶格较大，结构密度较高，化学活性和吸附性较弱，导致SSP中的C3S和C2S晶体在常温下的水化速率和胶凝活性较低。因此，需要添加一定的激发剂提高其化学活性，促进SSP水化反应生成胶发SSP的水化活性，提高其水化产物的形成速度，增加土体固化强度。然而，由于固化过程中发生大量Na+交换，变为易水化的钠型黏土，使其吸水膨胀能力增强。Gu等进一步研究发现NaOH、NaCl和Na2SO4可以提高SSP反应物的活性，当NaCl和Na2SO4掺量为5%时，无侧限抗压强度（unconfined compression strength，UCS）分别提高8.02 MPa和10.88 MPa，说明催化剂可以有效提高改良土早期强度。同时，发现碱激发剂的加入可以促进改良剂发生水化反应，生成更加稳定的凝胶物质，充分填充土体微裂隙，絮凝状胶结物包裹颗粒形成密实结构，减小水分入侵，增强土体黏结性和强度。因此干湿循环后土体颗粒排列仍保持密实，只是部分胶结物被溶解，使得裂隙有所提高。Zhang、王小龙等发现加入适量的碱激发剂可以提高微粉的活性，提高其早期固化强度（图3）。并指出可以利用水玻璃加氢氧化钠溶液作为激发剂，同时加入工业废渣和偏高岭土以调节土中的铁、硅、铝等氧化物比例，提高土体整体性、抗崩解性和强度。这是由于SSP中存在硅酸钙类的水硬性胶凝材料，激发剂作用下会促进SSP与黏土颗粒发生离子交换、胶结、固化和碳化等反应。综上所述，SSP水化活性较低，加入氯化钙、氢氧化钠等可提高其反应活性。同时NaOH、CaCl2作为转炉炉渣的活性催化剂，可以显著改善其物理、化学性质，提高SSP的水化反应速率。碱激发SSP主要机理是：碱激发剂促进了玻璃体结构的解离并重新缩聚成新的C-S-H、C-A-H和Ca(OH)2凝胶物质，将土颗粒胶结在一起形成密实网络结构，抑制裂隙扩展。同时还生成钙矾石（AFt）填充在团聚体中起到支撑的框架作用，与凝胶物质共同形成空间网状结构包裹填充土颗粒，提高土体的整体性和强度。 图3碱激发剂催化矿粉作用机理 钢渣粉本身具有较低的化学活性和胶结性。然而，通过添加碱激发剂（如石灰、水泥、粉煤灰和氢氧化钠等）或调整其化学组分，可以提高其反应速率，并激发其化学反应活性，从而增强其胶结力和黏结强度（图4）。项国圣等研究石灰-SSP改良土微观机理，发现SSP中含有凝胶矿物，能够与土体中低价离子发生交换生成絮凝物质填充在孔隙间，同时石灰可以提供碱性环境，促进并激发钢渣粉水化反应生成C-S-H凝胶物质，填充在颗粒间，增强颗粒间的接触面积和连接性。Wu等利用X射线衍射、扫描电镜和压汞孔隙度测定等方法，分析了SSP改良膨胀土的微观机理，发现活性激发剂（NaOH）作用下，SiO32-、Al3+和Ca2+可以快速反应生成硅酸钙（C-S-H）、铝酸钙（C-A-H）和Ca(OH)2等水化产物填充、包裹土颗粒，固化前期，黏土矿物与水化产物发生吸附、离子交换、胶结等化学反应，提高颗粒间的密实度和胶结力，使土颗粒团聚在一起形成稳定结构。吴燕开等通过室内试验研究干湿循环作用下SSP-水泥改良膨胀土，发现在缺乏催化剂的情况下，SSP自身水化反应慢，需要60d才能完全反应。而掺入少量的NaOH可以提高其水化活性，使其在短时间内可以完全水化生成钙矾石（AFt)填充孔隙，AFt是一种不溶于水的结晶物质，可以提高土体的整体性，从而使土体强度迅速增长。韩天、柴石玉等人研究了碱激发SSP协同改良土微观机制，发现NaOH加入提高SSP反应活性，生成了针棒状的水化硅酸钙、碳酸钙晶须和不定形状的硅铝酸盐凝胶物质填充裂隙，使孔隙率减小。此外，随着时间的推移，凝胶物质会逐渐增多，颗粒间黏结程度增强，逐渐形成团聚体，增加土颗粒间的接触面积。综上所述，SSP改良剂与土体中离子发生交换生成硅酸二钙（C2S)和硅酸三钙（C3S)，降低土颗粒的双电层厚度，同时石灰（CaO)与钢渣粉中的活性氧化硅（SiO2)、氧化铝（Al2O3)发生反应，在石灰的催化下形成C-S-H、C-A-H和Ca(OH)2等物质填充在裂隙中，增强颗粒间的接触面积和吸力，从而有效提高土体的黏聚力、整体性和强度。需要注意的是，SSP改良膨胀土的物理机制和化学机制是相互作用的，物理机制主要通过填充和摩擦作用改善土壤的工程性质，而化学机制则通过离子交换反应、水化反应、矿物质转化等方式改善土壤的结构和性质。这些机制共同作用，使得钢渣粉能够有效地改良膨胀土。 图4碱液处理反应机理 4钢渣粉改良土的力学特性 4.1单独改良土力学特性 目前，许多学者进行了室内试验，包括比重试验、粒度分析试验、自由膨胀率试验、Atterberg极限试验、压实试验、三轴压缩试验、加州承载比（California bearing ratio，CBR）、UCS和液塑限试验等。并从SSP粒径及掺量、初始含水率、压实度、干湿-冻融循环等方面探索改良土的膨胀性能、渗透性能、抗冻性能、水分特性和力学变化规律。研究结果表明，SSP的掺入显著改善了土体的胀缩性，并提高了土体的抗剪强度。左德元等首次提出将SSP作为路基材料固化剂，通过颗粒级配、比重、压缩、渗透等试验发现，SSP填料具有较高的强度，压缩性低，渗水性好。Akinwumi发现SSP的掺入增加了土体的干密度，改变了土体的压实特性，提高了土体的比重、渗透性、CBR值和无侧限抗压强度。此外，随着SSP掺量的增加，当掺量为8%时能够降低黏土的塑性和膨胀性，提高土体早期未固化的强度。袁明月等通过室内试验研究钢渣微粉改良膨胀土的力学特性，发现钢渣微粉改良膨胀土的塑限增加，液限降低；当其掺量为5%时，试样在干湿循环作用下的膨胀率降低，抗剪强度增加。吴燕开等研究指出，当SSP掺量为10%时土体抗膨胀性最优。鉴于SSP粒径和掺量对土体强度影响较大，因此建议SP粒径小于0.5 nm，此时SSP可以和土体充分接触并有效填充颗粒间隙。综上所述，适当的SSP掺量和合适的粒径可以抑制土壤的自由膨胀率，降低土壤的液塑限，并提高土壤的抗剪强度和早期固化特性，有效抑制干湿循环下土壤强度的衰减速率。如图5所示，不同SSP掺量下土壤的自由膨胀率和抗剪强度呈现不同的变化。钢渣粉不仅可以改良膨胀土的塑性和膨胀性，还可以提高土体最优含水率、干密度和抗剪强度。但不同SSP掺量比例下土体的膨胀率和强度改善效果各有不同。Aldeeky等研究发现，当SSP掺量为20%时，土壤的自由膨胀率和塑性指数降低了58.3%和26.3%；同时最大干密度、抗压强度和CBR值分别提高了6.9%、100%和154%。而Wang等发现，当含水率为50%时，土体黏聚力随SSP掺量的增加也随之增加；而当含水率介于70%～90%之间时，粘黏聚力随SSP掺量增加而减小。这表明试样含水率分别为50%和70%时土体抗剪强度达到最优。此外，Yu等通过干湿循环、无侧限抗压强度、X-射线衍射、热重和扫描电镜等试验研究了碳化钢渣粉改良土的强度性能及微观结构变化，发现经过碳化处理的钢渣粉可显著提高土体的抗剪强度。金明亮等利用钢渣粉稳定路基土，研究表明钢渣粉粒径为0～3 mm、最小掺量为15%时，稳定土的强度随掺量的增加而增强，浸水膨胀率减小，加州承载比（CBR）远超规范要求。然而，程光前提出，对于钢渣粉改良膨胀土性能，较高力学特性的最佳掺量为15%，超出该值将会使土壤的强度和胀缩性减弱。Worku等分析钢渣粉改良膨胀土物理、力学特性，发现当SSP掺量为25%时，膨胀土液限、塑限、塑性指数和自由膨胀率分别降低25.6%、17.8%、7.8%和46.4%，而无侧限抗压强度从94.3 kPa提高到260.6 kPa。综上所述，15%～25%掺量下，钢渣粉可以显著改善土体的胀缩性和力学强度。然而，目前钢渣粉的最佳掺量仍存在争议。这一争议可能是由于钢渣粉的生产工艺和产地不同，导致其力学性能和矿物化学性质存在差异，进而影响土壤的改良效果。因此，钢渣粉在掺量上可能需要针对不同情况进行调整，以达到更好的改良效果。 （a）SSP改良土自由膨胀率随时间的变化规律 （b）SSP改良土抗压强度与应变之间的关系 4.2与其它材料复合改良土力学特性 通过学者们持续的探索和研究，发现通过物理研磨法将材料结构转变为非晶相，或者采用化学激发剂与其他材料进行复合使用，可显著提高改良土的力学性能。 在相关研究中，蔡晓飞等对石灰-SSP改良路基土力学特性进行了研究，发现当石灰掺量为8%～12%，SSP掺量为25%时，土体强度显著提高。崔伟研究了石灰-SSP改良土性能，从SSP掺量、养护期龄、配比等方面分析土体强度，结果表明SSP改良土的强度较高，水稳定性和温度稳定性也较好。另外，Gu等研究了不同掺量下的SSP-石灰复合改良路基土的无侧限抗压强度，当SSP、石灰掺量分别为50%、5%，养护28 d时，无侧限抗压强度由0.73 MPa增加到4.09 MPa，此时改良土的综合性能最佳。袁明月等研究石灰、SSP改良膨胀土力学特性，通过无侧限抗压强度、干湿循环和自由膨胀率试验发现SSP可以延缓土体裂隙发展，减小土体膨胀性，其土体强度优于石灰。而厚荣斌通过三轴试验、CBR研究SSP/石灰/稻壳灰改良膨胀土性能，发现当SSP掺量为20%时，土体塑性降低66.2%、强度增加96%、CBR增加97.5%。Wang等研究SSP-碱渣共同改良软黏土工程性能，发现钢渣粉加入显著改善土体的无侧限抗压强度。项国圣等研究石灰-SSP共同改良膨胀土的力学特性，发现随掺量增加土体膨胀率、最优含水率和界限含水量降低，最大干密度增加。Alemshet等利用粉煤灰-SSP作为膨胀土稳定剂，发现钢渣粉、粉煤灰掺量分别为20%和10%时，改良土抗剪强度和CBR值分别提高97.47%和84.82%。 上述研究侧重于探讨石灰对SSP改良膨胀土的力学特性影响的方面。尽管研究表明石灰、粉煤灰等可以有效提高SSP改良土体的整体性和力学强度，然而，尚未对在不同材料复配下、不同养护温度下、不同压实度及干湿循环作用等因素对SSP改良土宏观力学特性的影响进行系统分析。物理及化学改良剂相互作用可有效改善黏性土的综合性能，提高SSP的反应速率。Wang等研究钢渣粉-废轮橡胶颗粒改良土强度特性，发现钢渣粉掺入可以有效提高土体的抗剪强度和动弹性模量，剪切模量随钢渣粉掺量、围压增大而增大，随含水率增加而减小；主要是橡胶颗粒可以降低土体的密度，提高其内摩擦角。而Shahbazi等发现，当钢渣粉掺量为14%时，其无侧限抗压强度、膨胀率和膨胀压力分别提高111%、89%和84%。随后宋心斌研究钢渣粉-水泥-石灰稳定路基土性能，发现复合改良土强度较高、稳定性较好。吴燕开等通过室内试验研究干湿循环作用下SSP-水泥改良膨胀土的体积变化率和膨胀率，发现改良土膨胀率减小95%以上，而体积变化率减小85%。而吴子龙等通过抗压强度、劈裂抗拉强度和击实试验，他们发现在SSP与水泥改良土中，最优含水率显著提高，而最大干密度和强度增幅较小；但当SSP超过最佳掺量时，土体的强度逐渐减小。 与此同时，黄祥、Wu等发现矿渣、石灰、偏高岭土和Na2SO4掺量分别为28.6%、57.1%、9.5%、4.8%时，改良土养护28 d后的UCS为10.9 MPa。之后韩天、唐博等利用碱激发剂催化SSP-水泥复合改良膨胀土，发现其改良土体膨胀率最小，三轴抗剪强度和无侧限抗压强度明显提高，但是后期强度增长缓慢。主要原因是前期碱激发剂加快SSP水化反应，强度已增长较大，因此后期表现较为缓慢，说明碱激发剂不能提高其后期强度。 综上所述，SSP中掺入水泥、石灰、激发剂及其它改良剂可有效提高土体的综合性能，显著增强SSP的水化活性，提高其化学反应程度。然而，对于不同复合改良材料的适用性和效果尚未得到全面的了解，需要更多关于不同掺量与不同类型的复配材料改良土的力学性能。其次，目前对于SSP改良土体的长期稳定性和环境影响的研究相对较少，尤其是在实际工程应用中的长期性能表现和环境影响方面的研究还有待加强。此外，SSP改良材料的配比设计、施工工艺以及与土体的相互作用等方面也需要进一步深入研究，以确保改良效果的可靠性和实用性。 5结论与展望 钢渣粉作为一种新型土壤固化改良剂，在改良膨胀性黏土的胀缩性、抗压强度、剪切强度和抗变形等方面具有突出优势。能够与黏土颗粒发生阳离子交换吸附在表面，反应形成C-S-H凝胶和微量钙钒石（AFt）填充并胶结团粒，进而改变黏土颗粒的物理化学性质和微观结构，提高其工程性能。利用钢渣粉改良膨胀性黏土的工程性质，既符合低碳、绿色、环保发展理念，又可提高固废资源的高附加值利用、降低工程处理成本。然而，当前存在一些问题需要进一步研究和解决： （1）钢渣粉生产工艺的差异导致其化学成分、结构性质、矿物组成、粒度、表面积、孔隙率及性能发生显著变化，进而影响其化学活性和改良效果。今后需进一步完善和规范相关工艺标准，提高SSP的转化效率和胶凝活性。因此，提高SSP活性及性能是未来研究的重点。 （2）钢渣粉中含有大量游离的氧化钙（f-CaO）和氧化镁（f-MgO），会与空气中水分发生化学反应，使SSP体积迅速膨胀，造成SSP稳定性极差。虽可以考虑采用碳酸化工艺克服其安定性不良的因素，但SSP碳酸化应用于土体改良整体性能的研究尚缺不足。 （3）钢渣粉改良膨胀性黏土的微观机理及复合激发剂之间的反应机制研究还相对不足，需要进一步探索碱激发剂、SSP与黏土之间的相互作用机制，并通过实验和数值模拟等手段建立宏微观力学响应规律，为SSP改良膨胀性黏土提供更加科学的理论基础。 （4）土体改良的效果受到改良剂类型、添加量、混合方式和使用环境等多种因素的影响和控制，未来应考虑不同因素耦合下的化学-矿物成分及土体微观结构演变规律，从宏微观角度建立土体在水-化-力作用下的力学特性及耐久性评价体系。进而从更广泛的实际应用和环境影响出发，深入研究SSP改良土体的适用性、长期性能和环境影响等方面的问题。 来源：孙银磊，余川（云南大学建筑与规划学院） 编辑：冶金渣与尾矿 声明：本公众号部分文章和素材来源网络，仅供学习交流，如有冒犯请联系我们删除，感谢理解。
2024-12-19 15:24:34查看详情>> -
材料介绍，建议认真读完‖硅灰，粉煤灰和矿粉的特性，作用，应用以及标准
硅灰、粉煤灰、矿粉均为混凝土中常用的矿物掺合料，以下对它们的特性、作用及应用等进行介绍： 一，硅灰 1.来源与成分： 硅灰是在生产硅铁、金属硅等过程中产生的超细粉末，主要成分是无定形二氧化硅，其含量通常在85%至98%之间。 2.特性： 硅灰颗粒极细，平均粒径在0.1至0.2μm之间，比表面积大，通常在15000至25000m²/kg之间。具有很高的火山灰活性。 3.作用： 在混凝土中，硅灰能填充水泥颗粒间的空隙，提高混凝土的密实度，从而显著提高混凝土的强度，尤其是早期强度。同时，硅灰能改善混凝土的孔结构，使混凝土更加致密，提高其抗渗性、抗冻性和抗化学侵蚀性。 4.应用： 常用于配制高强混凝土、高性能混凝土，如高层建筑、桥梁、港口等对混凝土强度和耐久性要求较高的工程。 二，粉煤灰 1.来源与成分： 粉煤灰是火力发电厂燃烧煤粉后排出的一种工业废渣，主要成分是二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等。 2.特性： 粉煤灰颗粒呈球形，表面光滑，粒度较细，比表面积一般在2000至5000m²/kg之间。具有一定的火山灰活性，但其活性低于硅灰。 3.作用： 在混凝土中，粉煤灰可以改善混凝土的和易性，使混凝土更加易于施工。同时，粉煤灰的火山灰反应可以提高混凝土的后期强度，降低混凝土的水化热，减少混凝土因温度应力而产生的裂缝。 4.应用： 广泛应用于大体积混凝土工程，如大坝、基础等，以及对耐久性要求较高的混凝土工程，如地下结构、水工结构等。 三，矿粉 1.来源与成分： 矿粉是由炼铁高炉排出的水淬矿渣经磨细而成，主要成分是钙、硅、铝、镁等的氧化物。 2.特性： 矿粉颗粒较细，比表面积一般在4000至6000m²/kg之间。具有较高的潜在活性，其活性在一定条件下可以得到充分发挥。 3.作用： 在混凝土中，矿粉可以提高混凝土的后期强度，改善混凝土的耐久性，降低混凝土的氯离子渗透系数，提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。此外，矿粉还可以抑制碱-骨料反应，提高混凝土的体积稳定性。 4.应用： 适用于配制高强混凝土、高性能混凝土以及对耐久性要求较高的混凝土工程，如海洋工程、隧道工程等。 硅灰、粉煤灰、矿粉的化学性质主要在化学成分、活性、酸碱度等方面存在区别，具体如下： 一，化学成分 1.硅灰： 主要成分是无定形二氧化硅（SiO₂），含量通常在85%至98%之间，还含有少量的氧化钙、氧化镁、氧化铁等杂质。 2.粉煤灰： 主要化学成分是二氧化硅（SiO₂）、三氧化二铝（Al₂O₃）和三氧化二铁（Fe₂O₃），此外还含有少量的氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化钠（Na₂O）、氧化钾（K₂O）等。 3.矿粉： 主要成分是钙、硅、铝、镁等的氧化物，如硅酸二钙（2CaO·SiO₂）、硅酸三钙（3CaO·SiO₂）、铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃）等。 二，火山灰活性 1.硅灰： 具有极高的火山灰活性，其比表面积大，能与水泥水化产生的氢氧化钙迅速反应，生成更多的水化硅酸钙凝胶，填充在水泥石的孔隙中，提高混凝土的密实度和强度。 2.粉煤灰： 具有一定的火山灰活性，但活性相对较低，在常温下反应速度较慢，其火山灰反应主要在混凝土的后期进行，对混凝土的后期强度增长有一定贡献。 3.矿粉： 具有较高的潜在活性，在碱性环境下，矿粉中的活性成分能与水泥水化产物发生反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶体，提高混凝土的强度和耐久性。 三，酸碱度 1.硅灰： 通常呈酸性，pH值一般在4至6之间，这是由于硅灰中的二氧化硅在水中会发生水解反应，生成硅酸和氢离子，使溶液呈酸性。 2.粉煤灰： 其酸碱度因煤种、燃烧条件等因素而异，一般呈弱酸性至弱碱性，pH值在6至9之间。 3.矿粉： 通常呈碱性，pH值在10至12之间，这是因为矿粉中含有较多的氧化钙等碱性氧化物，在水中会发生水解反应，生成氢氧化钙，使溶液呈碱性。 以下是硅灰、粉煤灰、矿粉的质量标准： 一，硅灰 国际标准：GSO ASTM C1240:2024规定了用于混凝土和其他含有水硬性水泥的系统中硅灰的标准规范，涵盖化学分析、水分含量和烧失量、体积密度、比表面积、砂浆的空气夹带、强度活性指数、与水泥碱的反应性以及硅灰的抗硫酸盐性等测试方法。 一般要求：硅灰的主要成分二氧化硅含量通常在85%-98%之间；细度要求高，一般小于1μm，颗粒含量不低于85%；含水率一般应小于3%；活性指数通常要求不小于90。 二，粉煤灰 1.国家标准： GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》是我国现行的粉煤灰质量标准。 2.等级划分及指标： 分为I级、II级和III级。 .细度： I级粉煤灰细度小于12%，II级小于25%，III级小于45%，均为45μm方孔筛筛余。 烧失量：I级不大于5%，II级不大于8%，III级不大于15%。 需水量比： I级不大于95%，II级不大于105%，III级不大于115%。 .含水量： I级不大于1%，II级不大于2%，III级不大于3%。 三氧化硫含量： I级、II级不大于3%，III级不大于5%。 三，矿粉 1.国家标准： GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》将矿粉分为S105、S95、S75三个等级。 2.等级指标： 活性指数：S105级28天活性指数不小于105%，S95级不小于95%，S75级不小于75%。 比表面积：S105级比表面积不小于500m²/kg，S95级不小于400m²/kg，S75级不小于300m²/kg。 含硫量：矿粉含硫量必须小于4%。 硅灰、粉煤灰、矿粉的化学性质不同，对混凝土性能的影响也各有特点，具体如下： 一，对混凝土工作性的影响 1.硅灰：由于其颗粒极细，比表面积大，需水量大，掺入混凝土中会使混凝土的流动性降低。但在减水剂作用下，能改善混凝土的黏聚性和保水性，使混凝土不易离析和泌水。 2.粉煤灰：颗粒呈球形，表面光滑，能起到滚珠轴承的作用，有效改善混凝土的流动性，使其易于搅拌、运输和浇筑。同时，还能降低混凝土的用水量，提高混凝土的保水性和黏聚性。 3.矿粉：对混凝土工作性的影响与粉煤灰类似，能改善混凝土的流动性，提高其保水性和黏聚性。但矿粉的掺量不宜过大，否则会使混凝土的黏性增加，导致工作性变差。 二，对混凝土强度的影响 1.硅灰：具有高火山灰活性，能与水泥水化产物氢氧化钙反应生成更多的水化硅酸钙凝胶，填充孔隙，提高混凝土密实度，显著提高混凝土早期和后期强度，尤其对高强混凝土强度提升效果明显。 2.粉煤灰：早期火山灰活性低，对混凝土早期强度贡献小，甚至会使早期强度略有降低。但后期其与氢氧化钙反应，生成的水化产物填充孔隙，提高混凝土后期强度，对长期强度增长有利。 3.矿粉：具有较高潜在活性，在混凝土中能与水泥水化产物反应，生成凝胶体填充孔隙，提高混凝土后期强度。适量掺加矿粉可提高混凝土各龄期强度，且对长期强度增长效果较好。 三，对混凝土耐久性的影响 1.硅灰： 能改善混凝土的孔结构，使孔隙细化，提高混凝土的抗渗性和抗冻性。同时，其反应产物能填充孔隙，增强混凝土的密实度，提高抗化学侵蚀能力，降低混凝土的碳化速度。 2.粉煤灰： 能降低混凝土的水化热，减少温度裂缝，提高混凝土的抗裂性。其火山灰反应产物填充孔隙，提高混凝土的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀能力，改善混凝土的耐久性。 3.矿粉： 可提高混凝土的抗渗性、抗冻性和抗硫酸盐侵蚀能力。矿粉的掺入能抑制碱-骨料反应，降低混凝土中碱离子的浓度，提高混凝土的体积稳定性，从而增强耐久性。 硅灰、粉煤灰、矿粉的活性指数存在明显区别，以下是具体情况： 一，活性指数的定义 活性指数是指在一定条件下，掺加矿物掺合料的水泥胶砂试件与基准水泥胶砂试件在规定龄期的抗压强度之比，通常以百分数表示，它反映了矿物掺合料与水泥水化产物发生反应的能力及对混凝土强度的贡献程度。 二，活性指数的具体区别 硅灰：具有极高的活性指数，其7天活性指数通常可达100%以上，28天活性指数甚至可超过120%。这是因为硅灰中的无定形二氧化硅含量高，比表面积大，能与水泥水化产生的氢氧化钙迅速反应，生成大量的水化硅酸钙凝胶，从而显著提高混凝土的强度。 粉煤灰：活性指数相对较低，其7天活性指数一般在60%至80%之间，28天活性指数在70%至90%左右。粉煤灰的主要成分是二氧化硅、三氧化二铝和三氧化二铁等，其火山灰反应速度较慢，在常温下早期反应程度较低，对混凝土早期强度贡献较小，但随着龄期的延长，其活性逐渐发挥，对后期强度增长有一定作用。 矿粉：活性指数处于中等水平，7天活性指数通常在70%至90%之间，28天活性指数在90%至105%左右。矿粉的主要成分是钙、硅、铝、镁等的氧化物，具有较高的潜在活性，在碱性环境下，矿粉中的活性成分能与水泥水化产物发生反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶体，提高混凝土的强度。
2024-12-18 15:23:07查看详情>> -
语录人间
1、做人不要太大方。这个世界上只有“傻大方”、“穷大方”，你听说过“富大方”吗？穷人都是小心翼翼的大方，而有钱人都是大大方方的小气。 2、任何一次选择，都有它对应的筹码，愿赌服输是一个成年人应该具有的品质。 3、青春能掩盖很多问题：穷，丑，胖，脾气差，毒舌，都可以接受，毕竟年龄还小。但是等“青春”这块遮羞布拿开之后，一切缺点都会被无限放大。 4、不要动上层人士的利益，你动了他们的利益，如同动他的生命。不要动底层人士的观念，让他自生自灭即可，你如果动了他的观念，如同挖他的祖坟，他会和你拼命。 5、聪明的人都在闷声发大财，静悄悄的努力，当你还没缓过神来，他就已经逃出原来的圈子，走向更远的道路。 6、如果你和自己没有什么深仇大恨的话，请整理一下你那脏乱的屋子，远离那些不思进取的小群体，忘掉得不到的旧人，请你好好爱自己。 7、男人当然喜欢年轻漂亮的女子，但男人尊重的，永远是那些刻苦勤奋的女性。慕强，刻在每一个人的骨髓里。 8、一定要和让你越来越好的人在一起玩，你是有资格体会有趣世界的人，是配得上所有美好事物的人。 9、人才过剩、学历过剩的时代，你要做一个有特长的人，你要学会在一个细分的领域无人能敌，哪怕只是牛肉汤+葱油饼。 10、你见过排队发财的吗？无论什么年代，都不会出现大面积的富翁，穷人永远占多数，这就是游戏规则。 11、普通人被坑、被当作韭菜收割，有的是因为他相信一夜暴富，有的是因为他相信亲戚、朋友借的钱会还。 12、不要跟别人交心吐露太多。也许关系一淡，你交的心就成了别人的谈资，一旦翻脸就成了攻击你的黑材料。 13、有梦想、有事业的人是不会老的，因为超越同龄人越多，越不会觉得自己老。只有当一个人的境况平平，不如自己预期，甚至不如同龄人时，才会深深地感到岁月的无情。 14、任何时候都可以开始做自己想做的事，希望你不要用年龄和其他东西来束缚自己。年龄从来都不是界限，除非你自己拿来为难自己。 15、破圈时要注意：遇到比自己能量强的高手，不要试图成交他，从他那里赚钱。而要想着怎么能帮到他，甚至向他付费，你会发现得到的更多。 16、真正的高手，他们的习惯就是付出，哪怕是看到一篇文章，他们如果觉得有价值，也会点赞转发或者回复一下的，并且是很有价值的回复。
2024-12-13 17:13:07查看详情>> -
新变化！GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准变更对照表
近日，国家标准化管理委员会正式批准并发布了涵盖290项关键国家标准及4项重要修改单的公告。其中，尤为值得关注的是GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》国家标准的第1号修改单，该修改单已定于2025年6月1日正式生效。 为确保各行业同仁能够顺利过渡并精准执行新标准，特附上标准变更对照表，以方便大家在扩项和标准变更工作中进行快速对照。 标准方法新增/变更对照表 来源：硅酸盐通报 转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请与我们联系，我们将及时更正
2024-12-12 17:11:55查看详情>> -
钢渣粉磨工艺技术现状及发展方向
ꔷ钢渣ꔷ 钢渣是转炉炼钢和电弧炉炼钢产生的以硅酸钙、铁酸钙等为主要成分的工业固废，产率约为粗钢产量的14%。2014年我国钢渣产生量已超过1亿吨。钢渣主要可用作水泥混合材或混凝土掺合料、道路材料、回填材料等，目前我国钢渣综合利用率约33%，距德国、日本等发达国家近100%利用率相差甚远。钢渣中含有约50%的硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)等矿物，具有一定的水硬胶凝性，长期以来我国一直视钢渣为一种辅助性胶凝材料，目前将钢渣磨细作为水泥混合材或混凝土掺合料是实现钢渣高附加值利用的重要途径。但钢渣由于含有铁酸钙、ＲO相、金属铁等难磨物相，在进一步磨细至400 m2/kg以上时，采用传统的球磨机使得粉磨能耗大幅增加，因此，国内一直在尝试采用更为节能的粉磨技术和装备。 1钢渣的粉磨特性 ❖ 邹兴芳认为:钢渣形成温度较高(在1 580℃以上)，且在过高温度下溶入较多的FeO、MgO等杂质并形成完整粗大的晶体。岩相分析表明:钢渣中的主要矿物成分为板状硅酸三钙和圆形及类圆形的硅酸二钙，其次为铁酸钙和RO相。其中，硅酸三钙最大尺寸可达到1998μm，硅酸三钙包裹中的MgO颗粒粒径为142~271μm;钢渣中的金属铁主要呈球粒状嵌布，粒度一般为100~300μm，最大可达3mm;硅酸二钙粒径也达到943μm。 侯贵华等比较研究了钢渣的难磨相组成及其胶凝性，结果发现了钢渣中难磨组分为铁铝酸钙和镁铁相固溶体，且它的水化反应活性很低，而钢渣中硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)具有较好的易磨性，比矿渣略好，但其水化反应活性明显比矿渣差，钢渣中的C3S和C2S固溶了较多的异离子。 因此要发挥钢渣中C3S和C2S的水硬胶凝性，必须将钢渣磨细至较高细度，使钢渣矿物结构发生畸变、结晶度下降，使钢渣中矿物晶体的键合能减小，从而使活性提高，才能实现钢渣在水泥和混凝土中的较高掺量。 2钢渣粉磨工艺技术 近年来，钢渣粉磨新工艺和新设备的应用日益广泛，在传统的球磨机基础上，国内已相继开发出了技术指标更先进的辊压机半终粉磨、辊压机终粉磨、立式磨、卧式辊磨等，从不同的应用角度和技术特点丰富和发展了钢渣粉磨的技术内涵。 2.1球磨机为终粉磨设备的粉磨工艺 球磨机是物料简单机械破碎之后，再进行粉磨的传统设备。随着球磨机相关技术的不断进步，使得球磨机也能粉磨硬度大的物质，如钢渣。球磨机在粉磨物料上的优点主要有适应性强、粉碎比大、粉磨和烘干可以同时进行、结构及维护管理简单，密封性好，运行平稳，操作可靠等，在物料的粉磨作业，尤其是水泥粉磨作业中一直备受青睐，这也使得球磨机与水泥行业的历史几乎一样悠久。球磨机研磨体规格及材料能根据物料性能做出相应调整，这使得球磨机也能粉磨硬度大的钢渣，但粉磨400 m2/kg比表面积钢渣粉的单位电耗为100 kW·h/t左右。但是，球磨机的缺点也同样明显，主要是配置昂贵、磨损严重、工作效率低、能量损耗大等，以生产水泥为例，每生产1t水泥的耗电量不低于70 kW·h，但只有约5%的电能用于物料表面积的增加，绝大部分电能被转变为热能和声能而浪费掉。但球磨机能耗大，粉磨损耗严重等缺点，限制了球磨机在粉磨钢渣领域的发展。 正因为如此，粉磨行业以提高粉磨效率、降低能耗和钢耗为宗旨，进行粉磨新装备、新技术的研究开发一直都没停止。近年来，在利用球磨机作为终粉磨的基础上，杭钢采用振动磨作为预粉磨设备，马钢开发出辊压机为预粉磨设备，大大提高了钢渣粉磨效率。 2.2辊压机+球磨机的联合粉磨工艺技术 辊压机诞生于20世纪80年代中期，是一款基于“料床粉碎”原理的典型新型节能粉磨设备，与球磨机相比，具有增产节能、噪音小、钢材损耗小等优点，经辊压机挤压后的物料颗粒易磨性大为改善，进而大幅度降低了整个粉磨系统的能耗，既适用于新厂建设，也能用于老厂技术升级改造。 辊压机相比球磨机，主要优点有粉磨效率高、能耗低、磨损小、噪音低、粉尘少、结构简单、紧凑，操作维修方便等，但也存在不足之处:“边缘效应”、零部件尤其是辊子轴承以及辊面易磨损、存在选择性粉碎等。天津院用辊压机联合粉磨系统生产钢渣粉的研究表明，用辊压机处理钢渣时，能大幅度改善其易磨性，从而降低球磨机电耗，辊压机处理钢渣的增效系数可达4.0以上，与粉磨水泥增效系数2.0相比，节能效果更加显著，可大大改善后续磨机的粉磨状况，使整个粉磨系统的单位电耗明显下降;且可实现钢渣中的铁和渣能充分剥离，便于预粉磨系统进行高效除铁。因此采用带辊压机半终粉磨的钢渣粉磨工艺，可以充分发挥和利用辊压机的高效挤压优势和球磨机的粉磨功能，达到显著改善产品性能、增产节能和高效除铁的效果。 在辊压机与球磨机联合粉磨系统中，钢渣经辊压机挤压，通过兼烘干及选粉功能的选粉机，选出规定细度的微粉进球磨机粉磨成成品，粗粉回辊压机再次挤压。钢渣经由辊压机辊压后，颗粒表面出现裂纹，有助于提高终粉磨设备的粉磨效率、降低能耗。钢渣在炼钢过程中内部包裹有相当数量的小颗粒金属铁，因此粉磨时除铁是关键。首先要最大限度将金属铁从钢渣中提取出来进行回收利用，有效除铁可减少粉磨过程铁对设备的磨损并提高粉磨效率。在外循环系统中增加多个除铁设备，可降低钢渣粉中的含铁量，保护粉磨设备。 辊压机与球磨机联合粉磨能耗低于单独使用球磨机粉磨系统。粉磨400 m2/kg比表面积钢渣粉的单位电耗为80 kW·h/t左右。该系统目前仍存在一些制约连续生产的问题，如金属铁富集、烘干效率及选粉分级效率低，辊压机喂料控制等问题，但这也证明在钢渣粉磨方面联合粉磨技术较单一终粉磨技术更有优势。 3辊压机为终粉磨的“线接触式”粉磨工艺技术 鞍钢矿渣公司采用高压辊压机作为钢渣粉终粉磨设备。高压辊压机的特点是使用寿命长，设备运转率高，易于维修和能耗低。与传统的球磨机相比，高压磨辊研磨过程中主要是利用两个反向旋转的辊来挤压料层，由于料层是由许多连结在一起的粒子组成，所施加的压力造成颗粒间强烈的相互挤压和破碎，颗粒间破碎粉磨，大大提高了研磨效率。 高压辊压机节能主要体现在闭合回路研磨使原料直接成为合格成品。与普通球磨机系统相比，高压辊压机粉磨系统的节能效果达到50%以上。粉磨400 m2/kg比表面积钢渣粉的单位电耗约为50 kW·h/t。但由于经辊压机挤压粉磨的物料中细粉含量相对较少，因而循环负荷很大，一般在8倍喂料量以上，成品中微粉量不够，成品质量虽能满足要求，但相同比表面积的产品质量比球磨机粉磨的产品质量差。此外，单机生产能力仍然较小。 4立式磨的“面接触式”粉磨工艺技术 立式磨自20世纪20年代问世以来，一直以粉磨效率高、能耗低著称，尤其是可对含水量高达20%左右的物料同时进行烘干粉磨，因此建材行业长期多用于生料制备和矿渣粉磨。与球磨相比，立式磨的优点主要有:入磨物料粒径大、粉磨效率高、能耗低、烘干效率高、能力强、工艺系统简单、结构紧凑，控制方便、密封性好，运转率高、噪音小等，缺点主要有:不适宜粉磨磨蚀性大的物料，零部件(主要是磨辊上辊套和磨盘上衬板)材质要求较高，零件磨损后维修工作量大，更换难度也大，对系统密封性及操作员的操作技术水平要求都较高等，立式磨维修费用高，对材质及生产管理的要求都比较高，一般认为钢渣中含铁量高，产品要求细度高，不易使用立磨粉磨。目前国内外还没有成熟的生产线投入使用，但业内一直没有停止采用立式磨粉磨钢渣的尝试，合肥水泥研究设计院通过研磨组件配合、新型耐磨材料使用、系统和磨内除铁、钢渣粉分选方面创新［4］，在立式磨中分别针对未热闷处理的钢渣和热闷处理后的钢渣进行了试生产，表明粉磨钢渣产量比矿渣低29.85%，粉磨100%未经热闷钢渣磨机产量比粉磨100%热闷钢渣降低19.98%，可见钢渣的处理方式对易磨性影响也很大，另外钢渣粉磨对除铁的要求更严格，要求磨前设计3道除铁措施，磨机排渣与外循环提升机之间设计二道除铁，以便有效去除钢渣中的铁，保证系统设备运行的稳定，从而降低设备的磨耗和系统的能耗。 5卧辊磨的“面接触式”粉磨工艺技术 卧式辊磨，也称筒辊磨，是20世纪90年代出现的节能粉磨设备。它以料层间挤压为粉磨原理，采用中等压力、多次挤压方式，以近似于辊压机的粉磨效率，近似球磨机的运行可靠性，从一问世就得到极大的关注。现在全球大约有30余台法国FCB公司的卧式辊磨投入运行。最大台时产量生料达225 t/h，水泥达130 t/h。我国牡丹江水泥厂、汉中水泥厂、日照京华新型建材有限公司、九江中冶环保资源开发有限公司和新余中冶环保资源开发有限公司也引进该公司卧式辊磨用于粉磨水泥和钢渣粉，国内的部分设备制造企业也正在开发这种新型节能粉磨设备。 卧式辊磨的主要优点为咬入角较大、通道收缩率较小，卧式辊磨磨辊咬入角一般为17°，而立磨和辊压机则分别不超过12°和6°，故物料在卧辊磨中具有较小的通道收缩率;压力适中，速度高，运行平稳，基于“料床粉碎”3种典型粉磨设备中，工作压力从小到大依次是立式磨＜卧辊磨＜辊压机;一次通过，多次挤压，物料在卧辊磨内的粉磨次数，可以根据工艺要求，通过控制机构调整，以达到调节出磨物料粒径的目的，也就是物料从进料端到出料端运动的过程中，依靠磨辊的回转运动，可以经济、方便地在筒体内循环粉磨7～8次;能耗小，球磨机的能量利用率不足5%，辊压机和卧辊磨均可达35%左右;加工成品活性大，卧式辊磨的成品颗粒形貌可以通过调整导料板倾斜角度来间接调节，物料在筒体内“螺旋”前进的过程中受到多次挤压整形，其形貌逐渐向圆球形逼近，成品活性增大。粉磨钢渣粉时粉磨至400 m2/kg主机电耗约45 kW·h/t。卧式辊磨系统与球磨机系统对比见表1。 卧式辊磨机具有运行稳定、操作灵活、产量在线可调、可控性较强、磨耗及电耗较低的优点，已经在日照京华新型建材有限公司投产运行2条80万吨/a的钢渣粉生产线，并在新余中冶环保资源开发有限公司和九江中冶环保资源开发有限公司投产运行40万吨/a钢渣粉生产线。 6各种钢渣粉粉磨工艺比较 目前已投入正式生产的各种钢渣粉磨工艺技术指标对比见表2。 7结束语 1)钢渣中含有铁铝酸钙、镁铁相固溶体、金属铁等难磨组分，使得钢渣粉磨细至合适细度能耗居高不下。 2)国内探索了辊压机+球磨机联合粉磨、辊压磨终粉磨、立式磨和卧式辊磨高效低耗制备钢渣粉的适应性，辊压机+球磨机联合粉磨联合粉磨工艺优于球磨机终粉磨工艺，“面接触式”料床粉磨设备优于“点接触式”料床粉磨设备，采用联合粉磨工艺技术及“面接触式”料床粉磨设备可以显著提高产量，降低系统电耗，可以作为未来钢渣粉磨工艺技术的重要研究方向。而卧辊磨终粉磨技术将是未来钢渣粉磨技术的发展方向。 作者：中冶建筑研究总院有限公司 张添华 编辑：冶金渣与尾矿 此文章仅用于交流分享，版权归原作者所有，如有冒犯请联系我们删除，感谢理解。
2024-12-12 17:09:55查看详情>> -
粉煤灰地聚物胶凝材料的环保特性与固废利用
引言 随着工业化进程的加速，固体废弃物（固废）的处理和利用成为全球性的环境问题。固废的有效利用不仅能够减少环境污染，还能节约资源，实现可持续发展。在众多固废中，粉煤灰作为一种量大面广的工业副产品，其资源化利用对于环境保护和资源节约具有重要意义。 粉煤灰地聚物胶凝材料的环保特性 粉煤灰地聚物胶凝材料是一种新型的环保材料，它通过利用粉煤灰中的硅铝酸盐在碱性条件下发生水解和缩聚反应，形成具有三维网络结构的无机凝胶材料。这种材料具有高强度、高硬度、高抗化学侵蚀、高耐火性以及固化重金属离子等特性。此外，粉煤灰地聚物胶凝材料在生产过程中的碳排放量远低于传统水泥，有助于减少建筑行业的碳足迹。 固废资源化利用策略：利用粉煤灰、矿渣等 固废资源化利用策略的核心在于将工业副产品转化为有价值的资源。粉煤灰、矿渣等固废通过地聚物技术的应用，可以转化为性能优异的胶凝材料，广泛应用于土木工程、耐火材料和吸附材料等领域。此外，粉煤灰的资源化利用还包括在农业领域应用和有价组分提取，以及生产新型墙体材料、装饰装修材料等绿色建材。 粉煤灰地聚物胶凝材料对环境的好处 1.资源再利用与循环经济：粉煤灰作为燃煤电厂的主要固体废弃物，通过转化为胶凝材料，实现了资源的再利用，减少了工业废料的排放，降低了对自然资源的开采，符合循环经济的理念。 2.减少碳排放与能源消耗：粉煤灰胶凝材料在制备和使用过程中，相比传统胶凝材料（如水泥）能够显著降低碳排放和能源消耗。粉煤灰可以作为混凝土的掺合料，替代部分水泥，从而减少水泥的生产和使用量，有效降低混凝土生产的碳足迹。 3.改善混凝土性能与减少废物产生：粉煤灰胶凝材料能够改善混凝土的性能，如提高混凝土的强度、耐久性和工作性能，延长混凝土的使用寿命，减少因混凝土损坏而产生的建筑废弃物。同时，还能降低混凝土中氧化物和硫化物的含量，进一步降低其对环境的污染。 4.减少工业废料对环境的污染：粉煤灰作为工业废料，如果不进行妥善处理，会对环境造成严重的污染。通过将其转化为胶凝材料，不仅可以减少工业废料的排放，还可以降低对环境的污染，保护生态环境。 5.推动绿色建筑和可持续发展：粉煤灰胶凝材料的应用有助于推动绿色建筑和可持续发展目标的实现。通过减少工业废料的排放和资源的再利用，粉煤灰胶凝材料为建筑行业提供了一种更加环保和可持续的建筑材料选择。 6.降低温室气体排放量：粉煤灰基地质聚合物混凝土在碱激活剂的制备和后期高温养护产生的温室气体约占总量的90%；与普通混凝土相比，粉煤灰地质聚合物混凝土的温室气体排放量降低率为15%。 7.优异的耐火性和耐热性：地聚物在高温（1000～1200℃）也不会氧化和分解，甚至在680℃煅烧后，强度有一定的提升，这可能由于高温煅烧会促进晶体的形成，提高强度。 8.良好的耐化学腐蚀性：一般情况下，除氢氟酸（HF）外，地聚物中键合的Si-O和Al-O很难与其他酸反应，使其成为一种理想的海洋土木工程材料。 9.与金属离子结合性能强：地聚物具有类沸石结构，金属离子或者其他有毒物质很容易被分割包围在环状分子所形成的密闭的空腔中。同时，地聚物中的碱金属离子具有离子交换性能，很容易与金属离子发生交换，从而固定有害的金属离子。 这些环保特性使得粉煤灰地聚物胶凝材料成为一种具有广泛应用前景的环保材料。 结论 粉煤灰地聚物胶凝材料的开发和应用，不仅为固废处理提供了新的思路，也为环保材料的发展开辟了新的道路。通过技术创新和模式创新，粉煤灰地聚物胶凝材料能够有效提升固废的综合利用率，减少环境污染，降低碳排放，实现固废的高附加值利用。随着相关技术的不断进步和政策的支持，粉煤灰地聚物胶凝材料有望在未来的固废利用和环保材料领域发挥更加重要的作用。
2024-12-11 17:09:07查看详情>> -
赤泥基碱激发胶凝材料的制备及机理研究
摘要：系统总结了国内外对赤泥基胶凝材料的研究成果，分析了赤泥种类、掺合料和激发活化措施对赤泥基碱激发胶凝材料力学性能的影响。研究表明烧结法赤泥活性较高，受热活化和水玻璃激发效果较为显著，抗压强度普遍高于25 MPa；拜尔法赤泥较则难以被激发，而目前90%的铝业公司使用拜耳法生产Al2O3。结合已有研究，利用工业固体废弃物脱硫石油焦渣激发拜耳法赤泥，确定了赤泥基激发胶凝材料的基本配合比，经标准养护28 d抗压强度达到25.6 MPa。利用XRD进行的微观分析发现，赤泥中的铝硅酸盐矿物可以在碱性激发剂的作用下发生反应，经过溶解-聚合反应生成聚合物凝胶是赤泥受激发产生强度的主要原因。研究将赤泥用于制备胶凝材料，可以实现赤泥大规模、高附加值的资源化再生利用。 关键词：赤泥；碱激发；活化；脱硫石油焦渣 0引言 在氧化铝工业生产过程中排放的红色泥状残渣称为赤泥。组成和性质复杂，随铝土矿成分、生产工艺及陈化程度有所变化。每生产1 t氧化铝产生1.0~2.0 t赤泥。近年来，赤泥累计库存量已超过40亿t，并且每年继续增长1.2亿t；国内赤泥库存已达3.5亿t，而赤泥资源利用率不到15%。目前，赤泥尚无合适的利用方式，多以外排为主。其他国家多以排海为主，但排海赤泥对海洋污染严重，影响海洋生态环境长达半个世纪；而中国因为地理原因，多以堆存为主。赤泥的堆存一般分为湿法和干法，其中以干法为主。无论是哪种堆存方式，都存在潜在的环境污染风险，例如赤泥脱水风化后造成粉尘污染；赤泥碱性高，侵蚀建筑物和土壤；赤泥含有重金属元素，可污染水体；赤泥含有放射性物质和有毒物质，危害人类和动物的生存发展。而现有的赤泥利用技术利用率较低，存在诸多不足。例如从赤泥中回收有效组分回收过程复杂，成本和能量消耗巨大，产品附加值较低。赤泥可用于生产建筑材料，但目前仅能利用制备低品质，低附加值的产品。赤泥作为环境修复材料的应用，工艺简单，成本低，但是存在引入新污染的风险，并且在施用后难以再循环。因此，对赤泥的高效利用已经成为业内研究的热点，而建材产品用量巨大，若将赤泥用于制备建筑材料，可以实现赤泥大规模、高附加值的资源化再生利用。 1赤泥的构成 1.1赤泥的化学组成 赤泥主要根据氧化铝的不同生产工艺分为拜耳法赤泥和烧结法赤泥。一些铝厂产生的赤泥的主要化学成分见表1所示。 从表1中可以看出，赤泥中含有的主要化学成分是相似的，主要为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、TiO2、Na2O、K2O、MgO，但各种成分含量不同。烧结方法的赤泥组成相似，SiO2、Al2O3、CaO含量在60%以上，Fe2O3含量在10%左右；拜耳法赤泥成分较为复杂，成分变化较大，SiO2、Al2O3、CaO含量小于50%，大部分赤泥中Fe2O3含量在30%左右。本研究对山西朔州铝业烧结法和山东信发铝业拜耳法赤泥进行了荧光试验分析。烧结法赤泥中SiO2、Al2O3、CaO含量在60%以上，拜耳法赤泥中CaO含量较低，Fe2O3含量在30%以上，与表1中赤泥相似。 1.2赤泥的矿物组成 分别对拜耳法赤泥（山东信发铝业公司）和烧结法赤泥（山西朔州朔能铝业公司）进行X-衍射分析，图谱如图1、2。 由图1中可以看出，拜耳法赤泥成分复杂，主要矿物是赤铁矿，含有少量的钛矿物、勃姆石、二氧化硅和硅铝酸钠水合物。这些矿物质基本上没有水化活性。拜耳法赤泥不经过煅烧，直接用苛性碱浸出铝，剩余含硅铝矿物结构未破坏更不会在碱性激发剂中溶解，硅铝的溶解速率低，活性较低。由图2中可以看出，烧结法赤泥的主要矿物是石榴石和钙霞石，含有少量钛矿物、坡缕石和无定形硅铝酸盐水合物。大量石榴石和钙霞石主要用作骨架支撑，而无定形硅铝酸盐水合物则起胶结和填充作用。其中钛矿物呈现惰性，可以提高结构的稳定性。烧结法的赤泥在高温下煅烧，硅铝和钙离子易溶解形成CaO-Al2O3-SiO2三元体系，活性较高。 综上所述，烧结法赤泥活性较好，拜耳法赤泥活性较差。然而，超过90%的铝业公司目前使用拜耳法工艺生产氧化铝，且拜耳法赤泥更难处理，因此，对拜耳法赤泥进行活化处理和资源化再生利用成为亟待解决的技术难题。 2赤泥基碱激发胶凝材料制备研究 碱激发材料是新开发的基于铝、硅、钙质矿物或废弃物为原料，以碱金属或碱土金属盐为激发剂，经历溶解-再聚合过程凝结硬化，绿色、低碳的胶凝材料。近几年一些学者扩展了激发剂的选择，除碱性激发剂如水玻璃和苛性碱外，还选用磷酸等酸性激发剂及硫酸盐、氟化物等盐类激发剂，促进了碱激发材料的发展。赤泥含大量的铝、硅、钙质，可作为碱激发原料，结合其他辅助性材料，制备赤泥基碱激发胶凝材料。 2.1掺合料 赤泥中Si/Al比较低，Al不能全部用于聚合反应而存于溶液中，所以形成的胶凝材料强度较低。当提高Si/Al比后，Al全部进入硅铝框架中，微观结构更加致密，胶凝材料强度相对较高。因此，有必要加入一部分高活性硅铝原料共同激发，如矿粉、粉煤灰及偏高岭土等，可以有效地提高赤泥基胶凝材料的抗压强度。制备绿色、低碳的赤泥地聚合物，要尽量提高赤泥占胶凝材料总量的比例（≥50%）或掺加其他硅铝钙质废料，降低成本，提高市场竞争力。 2.2活化方式 赤泥中硅铝的溶解速率低，形成的胶凝材料的强度较低。可以通过机械活化改变赤泥的性能，从而提高胶凝材料的强度。赤泥机械活化一般多选用球磨机和振动磨进行机械研磨，破坏颗粒的表面结构提高颗粒的细度，但会增大用水量降低材料早期强度。另外赤泥持水量较高，机械研磨并不能磨成小颗粒，过度粉磨会导致颗粒团聚，易形成黏片状结构，胶凝材料力学性能提高幅度不显著。热活化通常在500~800℃的高温下进行。在锻烧条件下，赤泥中稳定铝硅体的结构被破坏，形成亚稳硅铝酸盐结构，胶凝材料的抗压强度提高，但煅烧温度高，成本较高。化学活化多选用碱性激发剂激发，碱性激发剂使液相中的碱度提高，赤泥中硅铝矿物在强碱溶液中结构破坏，硅氧键与铝氧键破坏溶出硅铝单质，然后形成硅铝质凝胶，最后聚合形成类沸石结构。水玻璃是最常用的激发剂，激发效果最好，但商品级的碱硅酸盐价格较为昂贵，制备成本提高。 2.3制备工艺 赤泥基碱激发胶凝材料制备过程如图3所示。首先将原状赤泥进行烘干、研磨和筛分处理，可以通过机械研磨和高温煅烧对赤泥进行活化处理获得高活性赤泥粉体。根据需要，添加硅铝质材料、外加剂或纤维等掺合料改善胶凝材料的性能。选择合适的激发剂类型和用量，以及最佳的水胶比。最后是成型以及养护等工序。 3力学性能 目前，国内外一些学者对赤泥制备碱激发胶凝材料进行研究，如表2所示。 图片 从表2可以看出，可以通过改变各种原料（赤泥种类、激发剂、掺合料、水的比例）、选择合适的成型工艺和养护方法，以改善赤泥基胶凝材料的力学性能。现有研究利用烧结法赤泥激发制备胶凝材料抗压强度一般在25 MPa以上，而利用拜尔法赤泥激发制备得到的胶凝材料抗压强度较低。掺合料多选用活性较好的矿渣、粉煤灰和硅灰，少部分添加石灰和脱硫石膏提高赤泥粉体的活性。赤泥激发活化后胶凝材料抗压强度有所提高，高温蒸压养护有利于提高胶凝材料的力学性能。 4激发机理 在激发剂的作用下，赤泥中的矿物硅氧键和铝氧键被破坏，硅铝单体溶解；然后单体聚合为低聚物，形成凝胶，最后硅铝结构聚合形成高聚物硅铝聚合凝胶。如果赤泥含钙量较高，如烧结法赤泥，会溶解出钙离子，最后生成C-S-H和C-A-S-H凝胶；拜耳法赤泥含钙量较少，会生成N-A-S-H凝胶。图4为华中科技大学叶楠博士利用碱热活化激发拜尔法赤泥，加入硅灰和水后水化生成胶凝材料的过程。 加入氢氧化钠，赤泥被碱活化，矿物结构被破坏，硅氧四面体与硅氧四面体分解。部分Fe3+代替了Al3+生成铁氧混合体；加入水和硅灰后，硅铝单体在碱环境下生成低聚合物；硅灰溶出硅氧单体，最后形成稳定的N-A-S-H凝胶，游离的Na+被包围在凝胶中。 5试验 本试验选用山东信发铝业公司提供的拜耳法赤泥。试验发现机械活化效果不显著，热活化消耗能量较高，对未高温煅烧拜耳法赤泥进行碱激发效果不理想。因此利用工业废弃物脱硫石油焦渣作为主要激发剂，加入高贝利特硫铝酸盐水泥熟料双重激发赤泥。通过正交试验确定赤泥/高贝利特水泥熟料质量比为3/1，石油焦渣占粉体总量40%，水胶比为0.4，当胶砂比为1∶3时，制备赤泥基碱激发胶凝材料，经标准养护28 d抗压强度达到25.6 MPa。 硫铝酸钙是普通硅酸盐水泥的主要水化产物，具有良好的早期强度。铝酸盐和硫酸钙是合成硫铝酸钙的主要成分。赤泥是一种高碱度的铝硅酸盐原料，石油焦渣含大量的氧化钙和硫酸钙。赤泥基胶凝材料的水化反应产物如图5。 由图5中可以看出，水化产物的主要物相是钙钒石、赤铁矿、方解石、硬石膏和硫酸钙铁矿物。其中，赤铁矿来源于拜耳法赤泥，硬石膏和方解石均来源于脱硫石油焦渣。 高贝利特水泥熟料水化，溶液的温度和碱度提高；脱硫石油焦渣中氧化钙形成氢氧化钙，消耗大量的水，溶液的pH值升高；赤泥中硅铝酸盐矿物解聚并与溶液中Ca2+和SO42-反应形成钙矾石和水合硅酸钙。石油焦渣含大量的氧化钙和硫酸钙可代替石膏和石灰，对赤泥激发效果显著，外加钙源可以提高胶凝材料强度。水泥熟料水化产生氢氧化钙有利于赤泥的激发。大量的消耗赤泥和石油焦渣，增加固体废弃物的利用。 硅铝酸盐矿物溶解速率低，大部分不参与反应，这是地聚合物抗压强度不足的主要原因。因此，下一步要对拜耳法赤泥进行活化处理增加硅铝溶出率，添加含硅铝酸盐固体废弃物提高硅铝含量和硅铝比，提高胶凝材料的抗压强度。 6总结 （1）目前的赤泥激发工艺中，烧结法赤泥更容易进行激发，热活化和水玻璃激发效果显著，激发得到的胶凝材料抗压强度高于25 MPa；由拜尔法赤泥激发制备的胶凝材料抗压强度较低，针对拜耳法赤泥进行激发的研究还远远不足。 （2）赤泥/高贝利特水泥熟料质量比为3/1，石油焦渣占粉体总量40%，水胶比为0.4，当胶砂比为1∶3时，制备赤泥基碱激发胶凝材料，经标准养护28 d抗压强度达到25.6 MPa。 （3）赤泥中硅铝酸盐矿物在碱激发剂作用下，解聚为单体，单体再聚合为聚合物，最后生成C-S-H和C-A-S-H凝胶，是赤泥基碱激发材料产生强度的主要原因。
2024-12-11 17:06:21查看详情>> -
高炉矿渣特性对其活性和立磨生产的影响
高炉矿渣是高炉冶炼过程中产生的副产物，其主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3和MgO，其中含有Ti、S等微量元素，经研究，Ti含量的变化会影响高炉矿渣冲制过程中泡沫渣的含量。高炉不同的冲渣方式，导致高炉渣在高温冷却的速度不同，产生的高炉矿渣的结构也不同。同时高炉矿渣本身化学成分的波动，对高炉矿渣的排水、矿渣立磨的煤耗和台时产量以及矿渣粉的活性有密切的影响。 1试验 1.1原料 我公司高炉产生的高炉矿渣，以及利用该高炉矿渣生产的矿渣粉，化学成分见表1。 1.2高炉冲渣和立磨工艺布局 我公司采用印巴法和明特法冲制高炉矿渣，经皮带运输至高炉矿渣料场，经自然堆放和晾晒72h后，作为矿渣立磨原料。矿渣立磨型号为德国莱歇生产的LM56.3+3，配套140GJ供热能力的热风炉。 1.3试验方法 （1）采用德国Bruke D8 Advance型X射线衍射仪分析不同冲渣制度下的高炉矿渣矿物结构。 （2）使用实验室小磨，将烘干好的3kg高炉矿渣，粉磨40min后，测定比表面积，表征高炉矿渣易磨性。 （3）按照GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中的胶砂强度比法测定矿渣粉活性指数。 2结果与讨论 2.1不同冲渣方式对高炉矿渣矿物结构、易磨性和活性的影响 测试了明特法与印巴法冲制的高炉矿渣的矿物组成，见图1，可知明特法冲制的高炉矿渣含有大量的钙铝黄长石（Ca2Al2SiO7）晶体，以及小部分的镁蔷薇辉石（Ca3MgSi2O8）晶体，通过定性分析，玻璃体的含量远小于钙铝黄长石晶体的含量，而钙铝黄长石晶体抑制矿渣粉的水化活性，其活性主要是玻璃体在碱性环境下的解聚产生的，通过对比可知，印巴法的热水冲渣制度下的矿渣，钙铝黄长石的晶体含量极少，且晶体形式主要以微晶状态存在，玻璃体含量高。 测试了明特法与印巴法冲制的高炉矿渣的易磨性和活性指数，见表2，结合上述图1的XRD图谱可知：印巴法冷却液态渣速度较快，矿物结构以玻璃体为主，包含较高的能量，其机械粉磨做功较小，导致其易磨性（比表面积）较明特法冲制的高炉矿渣高30m2/kg，7d和28d活性指数分别高13%和12%。下文所讨论高炉矿渣和矿渣粉都采用印巴法冲制。 图1明特法与印巴法两种冲渣制度下的矿渣粉的XRD图 2.2高炉矿渣化学成分对活性的影响 矿渣粉主要的结构为玻璃体结构，其水化活性的来源为高温的液态渣经急冷保存下来的能量，主要是其中的Al2O3经水化环境中的Ca(OH)2激活，反应生成具有胶凝特性的絮状结构的C-A-H（铝胶结构），C-A-H又与水化体系中的SO3反应，生成具有针棒状的AFt（钙矾石），在水泥硬化浆体中起骨架结构，增强水泥体系强度，宏观表征为矿渣粉具有活性。因此综合上述分析，影响矿渣粉活性的主要因素包含矿渣粉的Al2O3、SiO2和玻璃体含量。 通过图2可知，Al2O3和SiO2含量的波动对矿渣粉的7d活性指数有较显著的影响，这是因为当矿渣中Al2O3含量高时，液态高炉渣的黏度较高，不易形成钙铝黄长石微晶，同时矿渣中玻璃体中的主要水化活性物质Al2O3较高。而矿渣中SiO2含量高时，矿渣的活性会出现明显的下降。因此需对两者综合考虑。 图2矿渣中Al2O3和SiO2的含量变化与其7d活性指数的关系 2.3高炉矿渣化学成分对易磨性的影响 矿渣的易磨性不仅受到其冲渣方式的影响，也受到其化学成分的影响，分析了高炉矿渣中的化学成分对矿渣的易磨性和对立磨台时产量的影响，见图3，可见：在相同冲渣方式下，随着高炉矿渣中SiO2含量由32%上升至34%，高炉矿渣比表面积由420m2/kg降至400m2/kg。 2.4高炉矿渣堆积密度对水分、立磨台时产量和煤耗的影响 统计了2018年5月至6月时间段的高炉矿渣堆积密度和水分的数据，见图4，可知：从2018年5月下旬至6月，高炉矿渣堆积密度呈不断下降趋势，同时，高炉矿渣水分呈不断上升的趋势，表明了高炉矿渣堆积密度与水分有直接关系。 按照入磨高炉矿渣的水分≤8.5%的要求，从图5中可以得出，对应的高炉矿渣堆积密度临界点为1060kg/m3，因此要求高炉矿渣的堆积密度不小于1060kg/m3，否则将严重影响矿渣粉的台时产量、煤耗等。图6为2018年5月份和6月份高炉矿渣水分对矿渣磨机台时产量曲线图，可以看出，随着矿渣水分增加，磨机的台时产量下降，主要原因为，高炉矿渣水分提高，磨机运行工况不稳定。 同时，因高炉矿渣水分的提高，矿渣磨机的煤耗也呈上升趋势，通过测算可知，高炉矿渣水分每上升1%，矿渣立磨煤耗上升约0.5kg/t。 图3高炉矿渣化学成分与易磨性变化对应关系 图4 2018年5月份和6月份高炉矿渣堆积密度和水分的变化趋势 图5高炉矿渣堆积密度和水分的关系 图6高炉矿渣水分对立磨台时产量的影响 3结论 （1）印巴法冲制的高炉矿渣结构主要为活性高的玻璃体结构，明特法冲制的高炉矿渣主要为活性低的钙铝黄长石（Ca2Al2SiO7）晶体结构，且印巴法冲制的高炉矿渣易磨性要高于明特法冲制的。 （2）高炉矿渣堆积密度≥1060kg/m3时，经堆放72h自然排水后，高炉矿渣水分可以控制在8.5%，有利于立磨煤耗的降低和台时产量的提高。 （3）高炉矿渣中SiO2化学成分的升高会降低矿渣磨机台时产量。 （4）高炉矿渣中对活性指数有益的化学成分为Al2O3，其对活性不利的成分为SiO2。 作者：日照钢铁控股集团有限公司梁晓杰 编辑：冶金渣与尾矿 文章仅用于技术交流分享，如有冒犯请联系我们删除，感谢理解。
2024-12-09 14:43:03查看详情>> -
钢渣矿渣基全固废胶凝材料的水化反应机理
为了促进钢铁冶金渣的高附加值应用，以钢渣、矿渣和脱硫石膏为原料制备胶凝材料，研究了不同掺量CaO或Na2SO4对胶凝材料的化学活化作用，并利用XRD、SEM对掺入激发剂胶凝材料的水化产物进行了分析。结果表明，掺入少量CaO或者Na2SO4的胶凝材料净浆试块早期抗压强度会有一定的提高，后期强度变化不大；但当Na2SO4掺量超过2%时，净浆试块的抗压强度会降低。掺入激发剂对胶凝材料的水化产物种类不会造成影响，其水化产物主要包括钙矾石(AFt)、水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和氢氧化钙(CH)。 1引言 2013年，我国钢铁行业冶炼废渣产生量约4.13亿吨，但是钢渣的综合利用率还相对较低。付卫华等开展了钢渣的胶凝性能研究，结果表明：纯钢渣与水拌合后可缓慢硬化，但钢渣的胶凝性能很弱。Yan等等研究了钢渣胶凝材料的高温激发特性，结果表明，高温能够促进钢渣的水化反应，加速水化产物的生成。Takashima在800～1450℃将钢渣高温激发，可使钢渣中的γ-C2S(低胶凝性能)转变成为α型或α’型C2S(高胶凝性能)，再急冷后，得到的钢渣中含α型或α’型C2S较多，然后将这种被改性后的钢渣被作为高活性的掺合料使用在建筑工程水泥混凝土中，但是高温激发难以控制。采用化学激发法提高胶凝材料反应活性，系统的研究它们的激发规律，并分析它们的水化反应产物激发机理，这对全固废胶凝材料的开发和应用有重要意义。徐彬等的研究结果表明碱激发剂硅酸钠能够提高钢渣水泥的力学性能，掺硅酸钠的钢渣水泥28 d强度达到56.4 MPa。胡曙光等以水玻璃为激发剂激发钢渣水泥活性，当外加剂掺量不超过3%时，钢渣水泥的强度较快增长，当外加剂掺量超过3%时，28 d强度甚至有一定的下降。Tian等研究结果表明，掺入硫酸钠的钢渣-矿粉胶凝材料水化反应主要生成C-S-H凝胶、AFt晶体及少量的Ca(OH)2晶体。Cengiz等利用氢氧化钠、水玻璃和碳酸钠对钢渣进行活性激发，结果表明不同的激发剂均能对钢渣活性起到一定的激发作用。所以本课题选用CaO和Na2SO4作为激发剂，研究这两种激发剂对胶凝材料的化学活化规律，为促进钢铁冶金渣的高附加值应用奠定基础。 2试验 2.1试验原料 图1钢渣的XRD图谱 Fig.1 XRD pattern of steel slag 钢渣：由河北省武安市裕华钢铁有限公司提供，其XRD图谱如图1，钢渣中含有较多的玻璃相，其主要矿物相为RO相(MgO、FeO和MnO的固溶体)、C3S、C2S、C2F、和少量CaO。矿渣采用河北金泰成建材股份有限公司提供的高炉水淬矿渣。脱硫石膏采用北京石景山热电厂提供的脱硫石膏。原料的化学成分分析结果见表1。 根据Mason B提出的评价钢渣的碱度值(M)的计算办法，本课题所用钢渣的碱度为：M=w(CaO)/[w(SiO2)+w(P2O5)]=2.07，属于中碱度渣。 表1主要原料化学成分分析结果(质量分数，%) Tab.1 Chemical composition of raw materials(mass fraction，%) 2.2试验方法 将破碎后的钢渣采用球磨机进行粉磨，试验中所用的球磨机为SMφ500×500试验磨。将钢渣、矿渣、石膏分别粉磨至比表面积为560 m2/kg、580 m2/kg和640 m2/kg，按钢渣、矿渣、石膏的质量比为20∶68∶12比例混合制备胶凝材料，分别外掺入胶凝材料不同质量分数的CaO或者Na2SO4，水胶比0.20，PC减水剂采用外掺法，掺量为胶凝材料质量的0.4%，制备30 mm×30 mm×50 mm的净浆试块，采用标准养护(温度(20±1)℃、相对湿度不低于90%)，1 d后拆模，继续在标准养护条件下养护，按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别测试试块的强度，利用XRD对胶凝材料水化产物进行分析，研究两种激发剂对全固废胶凝材料的化学活化作用。试验方案见表2。 表2激发剂对全固废胶凝材料活化作用试验方案 Tab.2 Test plan of activation on cementitious materials by exciting agent/% 续表 3结果与讨论 3.1 CaO掺量对胶凝材料性能的影响 3.1.1 CaO掺量对胶凝材料净浆试块力学性能的影响 不同掺量CaO对净浆试块抗压强度的影响结果见图2所示。 图2 CaO掺量对胶凝材料净浆试块抗压强度的影响 Fig.2 Effect of different CaO content on compressive strength of cementitious materials paste 从图2中可以看出，CaO的掺入能够在一定程度上激发全固废胶凝材料的水化反应活性，净浆试块的早期抗压强度会有一定的提高。在3 d龄期时，随着CaO掺量的增加，净浆试块的抗压强度略有提高，但当CaO掺量达到3%以后，抗压强度的增长不大。主要是由于CaO掺入以后，在反应初期能够迅速与水发生反应，生产Ca(OH)2，使得体系的pH值迅速提高，OH-不断和钢渣、矿渣颗粒表面接触，使钢渣和矿渣的表面遭到“破坏”，促进钢渣和矿渣的水化，缩短反应周期，同时还能够提供较多的Ca2+，促进水化产物的形成。但当养护至7 d和28 d龄期时，掺入CaO的试样抗压强度和未掺入CaO的试样抗压强度差别不大，主要是由于在水化反应进行一段时间之后，体系的pH值和离子浓度趋于平衡状态，水化产物的生成主要靠钢渣和矿渣的水化反应来生成，CaO的激发作用有限。 3.1.2不同CaO掺量胶凝材料XRD分析 不同掺量CaO胶凝材料在3 d、28 d龄期时的XRD图谱见图3和图4所示。 图3不同CaO掺量胶凝材料3 d龄期XRD图谱 Fig.3 XRD patterns of cementitious materials with different CaO content at 3 d curing age 图4不同CaO掺量胶凝材料28 d时XRD图谱 Fig.4 XRD patterns of cementitious materials with different CaO content at 28 d curing age 从图3中可以看出，CaO掺入以后对全固废胶凝材料的水化反应产物种类不会造成影响。掺CaO的胶凝材料的早期水化产物物相中主要包括钙矾石(AFt)、氢氧化钙(CH)，以及未参与水化反应的硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、RO相和石膏。在3 d龄期时钙矾石的波峰有增强的趋势，表明CaO掺入以后促进了钙矾石的生成。主要是由于CaO掺入之后，在水化反应早期，体系的pH值和Ca2+浓度迅速提升，在脱硫石膏和碱性环境的激发作用下，矿渣中硅(铝)氧四面体发生解离，溶出部分可溶硅(铝)，与体系中的Ca2+形成C-S-H凝胶和AFt等水化产物。随着水化产物的逐渐形成，矿渣表面与溶液之间偏铝酸根溶解平衡被不断打破，促进铝氧四面体从矿渣玻璃表迁移出来，破坏了硅氧四面体与铝连接使矿渣玻璃体表面的硅(铝)氧四面体聚合度快速下降，剩余的硅(铝)氧四面体的活性又再次被激发，而发生解离的矿渣溶出的低聚硅酸根离子和铝酸根离子又可以吸收一定量的Ca(OH)2生成C-S-H凝胶和AFt等水化产物。这也是胶凝材料强度持续增长的原因。对比M3、M4和M5可以发现，钙矾石的波峰差别不大，这表明当CaO掺量超过3%时，体系的Ca2+浓度近于饱和状态，再继续增加对于钙矾石的生成贡献值降低。从图4可以看出，在28 d龄期时，各组胶凝材料的水化产物中石膏的波峰逐渐消失，其它各组各水化产物的波峰形状非常接近，表明CaO的掺量对全固废胶凝材料28 d水化产物影响不大。 3.1.3不同掺量CaO胶凝材料净浆试块SEM分析 按照表2所示方案，制备M1和M3组胶凝材料，即胶凝材料中CaO掺量分别为0%和3%，分别外掺0.4%的PC高效减水剂，水胶比0.20，制备净浆试块，采用标准养护，在规定龄期取样，利用SEM对胶凝材料的微观形貌进行分析。图5和图6分别为M1和M3组胶凝材料在3 d和28 d龄期时的SEM照片。 图5不同掺量CaO胶凝材料3 d龄期时的SEM照片 Fig.5 SEM images of cementitious materials with different CaO content at 3 d curing age 图6不同掺量CaO胶凝材料28 d龄期时的SEM照片 Fig.6 SEM images of cementitious materials with different CaO content at 28 d curing age 从图5中可以看出，在3 d龄期时，掺入3%CaO的胶凝材料水化产物(M3)中AFt的生成量要明显多于未掺入CaO的胶凝材料(M1)。而且还可以发现，M3组胶凝材料水化产物中的AFt明显要比M1组的粗壮一些，表明适量CaO掺入以后，在反应初期能够迅速与水发生反应，生成Ca(OH)2，使得溶液中的Ca2+和OH-显著增多，体系pH值快速升高，OH-和钢渣、矿渣颗粒表面接触，使钢渣和矿渣表面遭到“破坏”，促进钢渣和矿渣的水化，整个体系的Ca/Si快速升高，促进体系中AFt晶体的生成和长大，导致胶凝材料的水化反应诱导期提前，早期抗压强度升高。 从图6中可以看出，水化反应至28 d龄期时，M1和M3组胶凝材料水化产物的微观形貌没有太大的区别。主要是在水化反应进行一段时间之后，体系的pH值和离子浓度趋于平衡状态，水化产物的生成主要靠钢渣和矿渣的水化反应来生成，反应所生成的C-S-H凝胶和AFt的总量主要由钢渣和矿渣的水化程度来决定，这也验证了CaO的掺入，对于胶凝材料后期强度影响不大的结论，同时这与3.1.1和3.1.2节所得结论相一致。随着反应的持续进行，C-S-H凝胶和AFt已经紧密的结合在一起，相互交织，整个体系形成了较为致密的结构。 3.2 Na2SO4掺量对胶凝材料性能的影响 3.2.1 Na2SO4掺量对净浆试块力学性能的影响 不同掺量Na2SO4对净浆试块抗压强度的影响结果见图7所示。 图7 Na2SO4掺量对胶凝材料净浆试块抗压强度的影响 Fig.7 Effect of different Na2SO4 content on compressive strength of cementitious materials paste 从图7中可以看出，Na2SO4的掺入对全固废胶凝材料的力学性能有较大影响，胶凝材料各个龄期的抗压强度先增大后减小。当掺量为1%时，抗压强度值最大。出现这一现象的原因主要是，少量Na2SO4掺入以后，图片会与体系中的Ca2+相结合，Na2SO4的溶解平衡被打破，体系碱性提高，使得钢渣、矿渣等的水化反应速度加快，水化程度加深，体系强度增加。但是当Na2SO4掺入量超过2%时，胶凝材料的抗压强度显著下降，主要是由于体系中水化产物生成速度过快，并且相互交织在一起，迅速形成具有一定结构的硬化浆体，而这部分硬化浆体由于水化产物分布不均匀，镶嵌不均造成局部大孔较多，新生成的水化产物不能及时填充，呈现出孔隙较大的不良结构，造成抗压强度较低。当Na2SO4掺量达到4%时，还会出现较为明显的泛霜现象。因此，全固废胶凝材料中Na2SO4的较合适掺量为1%。 3.2.2不同掺量Na2SO4胶凝材料XRD分析 不同掺量Na2SO4的胶凝材料在3 d、28 d龄期时的XRD图谱见图8和图9所示。 图8不同Na2SO4掺量胶凝材料3 d时XRD图谱 Fig.8 XRD patterns of cementitious materials with different Na2SO4 content at 3 d curing age 图9不同Na2SO4掺量胶凝材料28 d时XRD图谱 Fig.9 XRD patterns of cementitious materials with different Na2SO4 content at 28 d curing age 从图8和图9中可以看出，Na2SO4的掺入对全固废胶凝材料的水化反应产物种类不会造成影响。3 d龄期时，掺Na2SO4的胶凝材料的水化产物物相中主要包括钙矾石(AFt)、氢氧化钙(CH)，以及未参与水化反应的硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、RO相和石膏。对比图6中的谱线可以看出，随着Na2SO4的掺入，钙矾石的波峰有增强的趋势，衍射峰在25°～35°之间的“凸包”现象也愈发明显，表明Na2SO4掺入以后促进了水化产物钙矾石和C-S-H凝胶的生成。主要是由于Na2SO4可以为水化反应体系提供更多的图片，使得水化反应向着有利于生成胶凝物质的方向移动。钢渣中的硅酸盐、铝酸盐矿物成键结构主要是硅氧键和铝氧键，多以[SiO4]和[AlO4]或[AlO6]的形式存在，其中活性较高的颗粒在碱性环境条件下迅速溶解，并释放出大量的OH-、Ca2+、硅(铝)溶解物等，Na+可以在碱性环境中能够将钢渣中的Ca2+置换出来，形成了富含Ca2+、[Al(OH)6]3-、图片、[H3SiO4]-、OH-等离子的液相，这些离子又可以重新结合，使得钢渣中的硅氧键和铝氧键不断断裂，钢渣也随之源源不断地溶解，针棒状的AFt晶体穿插于C-S-H凝胶之中，使得硬化浆体的结构逐渐密实，抗压强度也随之增大。AFt晶体生成的同时也促使矿渣中硅氧四面体的Si-O键持续不断的断裂，进而在碱性溶液中与Ca2+反应生成C-S-H凝胶。随着水化反应的持续进行，钢渣也不断水化并生成Ca(OH)2，而矿渣持续水化吸收体系中的Ca2+，反过来又促进钢渣水化程度的加深。到28 d龄期时各水化产物的波峰形状非常接近，表明Na2SO4的掺量对全固废胶凝材料28 d水化产物影响不大。 3.2.3不同掺量Na2SO4胶凝材料净浆试块SEM分析 按照表2所示方案，制备N1和N2组胶凝材料，分别外掺0.4%的PC高效减水剂，水胶比0.20，制备净浆试块，采用标准养护，在规定龄期取样，利用SEM对胶凝材料的微观形貌进行分析。图10和图11分别为N1和N2组胶凝材料3 d和28 d龄期时的SEM照片。 图10不同掺量Na2SO4胶凝材料3 d时SEM照片 Fig.10 SEM images of cementitious materials with different Na2SO4 content at 3 d curing age 图11不同掺量Na2SO4胶凝材料28 d时SEM照片 Fig.11 SEM images of cementitious materials with different Na2SO4 content at 28 d curing age 从图10中可以看出，在3 d龄期时，掺入1%Na2SO4的胶凝材料水化产物(N2)中AFt的生成量要明显多于未掺入Na2SO4的胶凝材料(N1)。而且还可以发现，N2组胶凝材料水化产物中的AFt明显要比N1组的粗壮一些，表明适量Na2SO4掺入以后，使得体系中图片离子浓度增大，使得水化反应向着水化产物增加的方向移动，同时还能在一定程度上提高体系中液相的pH值，增强碱性环境，为AFt的生成创造环境，促进体系中AFt晶体的生成和长大。另一方面，Na2SO4的加入能够有效促进钢渣和矿渣中的网格状玻璃体结构的破坏，并解离出[SiO4]4-和[AlO4]5-，进而与Ca2+、OH-相结合，生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙凝胶。水化铝酸钙凝胶进一步和图片结合可以生成水化硫铝酸钙。体系中所生成的凝胶和AFt相互交织在一起，随着反应的持续进行，水化产物不断由低聚合度向高聚合度转变，促进了强度的进一步增长。加入Na2SO4后，Na+也能够有效促进钢渣和矿渣中网格玻璃体解聚和分离，生成阴离子团，进而促进水化反应的进行。体系中，Ca2+、Na+、图片相互依存，共同促进了水化反应的进行，试块的强度也逐渐提高。 从图11中可以看出，水化反应至28 d龄期时，N1和N2组胶凝材料水化产物的微观形貌没有太大的区别。主要是在水化反应进行一段时间之后，体系的pH值和离子浓度趋于平衡状态，水化产物的生成主要靠钢渣和矿渣的水化反应来生成，适量Na2SO4的掺入，对于胶凝材料后期强度影响不大。反应所生成的C-S-H凝胶和AFt晶体已经紧密的结合在一起，相互交织，整个体系形成了较为致密的结构，这与3.2.1和3.2.2节所得结论相一致。 通过3.1节和3.2节的研究结果可以看出，在钢渣矿渣基胶凝材料体系中掺入适量的CaO或者Na2SO4，能够促进早期水化反应的进行，进而提高早期强度。同时，激发剂的掺入对于试块后期强度和水化产物影响不大。研究结果表明，在钢渣矿渣基胶凝材料体系中，当钢渣掺量达到40%时，试块儿的早期强度会明显降低，钢渣的大掺量和早期强度相互矛盾，因此如果需要尽可能使用较多的钢渣，同时还要求较高的早期强度，即可考虑在体系中掺入合适比例的CaO或者Na2SO4。 4结论 (1)CaO或Na2SO4作为激发剂掺入以后对全固废胶凝材料的活性影响较为明显。CaO较为适宜的掺量为3%，而Na2SO4较为适宜的掺量则为1%。相比较而言，CaO对于胶凝材料试块早期强度的提高作用大于Na2SO4，因此，如果要尽提高钢渣矿渣基全固废胶凝材料试块的水化反应早期强度，掺入3%的CaO可能更为适宜; (2)CaO或Na2SO4的掺入对全固废胶凝材料的水化反应产物种类不会造成影响。主要包括钙矾石(AFt)、水化硅酸钙凝胶(C-S-H)和氢氧化钙(CH)，以及未参与水化反应的硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、RO相和石膏。合适掺量的激发剂能够在一定程度上促进胶凝材料水化反应的进行。 作者：崔孝炜 狄燕清 倪文 编辑：固废利用与低碳建材 转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请与我们联系，我们将及时更正。
2024-12-09 14:39:31查看详情>> -
江南（中国）在近期成功通过了三体系认证和绿色建材三星级认证
江南（中国）在近期成功通过了三体系认证和绿色建材三星级认证，这一成就标志着公司在质量、环境和职业健康安全管理方面，以及绿色建材生产领域达到了行业内的领先水平。 江南（中国）成立于2019年4月11日，注册资金3000万元，是一家国家级科技型中小企业。自成立以来，公司一直致力于研发和生产低碳、环保的建筑材料，以满足市场对绿色建材日益增长的需求。 在三体系认证方面，江南（中国）严格按照ISO9001质量管理体系、ISO14001环境管理体系和ISO45001职业健康安全管理体系的标准要求，建立了完善的管理体系，并通过了权威机构的认证审核。这一认证不仅证明了公司在质量、环境和职业健康安全方面的管理能力达到了国际标准，也彰显了公司对产品品质、环境保护和员工健康的重视。 在绿色建材三星级认证方面，江南（中国）凭借其先进的生产技术和环保理念，成功通过了严格的认证流程。公司研发的绿色再生胶凝材料等产品，不仅在生产过程中实现了资源的循环利用，还大大降低了能耗和污染物排放，完全符合绿色建材三星级认证的标准要求。 江南（中国）的成功认证，不仅是对公司自身实力和努力的肯定，也是对公司未来持续发展的有力保障。通过认证，公司将进一步提升品牌形象和市场竞争力，为客户提供更优质、更环保的建筑材料产品和服务。 此外，江南（中国）还积极参与行业标准的制定和产学研合作，与东北大学、辽宁省固废产业技术创新研究院、中建科技集团有限公司等单位建立了紧密的合作关系，共同推动建筑材料国家行业标准的绿色转型和可持续发展。 综上所述，江南（中国）的三体系认证和绿色建材三星级认证成功，是公司发展历程中的重要里程碑，也是公司对未来发展的坚定承诺。公司将继续秉承绿色、环保、创新的理念，为推动建筑材料行业的绿色转型和可持续发展做出更大的贡献。
2024-12-06 14:46:31查看详情>>