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• 鋼渣粉固化改良膨脹性黏土機理研究

  　　ITIBMI　　膨脹性黏土作為一種特殊的高塑性土，其含有大量裂隙和親水性礦物（伊利石、綠泥石和蒙脫石），遇水后裂隙易發(fā)育并擴散，導致黏土顆粒吸水膨脹，失水收縮干裂。膨脹性黏土的變形具有復雜性、多發(fā)性、反復性和長期潛在性，為了克服其膨脹收縮性和軟化崩解性，眾多科研人員采用石灰、水泥、粉煤灰、氯化鈣等添加劑對膨脹性土進行化學改良。這些改良劑通過與顆粒間的膠結作用、離子交換、硬凝和碳化作用，有效抑制了土體的脹縮性和裂隙發(fā)展。然而，傳統(tǒng)改良劑的生產(chǎn)成本和二氧化碳排放量較高，為了適應“碳達峰-碳中和”的綠色、經(jīng)濟、環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，磷石膏、聚丙烯、堿礦渣和鋼渣粉（steel slag powder，SSP）等替代改性劑逐漸被應用，其中鋼渣粉已廣泛應用于膨脹性黏土改良、農(nóng)業(yè)肥料、道路建設等領域。鋼渣粉是粗鋼生產(chǎn)過程中的一種工業(yè)廢棄物。中國粗鋼總產(chǎn)量約占世界總量的1/2，其中鋼渣年產(chǎn)量高達1.1億噸。相比于日本、歐洲和澳大利亞等工業(yè)發(fā)達國家，中國的鋼渣綜合利用率僅為29.5%。其主要用于土木工程（10.1%）、水泥生產(chǎn)（9.3%）、土壤改良和道路建設（7.5%）以及其它用途（2.6%）。我國SSP綜合利用率較低的主要原因包括生產(chǎn)制造工藝的滯后、科研水平的不足、法律政策的限制以及缺乏行之有效的應用標準。如果我國不加快提高鋼渣的回收利用率，將會導致大量環(huán)境污染和土壤資源的浪費。由于鋼渣粉中含有特殊的礦物和化學成分（如氧化鐵和氧化鈣等）它可以與土體中的水分和黏土顆粒發(fā)生離子交換及膠結反應，從而形成穩(wěn)定的凝膠物質，填充裂隙并有效地黏結土顆粒。這一過程能夠提高土體結構的密實性和整體性，顯著改善膨脹土的塑性、自由膨脹率、未固化強度和排水性能等。利用鋼渣粉改良問題土的工程性質，不僅符合低碳和環(huán)保發(fā)展理念，還可以提高固廢資源的高附加值利用，并降低工程處理成本。本文從宏觀及微觀角度分析總結了鋼渣粉的性質和組成、改良土的機理、工程效果以及應用前景，旨在全面闡述鋼渣粉改良土的研究優(yōu)勢。在此基礎上，對SSP改良土存在的不足及未來的發(fā)展方向提出幾點建議，以期為問題土的改良提供新的思路和途徑。　　1鋼渣粉的特性　　1.1鋼渣粉的理化特性　　鋼渣粉是在高溫環(huán)境下，通過轉爐、電爐或平爐生產(chǎn)分離出的工業(yè)副產(chǎn)品，主要由礦石、石灰石（CaCO3）、焦炭和氧等原料組成。根據(jù)鋼渣粉的生產(chǎn)工藝及堿度值R=ω(CaO)/ω(SiO2+P2O5)（ω為質量）的不同，可將其分為高爐渣（blast furnace slag，BFS）、電弧爐渣（electric arc furnace，EAF）、鋼包爐渣（ladle furnace slag，LFS）或堿性氧爐渣（basic oxygen furnace，BOF）。其中，當鋼渣粉R＜1.8時，稱為低堿度鋼渣；R=1.8～2.5時，稱為中堿度鋼渣；R＞2.5稱為高堿度鋼渣，此時易形成C2S和C3S等礦物。Oluwasola等認為轉爐鋼渣具有良好的壓實性好、吸水率低、良好的內(nèi)摩擦力及排水自由等優(yōu)點。由于煉鋼廠生產(chǎn)工藝（如：廢金屬和鐵水中存在的雜質、溫度、氣體環(huán)境、鐵礦石成分以及鐵礦石與燒結礦的比例、冷卻速度、助熔劑摻量等）的差異性，容易導致鋼渣粉的礦物成分、電導率、表面積、化學組成、孔隙率和PH值等理化性質的變化。綜上所述，SSP具有良好的吸水性、高密度、較大的比表面積、豐富的棱角、較高的硬度等一系列特定的性質，適當提高SSP堿度可增加其水化活性。但由于SSP體積安定性較差及生產(chǎn)工藝的影響，很大程度上限制其工程應用領域。鋼渣粉主要的礦物成分包括橄欖石、FeAlO3(CaO)2、Ca2Fe2O5、C4AF、C2F、β-C2S或α-C2S、Ca2SiO4、鎂硅鈣石、FeO、MgO、C3S、惰性礦物（簡稱為“RO相”）和CaO-FeO-MnO-MgO等組成。大量研究表明SSP屬于含鈣量較高的固體廢物，其中，C2S、C3S、C2F和C4AF構成的SSP與硅酸鹽水泥礦物成分相似。雖SSP的衍射峰較為復雜，礦物晶體形狀不規(guī)則，但SSP中的固體可溶性成分含量較高，有利于水化溶解，形成膠凝狀物質，進而改良土壤的膠結性能。另外，SSP的冷卻速度、化學組成、熔劑類型、顆粒形狀、顆粒大小分布及性質對土壤改良效果會產(chǎn)生重要影響。因此，對不同工藝條件下的SSP化學成分和含量進行詳細分析對于土壤改良具有重要意義（表1）。　　表1國內(nèi)外鋼渣粉主要的化學成分與質量分數(shù)　　綜上分析，SSP化學組成主要包括氧化鐵（FeO/Fe2O3）、氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化鎂（MgO）和氧化鋁（Al2O3），質量分數(shù)分別為8%～30%、35%～65%、10%～20%、3%～10%和1%～6%，其中還含少量的Na2O、MnO、SO3和五氧化二磷等。生產(chǎn)工藝主要是EAF和BOF，其中EAF生產(chǎn)的礦物成分有絲光石和克氏石礦等，這些惰性物質在常溫下不發(fā)生水化反應，結合能較差。而BOF生產(chǎn)的礦物成分主要為硅酸二鈣、鐵酸二鈣、硅酸三鈣、氫氧化鈣、氧化鈣等，其水硬活性主要來源于C3S和C2S含量，含量越高水化活性越高。然而，在不同生產(chǎn)工藝下，SSP的化學成分、結構特性、礦物組成、粒度、含量及性能顯著變化。特別是SSP中高含量的游離氧化鈣和氧化鎂，會與孔隙中的水分產(chǎn)生化學反應，導致SSP體積迅速膨脹，從而降低其體積穩(wěn)定性。因此，不同的生產(chǎn)工藝會直接影響SSP的化學活性及穩(wěn)定性，進而對土體改良效果產(chǎn)生重要影響。　　1.2鋼渣粉的膠凝活性　　鋼渣粉的膠凝活性對其改良土體的效果具有重要影響。水化活性越高產(chǎn)生的水化產(chǎn)物，如C-AG和C-S-H凝膠、鈣礬石（AFt）和Ca(OH)2等就越多，與黏土礦物顆粒接觸面積就越大，包裹填充裂隙就越緊密，顆粒間黏結力和整體穩(wěn)定性就越好。當SSP中ω(Al)/ω(Ca)比例高于ω(Ca)/ω(Si)時，改良土的膠凝特性和力學強度表現(xiàn)較好。然而，由于SSP中的硅鋁酸鹽礦物是在高溫下形成的玻璃體結構，晶粒較大、結構密度較高，并且含有Si-O和Al-O化學鍵，導致部分C3S和C2S晶體在常溫下水化活性低。Wang等認為提高SSP顆粒細度、養(yǎng)護溫度或溶液堿度可加速其早期水化速率，其中堿激發(fā)劑的作用效果更加顯著。目前，常用的堿激發(fā)劑包括氫氧化鈉（NaOH）、石灰（CaO）、水泥（CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3）、水玻璃（Na2SiO3）、硫酸鈉（Na2SO4）、鋁酸鈉（NaAlO2）、硅灰（CaSiO3）、硫酸鋁（Al?(SO?)?）和石膏（CaSO4·2H2O）等。王強證明了在適宜的堿性環(huán)境下SSP中的四面體會發(fā)生解聚，導致Si-O和Al-O化學鍵斷裂，從而提高SSP的水化反應速率。此外，王琴、邵雁等考察K2CO3、Na2CO3、NaOH、Na2SiO3、Na2SO4、NaAlO2等6種不同化學激發(fā)劑對SSP活性的影響，結果顯示3%～7%的Na2SO4是效果及穩(wěn)定性最好的化學激發(fā)劑。綜上研究表明，堿激發(fā)劑可以提高反應體系的堿度，促進SSP中的陽離子交換，進而破壞SSP中的玻璃網(wǎng)狀結構，促使水化產(chǎn)物（C-SH）的轉化和鈣礬石（AFt）晶體的生成，形成更加穩(wěn)定的水化產(chǎn)物和結構，從而提高SSP礦物組分的溶解和反應?！　un等認為堿活化SSP水化產(chǎn)物Ca(OH)2的含量較低，結晶性較差，單一激發(fā)劑很難提高鋼渣粉膠凝材料活性，而復合堿激發(fā)劑的改良效果更好。鑒于單一激發(fā)劑對SSP催化效果并不明顯，實踐中通常采用2種或以上的激發(fā)劑復合使用，以獲得更優(yōu)異的SSP性能。朱伶俐等指出氫氧化鈉、生石灰、水玻璃、石膏、明礬、高嶺土、水泥熟料、硫酸鈉、三乙醇胺、硫酸鋁鉀和硫酸鋁等作為復合激發(fā)劑可顯著提高SSP的水化活性，加快其水化膠凝速度。樊傳剛等發(fā)現(xiàn)采用5%石膏和堿激發(fā)劑作為復合激發(fā)劑可以有效催化SSP的活性，提高膠凝材料的抗壓強度。而范立瑛等的研究則發(fā)現(xiàn)高嶺土對SSP活性沒有催化作用，同時認為復配激發(fā)劑（3%硫酸鋁+2%水泥熟料+0.2%水玻璃+0.8%三乙醇）具有良好的激發(fā)效果。程從密等認為1%CaSO4·1/2H2O和0.4%NaOH復合改良SSP-水泥早強效果最佳。溫建[49]的研究表明Na2SiO3、Na2SO4和氯化鈣對鋼渣粉-水泥膠凝強度具有增強作用，當氯化鈣摻量為4%時，激活效果最好。此外，魏瑞麗等指出鋁酸鈉、硅灰都能提高SSP的活性，但硫酸鈉對SSP的激發(fā)效果較差。而You等研究表明硅灰、NaOH2種激發(fā)劑的激發(fā)效果最為突出。邵俐等的研究結果顯示加入石膏和硫酸鈉能加快礦渣水化反應，降低凍融循環(huán)對固化土的影響，并表示硫酸鈉的抵抗性更強。梅楊認為激發(fā)劑類型對膠凝材料強度影響最為顯著，其中雙摻Ca(OH)2和Na2SiO3最佳比例為5:1，摻量為4%時對礦粉活性激發(fā)效果最好。綜上分析，復合激發(fā)劑對鋼渣粉膠凝活性和強度增強效果更加顯著，改良土體的力學特性也更加優(yōu)異。由于激發(fā)劑種類多樣性、摻量差異性，以及激發(fā)劑對SSP以及激發(fā)劑與激發(fā)劑之間的反應機理尚未深入分析，導致復合改良效果也不盡相同。因此，盡管復合激發(fā)劑對SSP具有較好的激發(fā)效果，但仍需進一步確定復合堿激發(fā)劑的最佳摻量、組合方式及應用條件?！　?膨脹性黏土破壞機制　　膨脹性黏土具有失水收縮與吸水膨脹的特性，容易導致土體內(nèi)部和表面產(chǎn)生大量微裂隙，致使雨水滲入并降低土體的強度，從而引起土體的整體性破壞。這個過程主要包括物化作用、吸水膨脹和楔裂壓力等共同作用。2001年，譚羅榮提出膨脹性黏性土都會經(jīng)歷吸水-失水-泥化-崩解-破壞，并指出土體崩解破壞的前提是結構擾動破壞、失水產(chǎn)生收縮拉裂及吸水產(chǎn)生膨脹應力破壞3個過程。膨脹性黏土崩解破壞機制包含黏土礦物遇水產(chǎn)生的膨脹力、孔隙中氣泡溢出產(chǎn)生的推力、水膜楔入力及浮重力等作用，這些作用打破了土體內(nèi)部聯(lián)結力與崩解力之間的平衡，導致土體結構破壞。由于膨脹土含有蒙脫石和伊利石，水敏性較強，這是導致土體內(nèi)部膠結膨脹、結構破壞、結構衰變和強度衰減的主要原因。遇水后，膨脹土內(nèi)部會發(fā)生差異膨脹和變形，水壓力作用下，孔隙、裂隙擴展引起膨脹崩解破壞。馬婧等指出在化-水-力協(xié)同作用下，顆粒間發(fā)生離子交換、化學反應和水合斥力會影響蒙脫石層間膨脹、擴散雙電層膨脹以及層疊體裂解，見圖1（a）。張凌凱等提出膨脹土在干濕-凍融循環(huán)作用下的破壞機制，即干濕循環(huán)會增加膨脹土裂隙，凍融循環(huán)過程會導致黏土顆粒間的微裂隙被崩解破壞的細顆粒填充，從而減弱顆粒間的黏結力，見圖1（b）（c）?？傊?失水-凍融作用會導致部分膠結物被稀釋、軟化或溶解，裂隙貫通形成非均勻的孔隙水壓力，使土體局部產(chǎn)生應力集中。與此同時，顆粒間的黏聚力、內(nèi)摩擦力以及顆粒間咬合力也會減弱，土顆粒間基質吸力小于膨脹力，進而導致巖土顆粒碎裂、剝落和崩解?！　。╝）不同壓實度下膨脹變形與層疊體間離子交換　　（b）壓縮變形破壞示意圖　?。╟）干濕-凍融循環(huán)變形破壞示意圖　　黏土礦物的脹縮性易受溫度和水分影響，環(huán)境溫度的升高或降低均可導致土壤中礦物顆粒邊界的熱膨脹或冷縮，進而引發(fā)黏土顆粒內(nèi)部產(chǎn)生拉壓應力，從而使土體出現(xiàn)不均勻膨脹收縮應力。在此過程中，團聚體內(nèi)產(chǎn)生微裂紋并不斷擴展，當溫度升降速率較快時，此現(xiàn)象更為顯著。這是因為溫度升降速率越大，土壤中礦物顆粒之間或顆粒內(nèi)部的不協(xié)調(diào)變形將更加顯著，從而使土壤中的微裂紋擴展更為嚴重且數(shù)量更多。同時，土壤表面的水分蒸發(fā)速度較快，而內(nèi)部蒸發(fā)速度較慢，使得含水率分布不均勻形成水力梯度，產(chǎn)生內(nèi)外應力差，導致裂紋形成。吳道祥等從黏性土的化學成分與細觀結構特征入手，發(fā)現(xiàn)黏土礦物中的蒙脫石結構單元層間以O-O鍵相聯(lián)結，鍵力極弱，遇水后具有氧鍵的強極化水分子很容易楔入其中，使其分開。同時極化水分子變?yōu)樗栯x子H3O+進入結構單元層間和水化膜之中，使層間間距及水化膜厚度增大，進而造成顆粒體積膨脹。由于內(nèi)部體積膨脹的不均勻性，導致土體內(nèi)部出現(xiàn)不均勻應力而使土顆粒碎裂破壞。綜上所述，化學-水-力的相互作用均會導致土體吸水膨脹，并在其內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應力以及溶解掉部分的膠結物。隨著膠結物稀釋、軟化、溶解和流失，導致顆粒間發(fā)生膨脹、收縮，甚至失去膠結力而崩解。同時，由于膨脹性黏土礦物的親水性和孔隙的連通性，使得孔隙的導水性和容水的能力增強，這會擴大水和巖體的接觸面。當化學溶液和水侵入孔隙、裂隙中時，多相界面的離子水化膜增厚，導致巖土體發(fā)生膨脹破壞。其中，影響土壤膨脹破壞的因素主要包括雨水侵蝕、土壤有機質含量、土壤擾動情況、黏粒含量、礦物成分、成土過程、土壤脹縮性、pH以及土壤所受到的外部應力等。　　3鋼渣粉改良土的微觀機理　　3.1物理改良　　鋼渣粉所含礦物主要是氧化鈣、氧化鐵和氧化硅，礦物質量分數(shù)高達80%。同時，由于SSP的孔隙率大、自身體積小、較為堅硬、比表面積高，且具有很強的膠凝特性。石榮劍等發(fā)現(xiàn)鋼纖維能有效抑制水分入侵和冰透鏡體的生長，從而減小土體的膨脹率。因此以SSP作為改良劑填充土壤顆粒之間的孔隙，可以提高土壤的密實度和水穩(wěn)定性，在這個過程中，土顆粒與SSP發(fā)生排列和組合。SSP作為一種新型的土壤改良材料，可以與土體發(fā)生復雜的物理、化學相互作用。但針對SSP改良問題土方面的研究也相對較少，其微觀改良機理也尚未被系統(tǒng)論述。因此，本文擬從物理和化學2個方面分析其改良機制，探索SSP改良固化土壤的內(nèi)部微觀結構變化，進而完善SSP改良土的相關研究理論。根據(jù)鋼渣粉粒徑的不同，其作用機制也會有一定差異。當鋼渣粒徑較大時，主要起到骨料支撐土顆粒的作用，可以使土顆粒包裹在鋼渣孔隙之間，從而有效提高土體的整體穩(wěn)定性和強度。隨著鋼渣細度的增加，物體表面的晶體結構會遭到破壞，晶格及鍵能減小，比表面積增大，與黏土顆粒表面的接觸面積增大，因此可以有效填充土壤裂隙或孔隙，增加土壤的密實度?！　【C上所述，物理改良機理主要包括細顆粒填充作用、摩擦作用及粗顆粒的骨架支撐作用?！　?）鋼渣粉顆粒具有一定的粒徑和形狀，當SSP與膨脹性黏土混合時，鋼渣粉細顆?？梢蕴畛渫寥李w粒之間的孔隙，增加土壤的密實度和穩(wěn)定性?！　?）鋼渣粉細顆粒間具有一定的摩擦作用，提高團粒間的摩擦力，進而增加膨脹土的內(nèi)聚力和抗剪強度。　　3）大顆粒的鋼渣粉具有較高的強度和剛度，可以增加土壤的整體強度和剛度，提高土壤的承載能力和抗沉降性能，從而改善膨脹土的工程性質?！　?.2化學改良　　指出激發(fā)劑作用下SSP改良土發(fā)生了陽離子交換，即氧化鈣中電離出的Ca2+和土壤表面的Na+、K+發(fā)生吸附交換，從而減少了擴散層厚度，縮小了黏土顆粒間距，提高顆粒間的黏結性能，使得黏土顆粒發(fā)生團聚。同時，氧化鈣還會與土壤中的水和二氧化碳反應生成鈣碳酸鹽，形成密實骨架結構，從而提高土壤的抗壓強度和抗?jié)B性能。吳子龍等探討了SSP、偏高嶺土摻入水泥改良土的微觀機制，他們發(fā)現(xiàn)由于SSP與水泥的組分含量存在差異，當鋼渣粉中Al2O3含量較少時，礦物水化活性低，不利于形成C-A(S)-H膠凝物質，因此不利于提高土體早期強度。另外，SSP中的玻璃體硅酸鈣早期水化程度低且緩慢，無法快速反應形成膠體和鈣礬石填充土體孔隙。同時，由于SSP具有廣泛的礦物化學成分，碳化過程中會改變SSP的物理、化學、礦物學和力學性能。Yu等也驗證了這一觀點，他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過碳化處理的SSP可顯著提高土體的抗剪強度。但改良過程中生成的方解石易附著在黏土顆粒表面，由于方解石對高嶺石、蒙脫石的膠結作用弱于石英，導致片狀的高嶺石和蜂窩狀的蒙脫石在干濕循環(huán)后容易流失。綜上研究，SSP改良土的過程中，發(fā)生了離子交換、水化反應和物質轉化等化學反應。從微觀角度分析，SSP易發(fā)生水化反應生成無定形水化硅酸鈣（C-S-H）和水化鋁酸鈣（C-AH）、水化硅鋁酸鹽（C-A-F-H）和少量的鈣礬石（AFt）等凝膠物質填充在孔隙中，并包裹顆粒表面形成穩(wěn)定的團聚體。同時形成的板狀Ca(OH)2以結晶形式分布在顆粒表面，增強顆粒間的黏聚力?！　¤b于鋼渣粉表面分布大量的陽離子（如Al3+、Ca2+和Mg2+等），能與黏土礦物可以發(fā)生離子交換和化學反應，生成水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，進而提高土體的密實性和膠結力。劉翼飛等指出，堿性環(huán)境下的Ca2+可以與Na+進行離子交換反應，導致孔隙中游離的Ca2+吸附在黏土顆粒表面，從而生成填充和黏結作用的膠結物質，增強土體結構的密實性。Tian等則利用脫硫碳化鋼渣粉（DS）改良土壤，并發(fā)現(xiàn)DS可以提供高濃度的Ca2+形成團聚體，從而有效抑制干裂縫的發(fā)育和擴展，降低裂縫面積密度和平均裂縫寬度。綜上所述，SSP中含有一定的活性礦物成分，與水接觸時會發(fā)生水化反應，生成水化產(chǎn)物C-S-H、C-A-H和微量鈣礬石等。同時，SSP中的某些成分可以與黏土顆粒中的礦物質發(fā)生離子交換及吸附反應，形成凝膠和新的物質。這些產(chǎn)物可以填充土壤顆粒之間的孔隙，增加土壤的密實度和穩(wěn)定性（圖2）。此外，為了提高鋼渣粉的物理、化學活性和早期強度，可以采用細度更高的鋼渣粉，增加其表面接觸面積。同時也可以添加化學激發(fā)劑（如水泥、石灰、水玻璃、粉煤灰、碳酸鈉、礦堿和NaOH等），在堿性環(huán)境中激發(fā)SSP的水化活性，提高其水化凝膠產(chǎn)物的形成速度，增加土體早期強度。　?。╝）未改良土粒間孔隙　?。╞）水化膠結填充　　（c）粒間離子吸附交換　?。╠）團聚體間改良過程　　3.3復合改良　　凝物質，增加土壤的密實度和穩(wěn)定性。吳子龍等、于佳麗發(fā)現(xiàn)在堿性（NaOH）環(huán)境中可以激鋼渣粉中的硅鋁酸鹽礦物是在高溫下形成的玻璃體結構，主要以硅氧/鋁氧四面體的形式存在，晶格較大，結構密度較高，化學活性和吸附性較弱，導致SSP中的C3S和C2S晶體在常溫下的水化速率和膠凝活性較低。因此，需要添加一定的激發(fā)劑提高其化學活性，促進SSP水化反應生成膠發(fā)SSP的水化活性，提高其水化產(chǎn)物的形成速度，增加土體固化強度。然而，由于固化過程中發(fā)生大量Na+交換，變?yōu)橐姿拟c型黏土，使其吸水膨脹能力增強。Gu等進一步研究發(fā)現(xiàn)NaOH、NaCl和Na2SO4可以提高SSP反應物的活性，當NaCl和Na2SO4摻量為5%時，無側限抗壓強度（unconfined compression strength，UCS）分別提高8.02 MPa和10.88 MPa，說明催化劑可以有效提高改良土早期強度。同時，發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)劑的加入可以促進改良劑發(fā)生水化反應，生成更加穩(wěn)定的凝膠物質，充分填充土體微裂隙，絮凝狀膠結物包裹顆粒形成密實結構，減小水分入侵，增強土體黏結性和強度。因此干濕循環(huán)后土體顆粒排列仍保持密實，只是部分膠結物被溶解，使得裂隙有所提高。Zhang、王小龍等發(fā)現(xiàn)加入適量的堿激發(fā)劑可以提高微粉的活性，提高其早期固化強度（圖3）。并指出可以利用水玻璃加氫氧化鈉溶液作為激發(fā)劑，同時加入工業(yè)廢渣和偏高嶺土以調(diào)節(jié)土中的鐵、硅、鋁等氧化物比例，提高土體整體性、抗崩解性和強度。這是由于SSP中存在硅酸鈣類的水硬性膠凝材料，激發(fā)劑作用下會促進SSP與黏土顆粒發(fā)生離子交換、膠結、固化和碳化等反應。綜上所述，SSP水化活性較低，加入氯化鈣、氫氧化鈉等可提高其反應活性。同時NaOH、CaCl2作為轉爐爐渣的活性催化劑，可以顯著改善其物理、化學性質，提高SSP的水化反應速率。堿激發(fā)SSP主要機理是：堿激發(fā)劑促進了玻璃體結構的解離并重新縮聚成新的C-S-H、C-A-H和Ca(OH)2凝膠物質，將土顆粒膠結在一起形成密實網(wǎng)絡結構，抑制裂隙擴展。同時還生成鈣礬石（AFt）填充在團聚體中起到支撐的框架作用，與凝膠物質共同形成空間網(wǎng)狀結構包裹填充土顆粒，提高土體的整體性和強度?！　D3堿激發(fā)劑催化礦粉作用機理　　鋼渣粉本身具有較低的化學活性和膠結性。然而，通過添加堿激發(fā)劑（如石灰、水泥、粉煤灰和氫氧化鈉等）或調(diào)整其化學組分，可以提高其反應速率，并激發(fā)其化學反應活性，從而增強其膠結力和黏結強度（圖4）。項國圣等研究石灰-SSP改良土微觀機理，發(fā)現(xiàn)SSP中含有凝膠礦物，能夠與土體中低價離子發(fā)生交換生成絮凝物質填充在孔隙間，同時石灰可以提供堿性環(huán)境，促進并激發(fā)鋼渣粉水化反應生成C-S-H凝膠物質，填充在顆粒間，增強顆粒間的接觸面積和連接性。Wu等利用X射線衍射、掃描電鏡和壓汞孔隙度測定等方法，分析了SSP改良膨脹土的微觀機理，發(fā)現(xiàn)活性激發(fā)劑（NaOH）作用下，SiO32-、Al3+和Ca2+可以快速反應生成硅酸鈣（C-S-H）、鋁酸鈣（C-A-H）和Ca(OH)2等水化產(chǎn)物填充、包裹土顆粒，固化前期，黏土礦物與水化產(chǎn)物發(fā)生吸附、離子交換、膠結等化學反應，提高顆粒間的密實度和膠結力，使土顆粒團聚在一起形成穩(wěn)定結構。吳燕開等通過室內(nèi)試驗研究干濕循環(huán)作用下SSP-水泥改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)在缺乏催化劑的情況下，SSP自身水化反應慢，需要60d才能完全反應。而摻入少量的NaOH可以提高其水化活性，使其在短時間內(nèi)可以完全水化生成鈣礬石（AFt)填充孔隙，AFt是一種不溶于水的結晶物質，可以提高土體的整體性，從而使土體強度迅速增長。韓天、柴石玉等人研究了堿激發(fā)SSP協(xié)同改良土微觀機制，發(fā)現(xiàn)NaOH加入提高SSP反應活性，生成了針棒狀的水化硅酸鈣、碳酸鈣晶須和不定形狀的硅鋁酸鹽凝膠物質填充裂隙，使孔隙率減小。此外，隨著時間的推移，凝膠物質會逐漸增多，顆粒間黏結程度增強，逐漸形成團聚體，增加土顆粒間的接觸面積。綜上所述，SSP改良劑與土體中離子發(fā)生交換生成硅酸二鈣（C2S)和硅酸三鈣（C3S)，降低土顆粒的雙電層厚度，同時石灰（CaO)與鋼渣粉中的活性氧化硅（SiO2)、氧化鋁（Al2O3)發(fā)生反應，在石灰的催化下形成C-S-H、C-A-H和Ca(OH)2等物質填充在裂隙中，增強顆粒間的接觸面積和吸力，從而有效提高土體的黏聚力、整體性和強度。需要注意的是，SSP改良膨脹土的物理機制和化學機制是相互作用的，物理機制主要通過填充和摩擦作用改善土壤的工程性質，而化學機制則通過離子交換反應、水化反應、礦物質轉化等方式改善土壤的結構和性質。這些機制共同作用，使得鋼渣粉能夠有效地改良膨脹土。　　圖4堿液處理反應機理　　4鋼渣粉改良土的力學特性　　4.1單獨改良土力學特性　　目前，許多學者進行了室內(nèi)試驗，包括比重試驗、粒度分析試驗、自由膨脹率試驗、Atterberg極限試驗、壓實試驗、三軸壓縮試驗、加州承載比（California bearing ratio，CBR）、UCS和液塑限試驗等。并從SSP粒徑及摻量、初始含水率、壓實度、干濕-凍融循環(huán)等方面探索改良土的膨脹性能、滲透性能、抗凍性能、水分特性和力學變化規(guī)律。研究結果表明，SSP的摻入顯著改善了土體的脹縮性，并提高了土體的抗剪強度。左德元等首次提出將SSP作為路基材料固化劑，通過顆粒級配、比重、壓縮、滲透等試驗發(fā)現(xiàn)，SSP填料具有較高的強度，壓縮性低，滲水性好。Akinwumi發(fā)現(xiàn)SSP的摻入增加了土體的干密度，改變了土體的壓實特性，提高了土體的比重、滲透性、CBR值和無側限抗壓強度。此外，隨著SSP摻量的增加，當摻量為8%時能夠降低黏土的塑性和膨脹性，提高土體早期未固化的強度。袁明月等通過室內(nèi)試驗研究鋼渣微粉改良膨脹土的力學特性，發(fā)現(xiàn)鋼渣微粉改良膨脹土的塑限增加，液限降低；當其摻量為5%時，試樣在干濕循環(huán)作用下的膨脹率降低，抗剪強度增加。吳燕開等研究指出，當SSP摻量為10%時土體抗膨脹性最優(yōu)。鑒于SSP粒徑和摻量對土體強度影響較大，因此建議SP粒徑小于0.5 nm，此時SSP可以和土體充分接觸并有效填充顆粒間隙。綜上所述，適當?shù)腟SP摻量和合適的粒徑可以抑制土壤的自由膨脹率，降低土壤的液塑限，并提高土壤的抗剪強度和早期固化特性，有效抑制干濕循環(huán)下土壤強度的衰減速率。如圖5所示，不同SSP摻量下土壤的自由膨脹率和抗剪強度呈現(xiàn)不同的變化。鋼渣粉不僅可以改良膨脹土的塑性和膨脹性，還可以提高土體最優(yōu)含水率、干密度和抗剪強度。但不同SSP摻量比例下土體的膨脹率和強度改善效果各有不同。Aldeeky等研究發(fā)現(xiàn)，當SSP摻量為20%時，土壤的自由膨脹率和塑性指數(shù)降低了58.3%和26.3%；同時最大干密度、抗壓強度和CBR值分別提高了6.9%、100%和154%。而Wang等發(fā)現(xiàn)，當含水率為50%時，土體黏聚力隨SSP摻量的增加也隨之增加；而當含水率介于70%～90%之間時，粘黏聚力隨SSP摻量增加而減小。這表明試樣含水率分別為50%和70%時土體抗剪強度達到最優(yōu)。此外，Yu等通過干濕循環(huán)、無側限抗壓強度、X-射線衍射、熱重和掃描電鏡等試驗研究了碳化鋼渣粉改良土的強度性能及微觀結構變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過碳化處理的鋼渣粉可顯著提高土體的抗剪強度。金明亮等利用鋼渣粉穩(wěn)定路基土，研究表明鋼渣粉粒徑為0～3 mm、最小摻量為15%時，穩(wěn)定土的強度隨摻量的增加而增強，浸水膨脹率減小，加州承載比（CBR）遠超規(guī)范要求。然而，程光前提出，對于鋼渣粉改良膨脹土性能，較高力學特性的最佳摻量為15%，超出該值將會使土壤的強度和脹縮性減弱。Worku等分析鋼渣粉改良膨脹土物理、力學特性，發(fā)現(xiàn)當SSP摻量為25%時，膨脹土液限、塑限、塑性指數(shù)和自由膨脹率分別降低25.6%、17.8%、7.8%和46.4%，而無側限抗壓強度從94.3 kPa提高到260.6 kPa。綜上所述，15%～25%摻量下，鋼渣粉可以顯著改善土體的脹縮性和力學強度。然而，目前鋼渣粉的最佳摻量仍存在爭議。這一爭議可能是由于鋼渣粉的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)地不同，導致其力學性能和礦物化學性質存在差異，進而影響土壤的改良效果。因此，鋼渣粉在摻量上可能需要針對不同情況進行調(diào)整，以達到更好的改良效果?！　。╝）SSP改良土自由膨脹率隨時間的變化規(guī)律　?。╞）SSP改良土抗壓強度與應變之間的關系　　4.2與其它材料復合改良土力學特性　　通過學者們持續(xù)的探索和研究，發(fā)現(xiàn)通過物理研磨法將材料結構轉變?yōu)榉蔷?，或者采用化學激發(fā)劑與其他材料進行復合使用，可顯著提高改良土的力學性能?！　≡谙嚓P研究中，蔡曉飛等對石灰-SSP改良路基土力學特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)當石灰摻量為8%～12%，SSP摻量為25%時，土體強度顯著提高。崔偉研究了石灰-SSP改良土性能，從SSP摻量、養(yǎng)護期齡、配比等方面分析土體強度，結果表明SSP改良土的強度較高，水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性也較好。另外，Gu等研究了不同摻量下的SSP-石灰復合改良路基土的無側限抗壓強度，當SSP、石灰摻量分別為50%、5%，養(yǎng)護28 d時，無側限抗壓強度由0.73 MPa增加到4.09 MPa，此時改良土的綜合性能最佳。袁明月等研究石灰、SSP改良膨脹土力學特性，通過無側限抗壓強度、干濕循環(huán)和自由膨脹率試驗發(fā)現(xiàn)SSP可以延緩土體裂隙發(fā)展，減小土體膨脹性，其土體強度優(yōu)于石灰。而厚榮斌通過三軸試驗、CBR研究SSP/石灰/稻殼灰改良膨脹土性能，發(fā)現(xiàn)當SSP摻量為20%時，土體塑性降低66.2%、強度增加96%、CBR增加97.5%。Wang等研究SSP-堿渣共同改良軟黏土工程性能，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉加入顯著改善土體的無側限抗壓強度。項國圣等研究石灰-SSP共同改良膨脹土的力學特性，發(fā)現(xiàn)隨摻量增加土體膨脹率、最優(yōu)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作為膨脹土穩(wěn)定劑，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉、粉煤灰摻量分別為20%和10%時，改良土抗剪強度和CBR值分別提高97.47%和84.82%?！　∩鲜鲅芯總戎赜谔接懯覍SP改良膨脹土的力學特性影響的方面。盡管研究表明石灰、粉煤灰等可以有效提高SSP改良土體的整體性和力學強度，然而，尚未對在不同材料復配下、不同養(yǎng)護溫度下、不同壓實度及干濕循環(huán)作用等因素對SSP改良土宏觀力學特性的影響進行系統(tǒng)分析。物理及化學改良劑相互作用可有效改善黏性土的綜合性能，提高SSP的反應速率。Wang等研究鋼渣粉-廢輪橡膠顆粒改良土強度特性，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉摻入可以有效提高土體的抗剪強度和動彈性模量，剪切模量隨鋼渣粉摻量、圍壓增大而增大，隨含水率增加而減??；主要是橡膠顆?？梢越档屯馏w的密度，提高其內(nèi)摩擦角。而Shahbazi等發(fā)現(xiàn)，當鋼渣粉摻量為14%時，其無側限抗壓強度、膨脹率和膨脹壓力分別提高111%、89%和84%。隨后宋心斌研究鋼渣粉-水泥-石灰穩(wěn)定路基土性能，發(fā)現(xiàn)復合改良土強度較高、穩(wěn)定性較好。吳燕開等通過室內(nèi)試驗研究干濕循環(huán)作用下SSP-水泥改良膨脹土的體積變化率和膨脹率，發(fā)現(xiàn)改良土膨脹率減小95%以上，而體積變化率減小85%。而吳子龍等通過抗壓強度、劈裂抗拉強度和擊實試驗，他們發(fā)現(xiàn)在SSP與水泥改良土中，最優(yōu)含水率顯著提高，而最大干密度和強度增幅較?。坏擲SP超過最佳摻量時，土體的強度逐漸減小?！　∨c此同時，黃祥、Wu等發(fā)現(xiàn)礦渣、石灰、偏高嶺土和Na2SO4摻量分別為28.6%、57.1%、9.5%、4.8%時，改良土養(yǎng)護28 d后的UCS為10.9 MPa。之后韓天、唐博等利用堿激發(fā)劑催化SSP-水泥復合改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)其改良土體膨脹率最小，三軸抗剪強度和無側限抗壓強度明顯提高，但是后期強度增長緩慢。主要原因是前期堿激發(fā)劑加快SSP水化反應，強度已增長較大，因此后期表現(xiàn)較為緩慢，說明堿激發(fā)劑不能提高其后期強度?！　【C上所述，SSP中摻入水泥、石灰、激發(fā)劑及其它改良劑可有效提高土體的綜合性能，顯著增強SSP的水化活性，提高其化學反應程度。然而，對于不同復合改良材料的適用性和效果尚未得到全面的了解，需要更多關于不同摻量與不同類型的復配材料改良土的力學性能。其次，目前對于SSP改良土體的長期穩(wěn)定性和環(huán)境影響的研究相對較少，尤其是在實際工程應用中的長期性能表現(xiàn)和環(huán)境影響方面的研究還有待加強。此外，SSP改良材料的配比設計、施工工藝以及與土體的相互作用等方面也需要進一步深入研究，以確保改良效果的可靠性和實用性。　　5結論與展望　　鋼渣粉作為一種新型土壤固化改良劑，在改良膨脹性黏土的脹縮性、抗壓強度、剪切強度和抗變形等方面具有突出優(yōu)勢。能夠與黏土顆粒發(fā)生陽離子交換吸附在表面，反應形成C-S-H凝膠和微量鈣釩石（AFt）填充并膠結團粒，進而改變黏土顆粒的物理化學性質和微觀結構，提高其工程性能。利用鋼渣粉改良膨脹性黏土的工程性質，既符合低碳、綠色、環(huán)保發(fā)展理念，又可提高固廢資源的高附加值利用、降低工程處理成本。然而，當前存在一些問題需要進一步研究和解決：　?。?）鋼渣粉生產(chǎn)工藝的差異導致其化學成分、結構性質、礦物組成、粒度、表面積、孔隙率及性能發(fā)生顯著變化，進而影響其化學活性和改良效果。今后需進一步完善和規(guī)范相關工藝標準，提高SSP的轉化效率和膠凝活性。因此，提高SSP活性及性能是未來研究的重點。　?。?）鋼渣粉中含有大量游離的氧化鈣（f-CaO）和氧化鎂（f-MgO），會與空氣中水分發(fā)生化學反應，使SSP體積迅速膨脹，造成SSP穩(wěn)定性極差。雖可以考慮采用碳酸化工藝克服其安定性不良的因素，但SSP碳酸化應用于土體改良整體性能的研究尚缺不足。　?。?）鋼渣粉改良膨脹性黏土的微觀機理及復合激發(fā)劑之間的反應機制研究還相對不足，需要進一步探索堿激發(fā)劑、SSP與黏土之間的相互作用機制，并通過實驗和數(shù)值模擬等手段建立宏微觀力學響應規(guī)律，為SSP改良膨脹性黏土提供更加科學的理論基礎?！　。?）土體改良的效果受到改良劑類型、添加量、混合方式和使用環(huán)境等多種因素的影響和控制，未來應考慮不同因素耦合下的化學-礦物成分及土體微觀結構演變規(guī)律，從宏微觀角度建立土體在水-化-力作用下的力學特性及耐久性評價體系。進而從更廣泛的實際應用和環(huán)境影響出發(fā)，深入研究SSP改良土體的適用性、長期性能和環(huán)境影響等方面的問題?！　碓矗簩O銀磊，余川（云南大學建筑與規(guī)劃學院）　　編輯：冶金渣與尾礦　　聲明：本公眾號部分文章和素材來源網(wǎng)絡，僅供學習交流，如有冒犯請聯(lián)系我們刪除，感謝理解。

  2024-12-19 15:24:34查看詳情>>
• 材料介紹，建議認真讀完‖硅灰，粉煤灰和礦粉的特性，作用，應用以及標準

  　　硅灰、粉煤灰、礦粉均為混凝土中常用的礦物摻合料，以下對它們的特性、作用及應用等進行介紹：　　一，硅灰　　1.來源與成分：　　硅灰是在生產(chǎn)硅鐵、金屬硅等過程中產(chǎn)生的超細粉末，主要成分是無定形二氧化硅，其含量通常在85%至98%之間?！　?.特性：　　硅灰顆粒極細，平均粒徑在0.1至0.2μm之間，比表面積大，通常在15000至25000m2/kg之間。具有很高的火山灰活性?！　?.作用：　　在混凝土中，硅灰能填充水泥顆粒間的空隙，提高混凝土的密實度，從而顯著提高混凝土的強度，尤其是早期強度。同時，硅灰能改善混凝土的孔結構，使混凝土更加致密，提高其抗?jié)B性、抗凍性和抗化學侵蝕性?！　?.應用：　　常用于配制高強混凝土、高性能混凝土，如高層建筑、橋梁、港口等對混凝土強度和耐久性要求較高的工程?！　《勖夯摇　?.來源與成分：　　粉煤灰是火力發(fā)電廠燃燒煤粉后排出的一種工業(yè)廢渣，主要成分是二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等。　　2.特性：　　粉煤灰顆粒呈球形，表面光滑，粒度較細，比表面積一般在2000至5000m2/kg之間。具有一定的火山灰活性，但其活性低于硅灰?！　?.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。同時，粉煤灰的火山灰反應可以提高混凝土的后期強度，降低混凝土的水化熱，減少混凝土因溫度應力而產(chǎn)生的裂縫?！　?.應用：　　廣泛應用于大體積混凝土工程，如大壩、基礎等，以及對耐久性要求較高的混凝土工程，如地下結構、水工結構等?！　∪V粉　　1.來源與成分：　　礦粉是由煉鐵高爐排出的水淬礦渣經(jīng)磨細而成，主要成分是鈣、硅、鋁、鎂等的氧化物?！　?.特性：　　礦粉顆粒較細，比表面積一般在4000至6000m2/kg之間。具有較高的潛在活性，其活性在一定條件下可以得到充分發(fā)揮?！　?.作用：　　在混凝土中，礦粉可以提高混凝土的后期強度，改善混凝土的耐久性，降低混凝土的氯離子滲透系數(shù)，提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。此外，礦粉還可以抑制堿-骨料反應，提高混凝土的體積穩(wěn)定性?！　?.應用：　　適用于配制高強混凝土、高性能混凝土以及對耐久性要求較高的混凝土工程，如海洋工程、隧道工程等?！　」杌?、粉煤灰、礦粉的化學性質主要在化學成分、活性、酸堿度等方面存在區(qū)別，具體如下：　　一，化學成分　　1.硅灰：　　主要成分是無定形二氧化硅（SiO?），含量通常在85%至98%之間，還含有少量的氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵等雜質。　　2.粉煤灰：　　主要化學成分是二氧化硅（SiO?）、三氧化二鋁（Al?O?）和三氧化二鐵（Fe?O?），此外還含有少量的氧化鈣（CaO）、氧化鎂（MgO）、氧化鈉（Na?O）、氧化鉀（K?O）等?！　?.礦粉：　　主要成分是鈣、硅、鋁、鎂等的氧化物，如硅酸二鈣（2CaO·SiO?）、硅酸三鈣（3CaO·SiO?）、鋁酸三鈣（3CaO·Al?O?）等?！　《?，火山灰活性　　1.硅灰：　　具有極高的火山灰活性，其比表面積大，能與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣迅速反應，生成更多的水化硅酸鈣凝膠，填充在水泥石的孔隙中，提高混凝土的密實度和強度?！　?.粉煤灰：　　具有一定的火山灰活性，但活性相對較低，在常溫下反應速度較慢，其火山灰反應主要在混凝土的后期進行，對混凝土的后期強度增長有一定貢獻。　　3.礦粉：　　具有較高的潛在活性，在堿性環(huán)境下，礦粉中的活性成分能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等凝膠體，提高混凝土的強度和耐久性。　　三，酸堿度　　1.硅灰：　　通常呈酸性，pH值一般在4至6之間，這是由于硅灰中的二氧化硅在水中會發(fā)生水解反應，生成硅酸和氫離子，使溶液呈酸性?！　?.粉煤灰：　　其酸堿度因煤種、燃燒條件等因素而異，一般呈弱酸性至弱堿性，pH值在6至9之間?！　?.礦粉：　　通常呈堿性，pH值在10至12之間，這是因為礦粉中含有較多的氧化鈣等堿性氧化物，在水中會發(fā)生水解反應，生成氫氧化鈣，使溶液呈堿性?！　∫韵率枪杌摇⒎勖夯?、礦粉的質量標準：　　一，硅灰　　國際標準：GSO ASTM C1240:2024規(guī)定了用于混凝土和其他含有水硬性水泥的系統(tǒng)中硅灰的標準規(guī)范，涵蓋化學分析、水分含量和燒失量、體積密度、比表面積、砂漿的空氣夾帶、強度活性指數(shù)、與水泥堿的反應性以及硅灰的抗硫酸鹽性等測試方法?！　∫话阋螅汗杌业闹饕煞侄趸韬客ǔＴ?5%-98%之間；細度要求高，一般小于1μm，顆粒含量不低于85%；含水率一般應小于3%；活性指數(shù)通常要求不小于90?！　《勖夯摇　?.國家標準：　　GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》是我國現(xiàn)行的粉煤灰質量標準?！　?.等級劃分及指標：　　分為I級、II級和III級?！　?細度：　　I級粉煤灰細度小于12%，II級小于25%，III級小于45%，均為45μm方孔篩篩余?！　Я浚篒級不大于5%，II級不大于8%，III級不大于15%?！　⌒杷勘龋骸　級不大于95%，II級不大于105%，III級不大于115%?！　?含水量：　　I級不大于1%，II級不大于2%，III級不大于3%?！　∪趸蚝浚骸　級、II級不大于3%，III級不大于5%。　　三，礦粉　　1.國家標準：　　GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》將礦粉分為S105、S95、S75三個等級?！　?.等級指標：　　活性指數(shù)：S105級28天活性指數(shù)不小于105%，S95級不小于95%，S75級不小于75%?！　”缺砻娣e：S105級比表面積不小于500m2/kg，S95級不小于400m2/kg，S75級不小于300m2/kg?！　『蛄浚旱V粉含硫量必須小于4%?！　」杌?、粉煤灰、礦粉的化學性質不同，對混凝土性能的影響也各有特點，具體如下：　　一，對混凝土工作性的影響　　1.硅灰：由于其顆粒極細，比表面積大，需水量大，摻入混凝土中會使混凝土的流動性降低。但在減水劑作用下，能改善混凝土的黏聚性和保水性，使混凝土不易離析和泌水?！　?.粉煤灰：顆粒呈球形，表面光滑，能起到滾珠軸承的作用，有效改善混凝土的流動性，使其易于攪拌、運輸和澆筑。同時，還能降低混凝土的用水量，提高混凝土的保水性和黏聚性?！　?.礦粉：對混凝土工作性的影響與粉煤灰類似，能改善混凝土的流動性，提高其保水性和黏聚性。但礦粉的摻量不宜過大，否則會使混凝土的黏性增加，導致工作性變差?！　《?，對混凝土強度的影響　　1.硅灰：具有高火山灰活性，能與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應生成更多的水化硅酸鈣凝膠，填充孔隙，提高混凝土密實度，顯著提高混凝土早期和后期強度，尤其對高強混凝土強度提升效果明顯。　　2.粉煤灰：早期火山灰活性低，對混凝土早期強度貢獻小，甚至會使早期強度略有降低。但后期其與氫氧化鈣反應，生成的水化產(chǎn)物填充孔隙，提高混凝土后期強度，對長期強度增長有利?！　?.礦粉：具有較高潛在活性，在混凝土中能與水泥水化產(chǎn)物反應，生成凝膠體填充孔隙，提高混凝土后期強度。適量摻加礦粉可提高混凝土各齡期強度，且對長期強度增長效果較好。　　三，對混凝土耐久性的影響　　1.硅灰：　　能改善混凝土的孔結構，使孔隙細化，提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性。同時，其反應產(chǎn)物能填充孔隙，增強混凝土的密實度，提高抗化學侵蝕能力，降低混凝土的碳化速度。　　2.粉煤灰：　　能降低混凝土的水化熱，減少溫度裂縫，提高混凝土的抗裂性。其火山灰反應產(chǎn)物填充孔隙，提高混凝土的抗?jié)B性和抗硫酸鹽侵蝕能力，改善混凝土的耐久性。　　3.礦粉：　　可提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕能力。礦粉的摻入能抑制堿-骨料反應，降低混凝土中堿離子的濃度，提高混凝土的體積穩(wěn)定性，從而增強耐久性?！　」杌摇⒎勖夯?、礦粉的活性指數(shù)存在明顯區(qū)別，以下是具體情況：　　一，活性指數(shù)的定義　　活性指數(shù)是指在一定條件下，摻加礦物摻合料的水泥膠砂試件與基準水泥膠砂試件在規(guī)定齡期的抗壓強度之比，通常以百分數(shù)表示，它反映了礦物摻合料與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應的能力及對混凝土強度的貢獻程度?！　《?，活性指數(shù)的具體區(qū)別　　硅灰：具有極高的活性指數(shù)，其7天活性指數(shù)通?？蛇_100%以上，28天活性指數(shù)甚至可超過120%。這是因為硅灰中的無定形二氧化硅含量高，比表面積大，能與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣迅速反應，生成大量的水化硅酸鈣凝膠，從而顯著提高混凝土的強度?！　》勖夯遥夯钚灾笖?shù)相對較低，其7天活性指數(shù)一般在60%至80%之間，28天活性指數(shù)在70%至90%左右。粉煤灰的主要成分是二氧化硅、三氧化二鋁和三氧化二鐵等，其火山灰反應速度較慢，在常溫下早期反應程度較低，對混凝土早期強度貢獻較小，但隨著齡期的延長，其活性逐漸發(fā)揮，對后期強度增長有一定作用?！　〉V粉：活性指數(shù)處于中等水平，7天活性指數(shù)通常在70%至90%之間，28天活性指數(shù)在90%至105%左右。礦粉的主要成分是鈣、硅、鋁、鎂等的氧化物，具有較高的潛在活性，在堿性環(huán)境下，礦粉中的活性成分能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等凝膠體，提高混凝土的強度。

  2024-12-18 15:23:07查看詳情>>
• 語錄人間

  　　1、做人不要太大方。這個世界上只有“傻大方”、“窮大方”，你聽說過“富大方”嗎？窮人都是小心翼翼的大方，而有錢人都是大大方方的小氣?！　?、任何一次選擇，都有它對應的籌碼，愿賭服輸是一個成年人應該具有的品質?！　?、青春能掩蓋很多問題：窮，丑，胖，脾氣差，毒舌，都可以接受，畢竟年齡還小。但是等“青春”這塊遮羞布拿開之后，一切缺點都會被無限放大?！　?、不要動上層人士的利益，你動了他們的利益，如同動他的生命。不要動底層人士的觀念，讓他自生自滅即可，你如果動了他的觀念，如同挖他的祖墳，他會和你拼命?！　?、聰明的人都在悶聲發(fā)大財，靜悄悄的努力，當你還沒緩過神來，他就已經(jīng)逃出原來的圈子，走向更遠的道路?！　?、如果你和自己沒有什么深仇大恨的話，請整理一下你那臟亂的屋子，遠離那些不思進取的小群體，忘掉得不到的舊人，請你好好愛自己?！　?、男人當然喜歡年輕漂亮的女子，但男人尊重的，永遠是那些刻苦勤奮的女性。慕強，刻在每一個人的骨髓里?！　?、一定要和讓你越來越好的人在一起玩，你是有資格體會有趣世界的人，是配得上所有美好事物的人。　　9、人才過剩、學歷過剩的時代，你要做一個有特長的人，你要學會在一個細分的領域無人能敵，哪怕只是牛肉湯+蔥油餅?！　?0、你見過排隊發(fā)財?shù)膯?？無論什么年代，都不會出現(xiàn)大面積的富翁，窮人永遠占多數(shù)，這就是游戲規(guī)則?！　?1、普通人被坑、被當作韭菜收割，有的是因為他相信一夜暴富，有的是因為他相信親戚、朋友借的錢會還?！　?2、不要跟別人交心吐露太多。也許關系一淡，你交的心就成了別人的談資，一旦翻臉就成了攻擊你的黑材料?！　?3、有夢想、有事業(yè)的人是不會老的，因為超越同齡人越多，越不會覺得自己老。只有當一個人的境況平平，不如自己預期，甚至不如同齡人時，才會深深地感到歲月的無情?！　?4、任何時候都可以開始做自己想做的事，希望你不要用年齡和其他東西來束縛自己。年齡從來都不是界限，除非你自己拿來為難自己?！　?5、破圈時要注意：遇到比自己能量強的高手，不要試圖成交他，從他那里賺錢。而要想著怎么能幫到他，甚至向他付費，你會發(fā)現(xiàn)得到的更多?！　?6、真正的高手，他們的習慣就是付出，哪怕是看到一篇文章，他們?nèi)绻X得有價值，也會點贊轉發(fā)或者回復一下的，并且是很有價值的回復。

  2024-12-13 17:13:07查看詳情>>
• 新變化！GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準變更對照表

  　　近日，國家標準化管理委員會正式批準并發(fā)布了涵蓋290項關鍵國家標準及4項重要修改單的公告。其中，尤為值得關注的是GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》國家標準的第1號修改單，該修改單已定于2025年6月1日正式生效?！　榇_保各行業(yè)同仁能夠順利過渡并精準執(zhí)行新標準，特附上標準變更對照表，以方便大家在擴項和標準變更工作中進行快速對照?！　藴史椒ㄐ略?變更對照表　　來源：硅酸鹽通報　　轉載此文是出于傳遞更多信息之目的。若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益，請與我們聯(lián)系，我們將及時更正

  2024-12-12 17:11:55查看詳情>>
• 鋼渣粉磨工藝技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向

  　　?鋼渣?　　鋼渣是轉爐煉鋼和電弧爐煉鋼產(chǎn)生的以硅酸鈣、鐵酸鈣等為主要成分的工業(yè)固廢，產(chǎn)率約為粗鋼產(chǎn)量的14%。2014年我國鋼渣產(chǎn)生量已超過1億噸。鋼渣主要可用作水泥混合材或混凝土摻合料、道路材料、回填材料等，目前我國鋼渣綜合利用率約33%，距德國、日本等發(fā)達國家近100%利用率相差甚遠。鋼渣中含有約50%的硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)等礦物，具有一定的水硬膠凝性，長期以來我國一直視鋼渣為一種輔助性膠凝材料，目前將鋼渣磨細作為水泥混合材或混凝土摻合料是實現(xiàn)鋼渣高附加值利用的重要途徑。但鋼渣由于含有鐵酸鈣、ＲO相、金屬鐵等難磨物相，在進一步磨細至400 m2/kg以上時，采用傳統(tǒng)的球磨機使得粉磨能耗大幅增加，因此，國內(nèi)一直在嘗試采用更為節(jié)能的粉磨技術和裝備?！　?鋼渣的粉磨特性　　?　　鄒興芳認為:鋼渣形成溫度較高(在1 580℃以上)，且在過高溫度下溶入較多的FeO、MgO等雜質并形成完整粗大的晶體。巖相分析表明:鋼渣中的主要礦物成分為板狀硅酸三鈣和圓形及類圓形的硅酸二鈣，其次為鐵酸鈣和RO相。其中，硅酸三鈣最大尺寸可達到1998μm，硅酸三鈣包裹中的MgO顆粒粒徑為142~271μm;鋼渣中的金屬鐵主要呈球粒狀嵌布，粒度一般為100~300μm，最大可達3mm;硅酸二鈣粒徑也達到943μm?！　『钯F華等比較研究了鋼渣的難磨相組成及其膠凝性，結果發(fā)現(xiàn)了鋼渣中難磨組分為鐵鋁酸鈣和鎂鐵相固溶體，且它的水化反應活性很低，而鋼渣中硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)具有較好的易磨性，比礦渣略好，但其水化反應活性明顯比礦渣差，鋼渣中的C3S和C2S固溶了較多的異離子?！　∫虼艘l(fā)揮鋼渣中C3S和C2S的水硬膠凝性，必須將鋼渣磨細至較高細度，使鋼渣礦物結構發(fā)生畸變、結晶度下降，使鋼渣中礦物晶體的鍵合能減小，從而使活性提高，才能實現(xiàn)鋼渣在水泥和混凝土中的較高摻量?！　?鋼渣粉磨工藝技術　　近年來，鋼渣粉磨新工藝和新設備的應用日益廣泛，在傳統(tǒng)的球磨機基礎上，國內(nèi)已相繼開發(fā)出了技術指標更先進的輥壓機半終粉磨、輥壓機終粉磨、立式磨、臥式輥磨等，從不同的應用角度和技術特點豐富和發(fā)展了鋼渣粉磨的技術內(nèi)涵?！　?.1球磨機為終粉磨設備的粉磨工藝　　球磨機是物料簡單機械破碎之后，再進行粉磨的傳統(tǒng)設備。隨著球磨機相關技術的不斷進步，使得球磨機也能粉磨硬度大的物質，如鋼渣。球磨機在粉磨物料上的優(yōu)點主要有適應性強、粉碎比大、粉磨和烘干可以同時進行、結構及維護管理簡單，密封性好，運行平穩(wěn)，操作可靠等，在物料的粉磨作業(yè)，尤其是水泥粉磨作業(yè)中一直備受青睞，這也使得球磨機與水泥行業(yè)的歷史幾乎一樣悠久。球磨機研磨體規(guī)格及材料能根據(jù)物料性能做出相應調(diào)整，這使得球磨機也能粉磨硬度大的鋼渣，但粉磨400 m2/kg比表面積鋼渣粉的單位電耗為100 kW·h/t左右。但是，球磨機的缺點也同樣明顯，主要是配置昂貴、磨損嚴重、工作效率低、能量損耗大等，以生產(chǎn)水泥為例，每生產(chǎn)1t水泥的耗電量不低于70 kW·h，但只有約5%的電能用于物料表面積的增加，絕大部分電能被轉變?yōu)闊崮芎吐暷芏速M掉。但球磨機能耗大，粉磨損耗嚴重等缺點，限制了球磨機在粉磨鋼渣領域的發(fā)展?！　≌驗槿绱?，粉磨行業(yè)以提高粉磨效率、降低能耗和鋼耗為宗旨，進行粉磨新裝備、新技術的研究開發(fā)一直都沒停止。近年來，在利用球磨機作為終粉磨的基礎上，杭鋼采用振動磨作為預粉磨設備，馬鋼開發(fā)出輥壓機為預粉磨設備，大大提高了鋼渣粉磨效率?！　?.2輥壓機+球磨機的聯(lián)合粉磨工藝技術　　輥壓機誕生于20世紀80年代中期，是一款基于“料床粉碎”原理的典型新型節(jié)能粉磨設備，與球磨機相比，具有增產(chǎn)節(jié)能、噪音小、鋼材損耗小等優(yōu)點，經(jīng)輥壓機擠壓后的物料顆粒易磨性大為改善，進而大幅度降低了整個粉磨系統(tǒng)的能耗，既適用于新廠建設，也能用于老廠技術升級改造。　　輥壓機相比球磨機，主要優(yōu)點有粉磨效率高、能耗低、磨損小、噪音低、粉塵少、結構簡單、緊湊，操作維修方便等，但也存在不足之處:“邊緣效應”、零部件尤其是輥子軸承以及輥面易磨損、存在選擇性粉碎等。天津院用輥壓機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)鋼渣粉的研究表明，用輥壓機處理鋼渣時，能大幅度改善其易磨性，從而降低球磨機電耗，輥壓機處理鋼渣的增效系數(shù)可達4.0以上，與粉磨水泥增效系數(shù)2.0相比，節(jié)能效果更加顯著，可大大改善后續(xù)磨機的粉磨狀況，使整個粉磨系統(tǒng)的單位電耗明顯下降;且可實現(xiàn)鋼渣中的鐵和渣能充分剝離，便于預粉磨系統(tǒng)進行高效除鐵。因此采用帶輥壓機半終粉磨的鋼渣粉磨工藝，可以充分發(fā)揮和利用輥壓機的高效擠壓優(yōu)勢和球磨機的粉磨功能，達到顯著改善產(chǎn)品性能、增產(chǎn)節(jié)能和高效除鐵的效果?！　≡谳亯簷C與球磨機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，鋼渣經(jīng)輥壓機擠壓，通過兼烘干及選粉功能的選粉機，選出規(guī)定細度的微粉進球磨機粉磨成成品，粗粉回輥壓機再次擠壓。鋼渣經(jīng)由輥壓機輥壓后，顆粒表面出現(xiàn)裂紋，有助于提高終粉磨設備的粉磨效率、降低能耗。鋼渣在煉鋼過程中內(nèi)部包裹有相當數(shù)量的小顆粒金屬鐵，因此粉磨時除鐵是關鍵。首先要最大限度將金屬鐵從鋼渣中提取出來進行回收利用，有效除鐵可減少粉磨過程鐵對設備的磨損并提高粉磨效率。在外循環(huán)系統(tǒng)中增加多個除鐵設備，可降低鋼渣粉中的含鐵量，保護粉磨設備?！　≥亯簷C與球磨機聯(lián)合粉磨能耗低于單獨使用球磨機粉磨系統(tǒng)。粉磨400 m2/kg比表面積鋼渣粉的單位電耗為80 kW·h/t左右。該系統(tǒng)目前仍存在一些制約連續(xù)生產(chǎn)的問題，如金屬鐵富集、烘干效率及選粉分級效率低，輥壓機喂料控制等問題，但這也證明在鋼渣粉磨方面聯(lián)合粉磨技術較單一終粉磨技術更有優(yōu)勢?！　?輥壓機為終粉磨的“線接觸式”粉磨工藝技術　　鞍鋼礦渣公司采用高壓輥壓機作為鋼渣粉終粉磨設備。高壓輥壓機的特點是使用壽命長，設備運轉率高，易于維修和能耗低。與傳統(tǒng)的球磨機相比，高壓磨輥研磨過程中主要是利用兩個反向旋轉的輥來擠壓料層，由于料層是由許多連結在一起的粒子組成，所施加的壓力造成顆粒間強烈的相互擠壓和破碎，顆粒間破碎粉磨，大大提高了研磨效率?！　「邏狠亯簷C節(jié)能主要體現(xiàn)在閉合回路研磨使原料直接成為合格成品。與普通球磨機系統(tǒng)相比，高壓輥壓機粉磨系統(tǒng)的節(jié)能效果達到50%以上。粉磨400 m2/kg比表面積鋼渣粉的單位電耗約為50 kW·h/t。但由于經(jīng)輥壓機擠壓粉磨的物料中細粉含量相對較少，因而循環(huán)負荷很大，一般在8倍喂料量以上，成品中微粉量不夠，成品質量雖能滿足要求，但相同比表面積的產(chǎn)品質量比球磨機粉磨的產(chǎn)品質量差。此外，單機生產(chǎn)能力仍然較小?！　?立式磨的“面接觸式”粉磨工藝技術　　立式磨自20世紀20年代問世以來，一直以粉磨效率高、能耗低著稱，尤其是可對含水量高達20%左右的物料同時進行烘干粉磨，因此建材行業(yè)長期多用于生料制備和礦渣粉磨。與球磨相比，立式磨的優(yōu)點主要有:入磨物料粒徑大、粉磨效率高、能耗低、烘干效率高、能力強、工藝系統(tǒng)簡單、結構緊湊，控制方便、密封性好，運轉率高、噪音小等，缺點主要有:不適宜粉磨磨蝕性大的物料，零部件(主要是磨輥上輥套和磨盤上襯板)材質要求較高，零件磨損后維修工作量大，更換難度也大，對系統(tǒng)密封性及操作員的操作技術水平要求都較高等，立式磨維修費用高，對材質及生產(chǎn)管理的要求都比較高，一般認為鋼渣中含鐵量高，產(chǎn)品要求細度高，不易使用立磨粉磨。目前國內(nèi)外還沒有成熟的生產(chǎn)線投入使用，但業(yè)內(nèi)一直沒有停止采用立式磨粉磨鋼渣的嘗試，合肥水泥研究設計院通過研磨組件配合、新型耐磨材料使用、系統(tǒng)和磨內(nèi)除鐵、鋼渣粉分選方面創(chuàng)新［4］，在立式磨中分別針對未熱悶處理的鋼渣和熱悶處理后的鋼渣進行了試生產(chǎn)，表明粉磨鋼渣產(chǎn)量比礦渣低29.85%，粉磨100%未經(jīng)熱悶鋼渣磨機產(chǎn)量比粉磨100%熱悶鋼渣降低19.98%，可見鋼渣的處理方式對易磨性影響也很大，另外鋼渣粉磨對除鐵的要求更嚴格，要求磨前設計3道除鐵措施，磨機排渣與外循環(huán)提升機之間設計二道除鐵，以便有效去除鋼渣中的鐵，保證系統(tǒng)設備運行的穩(wěn)定，從而降低設備的磨耗和系統(tǒng)的能耗?！　?臥輥磨的“面接觸式”粉磨工藝技術　　臥式輥磨，也稱筒輥磨，是20世紀90年代出現(xiàn)的節(jié)能粉磨設備。它以料層間擠壓為粉磨原理，采用中等壓力、多次擠壓方式，以近似于輥壓機的粉磨效率，近似球磨機的運行可靠性，從一問世就得到極大的關注?，F(xiàn)在全球大約有30余臺法國FCB公司的臥式輥磨投入運行。最大臺時產(chǎn)量生料達225 t/h，水泥達130 t/h。我國牡丹江水泥廠、漢中水泥廠、日照京華新型建材有限公司、九江中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司和新余中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司也引進該公司臥式輥磨用于粉磨水泥和鋼渣粉，國內(nèi)的部分設備制造企業(yè)也正在開發(fā)這種新型節(jié)能粉磨設備?！　∨P式輥磨的主要優(yōu)點為咬入角較大、通道收縮率較小，臥式輥磨磨輥咬入角一般為17°，而立磨和輥壓機則分別不超過12°和6°，故物料在臥輥磨中具有較小的通道收縮率;壓力適中，速度高，運行平穩(wěn)，基于“料床粉碎”3種典型粉磨設備中，工作壓力從小到大依次是立式磨＜臥輥磨＜輥壓機;一次通過，多次擠壓，物料在臥輥磨內(nèi)的粉磨次數(shù)，可以根據(jù)工藝要求，通過控制機構調(diào)整，以達到調(diào)節(jié)出磨物料粒徑的目的，也就是物料從進料端到出料端運動的過程中，依靠磨輥的回轉運動，可以經(jīng)濟、方便地在筒體內(nèi)循環(huán)粉磨7～8次;能耗小，球磨機的能量利用率不足5%，輥壓機和臥輥磨均可達35%左右;加工成品活性大，臥式輥磨的成品顆粒形貌可以通過調(diào)整導料板傾斜角度來間接調(diào)節(jié)，物料在筒體內(nèi)“螺旋”前進的過程中受到多次擠壓整形，其形貌逐漸向圓球形逼近，成品活性增大。粉磨鋼渣粉時粉磨至400 m2/kg主機電耗約45 kW·h/t。臥式輥磨系統(tǒng)與球磨機系統(tǒng)對比見表1。　　臥式輥磨機具有運行穩(wěn)定、操作靈活、產(chǎn)量在線可調(diào)、可控性較強、磨耗及電耗較低的優(yōu)點，已經(jīng)在日照京華新型建材有限公司投產(chǎn)運行2條80萬噸/a的鋼渣粉生產(chǎn)線，并在新余中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司和九江中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司投產(chǎn)運行40萬噸/a鋼渣粉生產(chǎn)線。　　6各種鋼渣粉粉磨工藝比較　　目前已投入正式生產(chǎn)的各種鋼渣粉磨工藝技術指標對比見表2。　　7結束語　　1)鋼渣中含有鐵鋁酸鈣、鎂鐵相固溶體、金屬鐵等難磨組分，使得鋼渣粉磨細至合適細度能耗居高不下。　　2)國內(nèi)探索了輥壓機+球磨機聯(lián)合粉磨、輥壓磨終粉磨、立式磨和臥式輥磨高效低耗制備鋼渣粉的適應性，輥壓機+球磨機聯(lián)合粉磨聯(lián)合粉磨工藝優(yōu)于球磨機終粉磨工藝，“面接觸式”料床粉磨設備優(yōu)于“點接觸式”料床粉磨設備，采用聯(lián)合粉磨工藝技術及“面接觸式”料床粉磨設備可以顯著提高產(chǎn)量，降低系統(tǒng)電耗，可以作為未來鋼渣粉磨工藝技術的重要研究方向。而臥輥磨終粉磨技術將是未來鋼渣粉磨技術的發(fā)展方向?！　∽髡撸褐幸苯ㄖ芯靠傇河邢薰尽　?zhí)砣A　　編輯：冶金渣與尾礦　　此文章僅用于交流分享，版權歸原作者所有，如有冒犯請聯(lián)系我們刪除，感謝理解。

  2024-12-12 17:09:55查看詳情>>
• 粉煤灰地聚物膠凝材料的環(huán)保特性與固廢利用

  　　引言　　隨著工業(yè)化進程的加速，固體廢棄物（固廢）的處理和利用成為全球性的環(huán)境問題。固廢的有效利用不僅能夠減少環(huán)境污染，還能節(jié)約資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在眾多固廢中，粉煤灰作為一種量大面廣的工業(yè)副產(chǎn)品，其資源化利用對于環(huán)境保護和資源節(jié)約具有重要意義?！　》勖夯业鼐畚锬z凝材料的環(huán)保特性　　粉煤灰地聚物膠凝材料是一種新型的環(huán)保材料，它通過利用粉煤灰中的硅鋁酸鹽在堿性條件下發(fā)生水解和縮聚反應，形成具有三維網(wǎng)絡結構的無機凝膠材料。這種材料具有高強度、高硬度、高抗化學侵蝕、高耐火性以及固化重金屬離子等特性。此外，粉煤灰地聚物膠凝材料在生產(chǎn)過程中的碳排放量遠低于傳統(tǒng)水泥，有助于減少建筑行業(yè)的碳足跡。　　固廢資源化利用策略：利用粉煤灰、礦渣等　　固廢資源化利用策略的核心在于將工業(yè)副產(chǎn)品轉化為有價值的資源。粉煤灰、礦渣等固廢通過地聚物技術的應用，可以轉化為性能優(yōu)異的膠凝材料，廣泛應用于土木工程、耐火材料和吸附材料等領域。此外，粉煤灰的資源化利用還包括在農(nóng)業(yè)領域應用和有價組分提取，以及生產(chǎn)新型墻體材料、裝飾裝修材料等綠色建材?！　》勖夯业鼐畚锬z凝材料對環(huán)境的好處　　1.資源再利用與循環(huán)經(jīng)濟：粉煤灰作為燃煤電廠的主要固體廢棄物，通過轉化為膠凝材料，實現(xiàn)了資源的再利用，減少了工業(yè)廢料的排放，降低了對自然資源的開采，符合循環(huán)經(jīng)濟的理念?！　?.減少碳排放與能源消耗：粉煤灰膠凝材料在制備和使用過程中，相比傳統(tǒng)膠凝材料（如水泥）能夠顯著降低碳排放和能源消耗。粉煤灰可以作為混凝土的摻合料，替代部分水泥，從而減少水泥的生產(chǎn)和使用量，有效降低混凝土生產(chǎn)的碳足跡?！　?.改善混凝土性能與減少廢物產(chǎn)生：粉煤灰膠凝材料能夠改善混凝土的性能，如提高混凝土的強度、耐久性和工作性能，延長混凝土的使用壽命，減少因混凝土損壞而產(chǎn)生的建筑廢棄物。同時，還能降低混凝土中氧化物和硫化物的含量，進一步降低其對環(huán)境的污染。　　4.減少工業(yè)廢料對環(huán)境的污染：粉煤灰作為工業(yè)廢料，如果不進行妥善處理，會對環(huán)境造成嚴重的污染。通過將其轉化為膠凝材料，不僅可以減少工業(yè)廢料的排放，還可以降低對環(huán)境的污染，保護生態(tài)環(huán)境?！　?.推動綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展：粉煤灰膠凝材料的應用有助于推動綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)。通過減少工業(yè)廢料的排放和資源的再利用，粉煤灰膠凝材料為建筑行業(yè)提供了一種更加環(huán)保和可持續(xù)的建筑材料選擇?！　?.降低溫室氣體排放量：粉煤灰基地質聚合物混凝土在堿激活劑的制備和后期高溫養(yǎng)護產(chǎn)生的溫室氣體約占總量的90%；與普通混凝土相比，粉煤灰地質聚合物混凝土的溫室氣體排放量降低率為15%。　　7.優(yōu)異的耐火性和耐熱性：地聚物在高溫（1000～1200℃）也不會氧化和分解，甚至在680℃煅燒后，強度有一定的提升，這可能由于高溫煅燒會促進晶體的形成，提高強度。　　8.良好的耐化學腐蝕性：一般情況下，除氫氟酸（HF）外，地聚物中鍵合的Si-O和Al-O很難與其他酸反應，使其成為一種理想的海洋土木工程材料?！　?.與金屬離子結合性能強：地聚物具有類沸石結構，金屬離子或者其他有毒物質很容易被分割包圍在環(huán)狀分子所形成的密閉的空腔中。同時，地聚物中的堿金屬離子具有離子交換性能，很容易與金屬離子發(fā)生交換，從而固定有害的金屬離子?！　∵@些環(huán)保特性使得粉煤灰地聚物膠凝材料成為一種具有廣泛應用前景的環(huán)保材料?！　〗Y論　　粉煤灰地聚物膠凝材料的開發(fā)和應用，不僅為固廢處理提供了新的思路，也為環(huán)保材料的發(fā)展開辟了新的道路。通過技術創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，粉煤灰地聚物膠凝材料能夠有效提升固廢的綜合利用率，減少環(huán)境污染，降低碳排放，實現(xiàn)固廢的高附加值利用。隨著相關技術的不斷進步和政策的支持，粉煤灰地聚物膠凝材料有望在未來的固廢利用和環(huán)保材料領域發(fā)揮更加重要的作用。

  2024-12-11 17:09:07查看詳情>>
• 赤泥基堿激發(fā)膠凝材料的制備及機理研究

  　　摘要：系統(tǒng)總結了國內(nèi)外對赤泥基膠凝材料的研究成果，分析了赤泥種類、摻合料和激發(fā)活化措施對赤泥基堿激發(fā)膠凝材料力學性能的影響。研究表明燒結法赤泥活性較高，受熱活化和水玻璃激發(fā)效果較為顯著，抗壓強度普遍高于25 MPa；拜爾法赤泥較則難以被激發(fā)，而目前90%的鋁業(yè)公司使用拜耳法生產(chǎn)Al2O3。結合已有研究，利用工業(yè)固體廢棄物脫硫石油焦渣激發(fā)拜耳法赤泥，確定了赤泥基激發(fā)膠凝材料的基本配合比，經(jīng)標準養(yǎng)護28 d抗壓強度達到25.6 MPa。利用XRD進行的微觀分析發(fā)現(xiàn)，赤泥中的鋁硅酸鹽礦物可以在堿性激發(fā)劑的作用下發(fā)生反應，經(jīng)過溶解-聚合反應生成聚合物凝膠是赤泥受激發(fā)產(chǎn)生強度的主要原因。研究將赤泥用于制備膠凝材料，可以實現(xiàn)赤泥大規(guī)模、高附加值的資源化再生利用?！　￡P鍵詞：赤泥；堿激發(fā)；活化；脫硫石油焦渣　　0引言　　在氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的紅色泥狀殘渣稱為赤泥。組成和性質復雜，隨鋁土礦成分、生產(chǎn)工藝及陳化程度有所變化。每生產(chǎn)1 t氧化鋁產(chǎn)生1.0~2.0 t赤泥。近年來，赤泥累計庫存量已超過40億t，并且每年繼續(xù)增長1.2億t；國內(nèi)赤泥庫存已達3.5億t，而赤泥資源利用率不到15%。目前，赤泥尚無合適的利用方式，多以外排為主。其他國家多以排海為主，但排海赤泥對海洋污染嚴重，影響海洋生態(tài)環(huán)境長達半個世紀；而中國因為地理原因，多以堆存為主。赤泥的堆存一般分為濕法和干法，其中以干法為主。無論是哪種堆存方式，都存在潛在的環(huán)境污染風險，例如赤泥脫水風化后造成粉塵污染；赤泥堿性高，侵蝕建筑物和土壤；赤泥含有重金屬元素，可污染水體；赤泥含有放射性物質和有毒物質，危害人類和動物的生存發(fā)展。而現(xiàn)有的赤泥利用技術利用率較低，存在諸多不足。例如從赤泥中回收有效組分回收過程復雜，成本和能量消耗巨大，產(chǎn)品附加值較低。赤泥可用于生產(chǎn)建筑材料，但目前僅能利用制備低品質，低附加值的產(chǎn)品。赤泥作為環(huán)境修復材料的應用，工藝簡單，成本低，但是存在引入新污染的風險，并且在施用后難以再循環(huán)。因此，對赤泥的高效利用已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究的熱點，而建材產(chǎn)品用量巨大，若將赤泥用于制備建筑材料，可以實現(xiàn)赤泥大規(guī)模、高附加值的資源化再生利用?！　?赤泥的構成　　1.1赤泥的化學組成　　赤泥主要根據(jù)氧化鋁的不同生產(chǎn)工藝分為拜耳法赤泥和燒結法赤泥。一些鋁廠產(chǎn)生的赤泥的主要化學成分見表1所示?！　谋?中可以看出，赤泥中含有的主要化學成分是相似的，主要為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、TiO2、Na2O、K2O、MgO，但各種成分含量不同。燒結方法的赤泥組成相似，SiO2、Al2O3、CaO含量在60%以上，F(xiàn)e2O3含量在10%左右；拜耳法赤泥成分較為復雜，成分變化較大，SiO2、Al2O3、CaO含量小于50%，大部分赤泥中Fe2O3含量在30%左右。本研究對山西朔州鋁業(yè)燒結法和山東信發(fā)鋁業(yè)拜耳法赤泥進行了熒光試驗分析。燒結法赤泥中SiO2、Al2O3、CaO含量在60%以上，拜耳法赤泥中CaO含量較低，F(xiàn)e2O3含量在30%以上，與表1中赤泥相似?！　?.2赤泥的礦物組成　　分別對拜耳法赤泥（山東信發(fā)鋁業(yè)公司）和燒結法赤泥（山西朔州朔能鋁業(yè)公司）進行X-衍射分析，圖譜如圖1、2?！　∮蓤D1中可以看出，拜耳法赤泥成分復雜，主要礦物是赤鐵礦，含有少量的鈦礦物、勃姆石、二氧化硅和硅鋁酸鈉水合物。這些礦物質基本上沒有水化活性。拜耳法赤泥不經(jīng)過煅燒，直接用苛性堿浸出鋁，剩余含硅鋁礦物結構未破壞更不會在堿性激發(fā)劑中溶解，硅鋁的溶解速率低，活性較低。由圖2中可以看出，燒結法赤泥的主要礦物是石榴石和鈣霞石，含有少量鈦礦物、坡縷石和無定形硅鋁酸鹽水合物。大量石榴石和鈣霞石主要用作骨架支撐，而無定形硅鋁酸鹽水合物則起膠結和填充作用。其中鈦礦物呈現(xiàn)惰性，可以提高結構的穩(wěn)定性。燒結法的赤泥在高溫下煅燒，硅鋁和鈣離子易溶解形成CaO-Al2O3-SiO2三元體系，活性較高?！　【C上所述，燒結法赤泥活性較好，拜耳法赤泥活性較差。然而，超過90%的鋁業(yè)公司目前使用拜耳法工藝生產(chǎn)氧化鋁，且拜耳法赤泥更難處理，因此，對拜耳法赤泥進行活化處理和資源化再生利用成為亟待解決的技術難題。　　2赤泥基堿激發(fā)膠凝材料制備研究　　堿激發(fā)材料是新開發(fā)的基于鋁、硅、鈣質礦物或廢棄物為原料，以堿金屬或堿土金屬鹽為激發(fā)劑，經(jīng)歷溶解-再聚合過程凝結硬化，綠色、低碳的膠凝材料。近幾年一些學者擴展了激發(fā)劑的選擇，除堿性激發(fā)劑如水玻璃和苛性堿外，還選用磷酸等酸性激發(fā)劑及硫酸鹽、氟化物等鹽類激發(fā)劑，促進了堿激發(fā)材料的發(fā)展。赤泥含大量的鋁、硅、鈣質，可作為堿激發(fā)原料，結合其他輔助性材料，制備赤泥基堿激發(fā)膠凝材料?！　?.1摻合料　　赤泥中Si/Al比較低，Al不能全部用于聚合反應而存于溶液中，所以形成的膠凝材料強度較低。當提高Si/Al比后，Al全部進入硅鋁框架中，微觀結構更加致密，膠凝材料強度相對較高。因此，有必要加入一部分高活性硅鋁原料共同激發(fā)，如礦粉、粉煤灰及偏高嶺土等，可以有效地提高赤泥基膠凝材料的抗壓強度。制備綠色、低碳的赤泥地聚合物，要盡量提高赤泥占膠凝材料總量的比例（≥50%）或摻加其他硅鋁鈣質廢料，降低成本，提高市場競爭力?！　?.2活化方式　　赤泥中硅鋁的溶解速率低，形成的膠凝材料的強度較低。可以通過機械活化改變赤泥的性能，從而提高膠凝材料的強度。赤泥機械活化一般多選用球磨機和振動磨進行機械研磨，破壞顆粒的表面結構提高顆粒的細度，但會增大用水量降低材料早期強度。另外赤泥持水量較高，機械研磨并不能磨成小顆粒，過度粉磨會導致顆粒團聚，易形成黏片狀結構，膠凝材料力學性能提高幅度不顯著。熱活化通常在500~800℃的高溫下進行。在鍛燒條件下，赤泥中穩(wěn)定鋁硅體的結構被破壞，形成亞穩(wěn)硅鋁酸鹽結構，膠凝材料的抗壓強度提高，但煅燒溫度高，成本較高?；瘜W活化多選用堿性激發(fā)劑激發(fā)，堿性激發(fā)劑使液相中的堿度提高，赤泥中硅鋁礦物在強堿溶液中結構破壞，硅氧鍵與鋁氧鍵破壞溶出硅鋁單質，然后形成硅鋁質凝膠，最后聚合形成類沸石結構。水玻璃是最常用的激發(fā)劑，激發(fā)效果最好，但商品級的堿硅酸鹽價格較為昂貴，制備成本提高?！　?.3制備工藝　　赤泥基堿激發(fā)膠凝材料制備過程如圖3所示。首先將原狀赤泥進行烘干、研磨和篩分處理，可以通過機械研磨和高溫煅燒對赤泥進行活化處理獲得高活性赤泥粉體。根據(jù)需要，添加硅鋁質材料、外加劑或纖維等摻合料改善膠凝材料的性能。選擇合適的激發(fā)劑類型和用量，以及最佳的水膠比。最后是成型以及養(yǎng)護等工序?！　?力學性能　　目前，國內(nèi)外一些學者對赤泥制備堿激發(fā)膠凝材料進行研究，如表2所示?！　D片　　從表2可以看出，可以通過改變各種原料（赤泥種類、激發(fā)劑、摻合料、水的比例）、選擇合適的成型工藝和養(yǎng)護方法，以改善赤泥基膠凝材料的力學性能?，F(xiàn)有研究利用燒結法赤泥激發(fā)制備膠凝材料抗壓強度一般在25 MPa以上，而利用拜爾法赤泥激發(fā)制備得到的膠凝材料抗壓強度較低。摻合料多選用活性較好的礦渣、粉煤灰和硅灰，少部分添加石灰和脫硫石膏提高赤泥粉體的活性。赤泥激發(fā)活化后膠凝材料抗壓強度有所提高，高溫蒸壓養(yǎng)護有利于提高膠凝材料的力學性能?！　?激發(fā)機理　　在激發(fā)劑的作用下，赤泥中的礦物硅氧鍵和鋁氧鍵被破壞，硅鋁單體溶解；然后單體聚合為低聚物，形成凝膠，最后硅鋁結構聚合形成高聚物硅鋁聚合凝膠。如果赤泥含鈣量較高，如燒結法赤泥，會溶解出鈣離子，最后生成C-S-H和C-A-S-H凝膠；拜耳法赤泥含鈣量較少，會生成N-A-S-H凝膠。圖4為華中科技大學葉楠博士利用堿熱活化激發(fā)拜爾法赤泥，加入硅灰和水后水化生成膠凝材料的過程?！　〖尤霘溲趸c，赤泥被堿活化，礦物結構被破壞，硅氧四面體與硅氧四面體分解。部分Fe3+代替了Al3+生成鐵氧混合體；加入水和硅灰后，硅鋁單體在堿環(huán)境下生成低聚合物；硅灰溶出硅氧單體，最后形成穩(wěn)定的N-A-S-H凝膠，游離的Na+被包圍在凝膠中?！　?試驗　　本試驗選用山東信發(fā)鋁業(yè)公司提供的拜耳法赤泥。試驗發(fā)現(xiàn)機械活化效果不顯著，熱活化消耗能量較高，對未高溫煅燒拜耳法赤泥進行堿激發(fā)效果不理想。因此利用工業(yè)廢棄物脫硫石油焦渣作為主要激發(fā)劑，加入高貝利特硫鋁酸鹽水泥熟料雙重激發(fā)赤泥。通過正交試驗確定赤泥/高貝利特水泥熟料質量比為3/1，石油焦渣占粉體總量40%，水膠比為0.4，當膠砂比為1∶3時，制備赤泥基堿激發(fā)膠凝材料，經(jīng)標準養(yǎng)護28 d抗壓強度達到25.6 MPa?！　×蜾X酸鈣是普通硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物，具有良好的早期強度。鋁酸鹽和硫酸鈣是合成硫鋁酸鈣的主要成分。赤泥是一種高堿度的鋁硅酸鹽原料，石油焦渣含大量的氧化鈣和硫酸鈣。赤泥基膠凝材料的水化反應產(chǎn)物如圖5?！　∮蓤D5中可以看出，水化產(chǎn)物的主要物相是鈣釩石、赤鐵礦、方解石、硬石膏和硫酸鈣鐵礦物。其中，赤鐵礦來源于拜耳法赤泥，硬石膏和方解石均來源于脫硫石油焦渣?！　「哓惱厮嗍炝纤?，溶液的溫度和堿度提高；脫硫石油焦渣中氧化鈣形成氫氧化鈣，消耗大量的水，溶液的pH值升高；赤泥中硅鋁酸鹽礦物解聚并與溶液中Ca2+和SO42-反應形成鈣礬石和水合硅酸鈣。石油焦渣含大量的氧化鈣和硫酸鈣可代替石膏和石灰，對赤泥激發(fā)效果顯著，外加鈣源可以提高膠凝材料強度。水泥熟料水化產(chǎn)生氫氧化鈣有利于赤泥的激發(fā)。大量的消耗赤泥和石油焦渣，增加固體廢棄物的利用?！　」桎X酸鹽礦物溶解速率低，大部分不參與反應，這是地聚合物抗壓強度不足的主要原因。因此，下一步要對拜耳法赤泥進行活化處理增加硅鋁溶出率，添加含硅鋁酸鹽固體廢棄物提高硅鋁含量和硅鋁比，提高膠凝材料的抗壓強度?！　?總結　?。?）目前的赤泥激發(fā)工藝中，燒結法赤泥更容易進行激發(fā)，熱活化和水玻璃激發(fā)效果顯著，激發(fā)得到的膠凝材料抗壓強度高于25 MPa；由拜爾法赤泥激發(fā)制備的膠凝材料抗壓強度較低，針對拜耳法赤泥進行激發(fā)的研究還遠遠不足。　?。?）赤泥/高貝利特水泥熟料質量比為3/1，石油焦渣占粉體總量40%，水膠比為0.4，當膠砂比為1∶3時，制備赤泥基堿激發(fā)膠凝材料，經(jīng)標準養(yǎng)護28 d抗壓強度達到25.6 MPa?！　。?）赤泥中硅鋁酸鹽礦物在堿激發(fā)劑作用下，解聚為單體，單體再聚合為聚合物，最后生成C-S-H和C-A-S-H凝膠，是赤泥基堿激發(fā)材料產(chǎn)生強度的主要原因。

  2024-12-11 17:06:21查看詳情>>
• 高爐礦渣特性對其活性和立磨生產(chǎn)的影響

  　　高爐礦渣是高爐冶煉過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，其主要化學成分為CaO、SiO2、Al2O3和MgO，其中含有Ti、S等微量元素，經(jīng)研究，Ti含量的變化會影響高爐礦渣沖制過程中泡沫渣的含量。高爐不同的沖渣方式，導致高爐渣在高溫冷卻的速度不同，產(chǎn)生的高爐礦渣的結構也不同。同時高爐礦渣本身化學成分的波動，對高爐礦渣的排水、礦渣立磨的煤耗和臺時產(chǎn)量以及礦渣粉的活性有密切的影響?！　?試驗　　1.1原料　　我公司高爐產(chǎn)生的高爐礦渣，以及利用該高爐礦渣生產(chǎn)的礦渣粉，化學成分見表1?！　?.2高爐沖渣和立磨工藝布局　　我公司采用印巴法和明特法沖制高爐礦渣，經(jīng)皮帶運輸至高爐礦渣料場，經(jīng)自然堆放和晾曬72h后，作為礦渣立磨原料。礦渣立磨型號為德國萊歇生產(chǎn)的LM56.3+3，配套140GJ供熱能力的熱風爐?！　?.3試驗方法　?。?）采用德國Bruke D8 Advance型X射線衍射儀分析不同沖渣制度下的高爐礦渣礦物結構。　?。?）使用實驗室小磨，將烘干好的3kg高爐礦渣，粉磨40min后，測定比表面積，表征高爐礦渣易磨性?！　。?）按照GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》中的膠砂強度比法測定礦渣粉活性指數(shù)?！　?結果與討論　　2.1不同沖渣方式對高爐礦渣礦物結構、易磨性和活性的影響　　測試了明特法與印巴法沖制的高爐礦渣的礦物組成，見圖1，可知明特法沖制的高爐礦渣含有大量的鈣鋁黃長石（Ca2Al2SiO7）晶體，以及小部分的鎂薔薇輝石（Ca3MgSi2O8）晶體，通過定性分析，玻璃體的含量遠小于鈣鋁黃長石晶體的含量，而鈣鋁黃長石晶體抑制礦渣粉的水化活性，其活性主要是玻璃體在堿性環(huán)境下的解聚產(chǎn)生的，通過對比可知，印巴法的熱水沖渣制度下的礦渣，鈣鋁黃長石的晶體含量極少，且晶體形式主要以微晶狀態(tài)存在，玻璃體含量高?！　y試了明特法與印巴法沖制的高爐礦渣的易磨性和活性指數(shù)，見表2，結合上述圖1的XRD圖譜可知：印巴法冷卻液態(tài)渣速度較快，礦物結構以玻璃體為主，包含較高的能量，其機械粉磨做功較小，導致其易磨性（比表面積）較明特法沖制的高爐礦渣高30m2/kg，7d和28d活性指數(shù)分別高13%和12%。下文所討論高爐礦渣和礦渣粉都采用印巴法沖制。　　圖1明特法與印巴法兩種沖渣制度下的礦渣粉的XRD圖　　2.2高爐礦渣化學成分對活性的影響　　礦渣粉主要的結構為玻璃體結構，其水化活性的來源為高溫的液態(tài)渣經(jīng)急冷保存下來的能量，主要是其中的Al2O3經(jīng)水化環(huán)境中的Ca(OH)2激活，反應生成具有膠凝特性的絮狀結構的C-A-H（鋁膠結構），C-A-H又與水化體系中的SO3反應，生成具有針棒狀的AFt（鈣礬石），在水泥硬化漿體中起骨架結構，增強水泥體系強度，宏觀表征為礦渣粉具有活性。因此綜合上述分析，影響礦渣粉活性的主要因素包含礦渣粉的Al2O3、SiO2和玻璃體含量?！　⊥ㄟ^圖2可知，Al2O3和SiO2含量的波動對礦渣粉的7d活性指數(shù)有較顯著的影響，這是因為當?shù)V渣中Al2O3含量高時，液態(tài)高爐渣的黏度較高，不易形成鈣鋁黃長石微晶，同時礦渣中玻璃體中的主要水化活性物質Al2O3較高。而礦渣中SiO2含量高時，礦渣的活性會出現(xiàn)明顯的下降。因此需對兩者綜合考慮?！　D2礦渣中Al2O3和SiO2的含量變化與其7d活性指數(shù)的關系　　2.3高爐礦渣化學成分對易磨性的影響　　礦渣的易磨性不僅受到其沖渣方式的影響，也受到其化學成分的影響，分析了高爐礦渣中的化學成分對礦渣的易磨性和對立磨臺時產(chǎn)量的影響，見圖3，可見：在相同沖渣方式下，隨著高爐礦渣中SiO2含量由32%上升至34%，高爐礦渣比表面積由420m2/kg降至400m2/kg?！　?.4高爐礦渣堆積密度對水分、立磨臺時產(chǎn)量和煤耗的影響　　統(tǒng)計了2018年5月至6月時間段的高爐礦渣堆積密度和水分的數(shù)據(jù)，見圖4，可知：從2018年5月下旬至6月，高爐礦渣堆積密度呈不斷下降趨勢，同時，高爐礦渣水分呈不斷上升的趨勢，表明了高爐礦渣堆積密度與水分有直接關系?！　“凑杖肽ジ郀t礦渣的水分≤8.5%的要求，從圖5中可以得出，對應的高爐礦渣堆積密度臨界點為1060kg/m3，因此要求高爐礦渣的堆積密度不小于1060kg/m3，否則將嚴重影響礦渣粉的臺時產(chǎn)量、煤耗等。圖6為2018年5月份和6月份高爐礦渣水分對礦渣磨機臺時產(chǎn)量曲線圖，可以看出，隨著礦渣水分增加，磨機的臺時產(chǎn)量下降，主要原因為，高爐礦渣水分提高，磨機運行工況不穩(wěn)定?！　⊥瑫r，因高爐礦渣水分的提高，礦渣磨機的煤耗也呈上升趨勢，通過測算可知，高爐礦渣水分每上升1%，礦渣立磨煤耗上升約0.5kg/t?！　D3高爐礦渣化學成分與易磨性變化對應關系　　圖4 2018年5月份和6月份高爐礦渣堆積密度和水分的變化趨勢　　圖5高爐礦渣堆積密度和水分的關系　　圖6高爐礦渣水分對立磨臺時產(chǎn)量的影響　　3結論　?。?）印巴法沖制的高爐礦渣結構主要為活性高的玻璃體結構，明特法沖制的高爐礦渣主要為活性低的鈣鋁黃長石（Ca2Al2SiO7）晶體結構，且印巴法沖制的高爐礦渣易磨性要高于明特法沖制的?！　。?）高爐礦渣堆積密度≥1060kg/m3時，經(jīng)堆放72h自然排水后，高爐礦渣水分可以控制在8.5%，有利于立磨煤耗的降低和臺時產(chǎn)量的提高?！　。?）高爐礦渣中SiO2化學成分的升高會降低礦渣磨機臺時產(chǎn)量?！　。?）高爐礦渣中對活性指數(shù)有益的化學成分為Al2O3，其對活性不利的成分為SiO2。　　作者：日照鋼鐵控股集團有限公司梁曉杰　　編輯：冶金渣與尾礦　　文章僅用于技術交流分享，如有冒犯請聯(lián)系我們刪除，感謝理解。

  2024-12-09 14:43:03查看詳情>>
• 鋼渣礦渣基全固廢膠凝材料的水化反應機理

  　　為了促進鋼鐵冶金渣的高附加值應用，以鋼渣、礦渣和脫硫石膏為原料制備膠凝材料，研究了不同摻量CaO或Na2SO4對膠凝材料的化學活化作用，并利用XRD、SEM對摻入激發(fā)劑膠凝材料的水化產(chǎn)物進行了分析。結果表明，摻入少量CaO或者Na2SO4的膠凝材料凈漿試塊早期抗壓強度會有一定的提高，后期強度變化不大；但當Na2SO4摻量超過2%時，凈漿試塊的抗壓強度會降低。摻入激發(fā)劑對膠凝材料的水化產(chǎn)物種類不會造成影響，其水化產(chǎn)物主要包括鈣礬石(AFt)、水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠和氫氧化鈣(CH)?！　?引言　　2013年，我國鋼鐵行業(yè)冶煉廢渣產(chǎn)生量約4.13億噸，但是鋼渣的綜合利用率還相對較低。付衛(wèi)華等開展了鋼渣的膠凝性能研究，結果表明：純鋼渣與水拌合后可緩慢硬化，但鋼渣的膠凝性能很弱。Yan等等研究了鋼渣膠凝材料的高溫激發(fā)特性，結果表明，高溫能夠促進鋼渣的水化反應，加速水化產(chǎn)物的生成。Takashima在800～1450℃將鋼渣高溫激發(fā)，可使鋼渣中的γ-C2S(低膠凝性能)轉變成為α型或α’型C2S(高膠凝性能)，再急冷后，得到的鋼渣中含α型或α’型C2S較多，然后將這種被改性后的鋼渣被作為高活性的摻合料使用在建筑工程水泥混凝土中，但是高溫激發(fā)難以控制。采用化學激發(fā)法提高膠凝材料反應活性，系統(tǒng)的研究它們的激發(fā)規(guī)律，并分析它們的水化反應產(chǎn)物激發(fā)機理，這對全固廢膠凝材料的開發(fā)和應用有重要意義。徐彬等的研究結果表明堿激發(fā)劑硅酸鈉能夠提高鋼渣水泥的力學性能，摻硅酸鈉的鋼渣水泥28 d強度達到56.4 MPa。胡曙光等以水玻璃為激發(fā)劑激發(fā)鋼渣水泥活性，當外加劑摻量不超過3%時，鋼渣水泥的強度較快增長，當外加劑摻量超過3%時，28 d強度甚至有一定的下降。Tian等研究結果表明，摻入硫酸鈉的鋼渣-礦粉膠凝材料水化反應主要生成C-S-H凝膠、AFt晶體及少量的Ca(OH)2晶體。Cengiz等利用氫氧化鈉、水玻璃和碳酸鈉對鋼渣進行活性激發(fā)，結果表明不同的激發(fā)劑均能對鋼渣活性起到一定的激發(fā)作用。所以本課題選用CaO和Na2SO4作為激發(fā)劑，研究這兩種激發(fā)劑對膠凝材料的化學活化規(guī)律，為促進鋼鐵冶金渣的高附加值應用奠定基礎?！　?試驗　　2.1試驗原料　　圖1鋼渣的XRD圖譜　　Fig.1 XRD pattern of steel slag　　鋼渣：由河北省武安市裕華鋼鐵有限公司提供，其XRD圖譜如圖1，鋼渣中含有較多的玻璃相，其主要礦物相為RO相(MgO、FeO和MnO的固溶體)、C3S、C2S、C2F、和少量CaO。礦渣采用河北金泰成建材股份有限公司提供的高爐水淬礦渣。脫硫石膏采用北京石景山熱電廠提供的脫硫石膏。原料的化學成分分析結果見表1。　　根據(jù)Mason B提出的評價鋼渣的堿度值(M)的計算辦法，本課題所用鋼渣的堿度為：M=w(CaO)/[w(SiO2)+w(P2O5)]=2.07，屬于中堿度渣。　　表1主要原料化學成分分析結果(質量分數(shù)，%)　　Tab.1 Chemical composition of raw materials(mass fraction，%)　　2.2試驗方法　　將破碎后的鋼渣采用球磨機進行粉磨，試驗中所用的球磨機為SMφ500×500試驗磨。將鋼渣、礦渣、石膏分別粉磨至比表面積為560 m2/kg、580 m2/kg和640 m2/kg，按鋼渣、礦渣、石膏的質量比為20∶68∶12比例混合制備膠凝材料，分別外摻入膠凝材料不同質量分數(shù)的CaO或者Na2SO4，水膠比0.20，PC減水劑采用外摻法，摻量為膠凝材料質量的0.4%，制備30 mm×30 mm×50 mm的凈漿試塊，采用標準養(yǎng)護(溫度(20±1)℃、相對濕度不低于90%)，1 d后拆模，繼續(xù)在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護，按照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》分別測試試塊的強度，利用XRD對膠凝材料水化產(chǎn)物進行分析，研究兩種激發(fā)劑對全固廢膠凝材料的化學活化作用。試驗方案見表2。　　表2激發(fā)劑對全固廢膠凝材料活化作用試驗方案　　Tab.2 Test plan of activation on cementitious materials by exciting agent/%　　續(xù)表　　3結果與討論　　3.1 CaO摻量對膠凝材料性能的影響　　3.1.1 CaO摻量對膠凝材料凈漿試塊力學性能的影響　　不同摻量CaO對凈漿試塊抗壓強度的影響結果見圖2所示。　　圖2 CaO摻量對膠凝材料凈漿試塊抗壓強度的影響　　Fig.2 Effect of different CaO content on compressive strength of cementitious materials paste　　從圖2中可以看出，CaO的摻入能夠在一定程度上激發(fā)全固廢膠凝材料的水化反應活性，凈漿試塊的早期抗壓強度會有一定的提高。在3 d齡期時，隨著CaO摻量的增加，凈漿試塊的抗壓強度略有提高，但當CaO摻量達到3%以后，抗壓強度的增長不大。主要是由于CaO摻入以后，在反應初期能夠迅速與水發(fā)生反應，生產(chǎn)Ca(OH)2，使得體系的pH值迅速提高，OH-不斷和鋼渣、礦渣顆粒表面接觸，使鋼渣和礦渣的表面遭到“破壞”，促進鋼渣和礦渣的水化，縮短反應周期，同時還能夠提供較多的Ca2+，促進水化產(chǎn)物的形成。但當養(yǎng)護至7 d和28 d齡期時，摻入CaO的試樣抗壓強度和未摻入CaO的試樣抗壓強度差別不大，主要是由于在水化反應進行一段時間之后，體系的pH值和離子濃度趨于平衡狀態(tài)，水化產(chǎn)物的生成主要靠鋼渣和礦渣的水化反應來生成，CaO的激發(fā)作用有限?！　?.1.2不同CaO摻量膠凝材料XRD分析　　不同摻量CaO膠凝材料在3 d、28 d齡期時的XRD圖譜見圖3和圖4所示?！　D3不同CaO摻量膠凝材料3 d齡期XRD圖譜　　Fig.3 XRD patterns of cementitious materials with different CaO content at 3 d curing age　　圖4不同CaO摻量膠凝材料28 d時XRD圖譜　　Fig.4 XRD patterns of cementitious materials with different CaO content at 28 d curing age　　從圖3中可以看出，CaO摻入以后對全固廢膠凝材料的水化反應產(chǎn)物種類不會造成影響。摻CaO的膠凝材料的早期水化產(chǎn)物物相中主要包括鈣礬石(AFt)、氫氧化鈣(CH)，以及未參與水化反應的硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、RO相和石膏。在3 d齡期時鈣礬石的波峰有增強的趨勢，表明CaO摻入以后促進了鈣礬石的生成。主要是由于CaO摻入之后，在水化反應早期，體系的pH值和Ca2+濃度迅速提升，在脫硫石膏和堿性環(huán)境的激發(fā)作用下，礦渣中硅(鋁)氧四面體發(fā)生解離，溶出部分可溶硅(鋁)，與體系中的Ca2+形成C-S-H凝膠和AFt等水化產(chǎn)物。隨著水化產(chǎn)物的逐漸形成，礦渣表面與溶液之間偏鋁酸根溶解平衡被不斷打破，促進鋁氧四面體從礦渣玻璃表遷移出來，破壞了硅氧四面體與鋁連接使礦渣玻璃體表面的硅(鋁)氧四面體聚合度快速下降，剩余的硅(鋁)氧四面體的活性又再次被激發(fā)，而發(fā)生解離的礦渣溶出的低聚硅酸根離子和鋁酸根離子又可以吸收一定量的Ca(OH)2生成C-S-H凝膠和AFt等水化產(chǎn)物。這也是膠凝材料強度持續(xù)增長的原因。對比M3、M4和M5可以發(fā)現(xiàn)，鈣礬石的波峰差別不大，這表明當CaO摻量超過3%時，體系的Ca2+濃度近于飽和狀態(tài)，再繼續(xù)增加對于鈣礬石的生成貢獻值降低。從圖4可以看出，在28 d齡期時，各組膠凝材料的水化產(chǎn)物中石膏的波峰逐漸消失，其它各組各水化產(chǎn)物的波峰形狀非常接近，表明CaO的摻量對全固廢膠凝材料28 d水化產(chǎn)物影響不大。　　3.1.3不同摻量CaO膠凝材料凈漿試塊SEM分析　　按照表2所示方案，制備M1和M3組膠凝材料，即膠凝材料中CaO摻量分別為0%和3%，分別外摻0.4%的PC高效減水劑，水膠比0.20，制備凈漿試塊，采用標準養(yǎng)護，在規(guī)定齡期取樣，利用SEM對膠凝材料的微觀形貌進行分析。圖5和圖6分別為M1和M3組膠凝材料在3 d和28 d齡期時的SEM照片?！　D5不同摻量CaO膠凝材料3 d齡期時的SEM照片　　Fig.5 SEM images of cementitious materials with different CaO content at 3 d curing age　　圖6不同摻量CaO膠凝材料28 d齡期時的SEM照片　　Fig.6 SEM images of cementitious materials with different CaO content at 28 d curing age　　從圖5中可以看出，在3 d齡期時，摻入3%CaO的膠凝材料水化產(chǎn)物(M3)中AFt的生成量要明顯多于未摻入CaO的膠凝材料(M1)。而且還可以發(fā)現(xiàn)，M3組膠凝材料水化產(chǎn)物中的AFt明顯要比M1組的粗壯一些，表明適量CaO摻入以后，在反應初期能夠迅速與水發(fā)生反應，生成Ca(OH)2，使得溶液中的Ca2+和OH-顯著增多，體系pH值快速升高，OH-和鋼渣、礦渣顆粒表面接觸，使鋼渣和礦渣表面遭到“破壞”，促進鋼渣和礦渣的水化，整個體系的Ca/Si快速升高，促進體系中AFt晶體的生成和長大，導致膠凝材料的水化反應誘導期提前，早期抗壓強度升高?！　膱D6中可以看出，水化反應至28 d齡期時，M1和M3組膠凝材料水化產(chǎn)物的微觀形貌沒有太大的區(qū)別。主要是在水化反應進行一段時間之后，體系的pH值和離子濃度趨于平衡狀態(tài)，水化產(chǎn)物的生成主要靠鋼渣和礦渣的水化反應來生成，反應所生成的C-S-H凝膠和AFt的總量主要由鋼渣和礦渣的水化程度來決定，這也驗證了CaO的摻入，對于膠凝材料后期強度影響不大的結論，同時這與3.1.1和3.1.2節(jié)所得結論相一致。隨著反應的持續(xù)進行，C-S-H凝膠和AFt已經(jīng)緊密的結合在一起，相互交織，整個體系形成了較為致密的結構?！　?.2 Na2SO4摻量對膠凝材料性能的影響　　3.2.1 Na2SO4摻量對凈漿試塊力學性能的影響　　不同摻量Na2SO4對凈漿試塊抗壓強度的影響結果見圖7所示?！　D7 Na2SO4摻量對膠凝材料凈漿試塊抗壓強度的影響　　Fig.7 Effect of different Na2SO4 content on compressive strength of cementitious materials paste　　從圖7中可以看出，Na2SO4的摻入對全固廢膠凝材料的力學性能有較大影響，膠凝材料各個齡期的抗壓強度先增大后減小。當摻量為1%時，抗壓強度值最大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是，少量Na2SO4摻入以后，圖片會與體系中的Ca2+相結合，Na2SO4的溶解平衡被打破，體系堿性提高，使得鋼渣、礦渣等的水化反應速度加快，水化程度加深，體系強度增加。但是當Na2SO4摻入量超過2%時，膠凝材料的抗壓強度顯著下降，主要是由于體系中水化產(chǎn)物生成速度過快，并且相互交織在一起，迅速形成具有一定結構的硬化漿體，而這部分硬化漿體由于水化產(chǎn)物分布不均勻，鑲嵌不均造成局部大孔較多，新生成的水化產(chǎn)物不能及時填充，呈現(xiàn)出孔隙較大的不良結構，造成抗壓強度較低。當Na2SO4摻量達到4%時，還會出現(xiàn)較為明顯的泛霜現(xiàn)象。因此，全固廢膠凝材料中Na2SO4的較合適摻量為1%?！　?.2.2不同摻量Na2SO4膠凝材料XRD分析　　不同摻量Na2SO4的膠凝材料在3 d、28 d齡期時的XRD圖譜見圖8和圖9所示?！　D8不同Na2SO4摻量膠凝材料3 d時XRD圖譜　　Fig.8 XRD patterns of cementitious materials with different Na2SO4 content at 3 d curing age　　圖9不同Na2SO4摻量膠凝材料28 d時XRD圖譜　　Fig.9 XRD patterns of cementitious materials with different Na2SO4 content at 28 d curing age　　從圖8和圖9中可以看出，Na2SO4的摻入對全固廢膠凝材料的水化反應產(chǎn)物種類不會造成影響。3 d齡期時，摻Na2SO4的膠凝材料的水化產(chǎn)物物相中主要包括鈣礬石(AFt)、氫氧化鈣(CH)，以及未參與水化反應的硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、RO相和石膏。對比圖6中的譜線可以看出，隨著Na2SO4的摻入，鈣礬石的波峰有增強的趨勢，衍射峰在25°～35°之間的“凸包”現(xiàn)象也愈發(fā)明顯，表明Na2SO4摻入以后促進了水化產(chǎn)物鈣礬石和C-S-H凝膠的生成。主要是由于Na2SO4可以為水化反應體系提供更多的圖片，使得水化反應向著有利于生成膠凝物質的方向移動。鋼渣中的硅酸鹽、鋁酸鹽礦物成鍵結構主要是硅氧鍵和鋁氧鍵，多以[SiO4]和[AlO4]或[AlO6]的形式存在，其中活性較高的顆粒在堿性環(huán)境條件下迅速溶解，并釋放出大量的OH-、Ca2+、硅(鋁)溶解物等，Na+可以在堿性環(huán)境中能夠將鋼渣中的Ca2+置換出來，形成了富含Ca2+、[Al(OH)6]3-、圖片、[H3SiO4]-、OH-等離子的液相，這些離子又可以重新結合，使得鋼渣中的硅氧鍵和鋁氧鍵不斷斷裂，鋼渣也隨之源源不斷地溶解，針棒狀的AFt晶體穿插于C-S-H凝膠之中，使得硬化漿體的結構逐漸密實，抗壓強度也隨之增大。AFt晶體生成的同時也促使礦渣中硅氧四面體的Si-O鍵持續(xù)不斷的斷裂，進而在堿性溶液中與Ca2+反應生成C-S-H凝膠。隨著水化反應的持續(xù)進行，鋼渣也不斷水化并生成Ca(OH)2，而礦渣持續(xù)水化吸收體系中的Ca2+，反過來又促進鋼渣水化程度的加深。到28 d齡期時各水化產(chǎn)物的波峰形狀非常接近，表明Na2SO4的摻量對全固廢膠凝材料28 d水化產(chǎn)物影響不大。　　3.2.3不同摻量Na2SO4膠凝材料凈漿試塊SEM分析　　按照表2所示方案，制備N1和N2組膠凝材料，分別外摻0.4%的PC高效減水劑，水膠比0.20，制備凈漿試塊，采用標準養(yǎng)護，在規(guī)定齡期取樣，利用SEM對膠凝材料的微觀形貌進行分析。圖10和圖11分別為N1和N2組膠凝材料3 d和28 d齡期時的SEM照片?！　D10不同摻量Na2SO4膠凝材料3 d時SEM照片　　Fig.10 SEM images of cementitious materials with different Na2SO4 content at 3 d curing age　　圖11不同摻量Na2SO4膠凝材料28 d時SEM照片　　Fig.11 SEM images of cementitious materials with different Na2SO4 content at 28 d curing age　　從圖10中可以看出，在3 d齡期時，摻入1%Na2SO4的膠凝材料水化產(chǎn)物(N2)中AFt的生成量要明顯多于未摻入Na2SO4的膠凝材料(N1)。而且還可以發(fā)現(xiàn)，N2組膠凝材料水化產(chǎn)物中的AFt明顯要比N1組的粗壯一些，表明適量Na2SO4摻入以后，使得體系中圖片離子濃度增大，使得水化反應向著水化產(chǎn)物增加的方向移動，同時還能在一定程度上提高體系中液相的pH值，增強堿性環(huán)境，為AFt的生成創(chuàng)造環(huán)境，促進體系中AFt晶體的生成和長大。另一方面，Na2SO4的加入能夠有效促進鋼渣和礦渣中的網(wǎng)格狀玻璃體結構的破壞，并解離出[SiO4]4-和[AlO4]5-，進而與Ca2+、OH-相結合，生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠。水化鋁酸鈣凝膠進一步和圖片結合可以生成水化硫鋁酸鈣。體系中所生成的凝膠和AFt相互交織在一起，隨著反應的持續(xù)進行，水化產(chǎn)物不斷由低聚合度向高聚合度轉變，促進了強度的進一步增長。加入Na2SO4后，Na+也能夠有效促進鋼渣和礦渣中網(wǎng)格玻璃體解聚和分離，生成陰離子團，進而促進水化反應的進行。體系中，Ca2+、Na+、圖片相互依存，共同促進了水化反應的進行，試塊的強度也逐漸提高?！　膱D11中可以看出，水化反應至28 d齡期時，N1和N2組膠凝材料水化產(chǎn)物的微觀形貌沒有太大的區(qū)別。主要是在水化反應進行一段時間之后，體系的pH值和離子濃度趨于平衡狀態(tài)，水化產(chǎn)物的生成主要靠鋼渣和礦渣的水化反應來生成，適量Na2SO4的摻入，對于膠凝材料后期強度影響不大。反應所生成的C-S-H凝膠和AFt晶體已經(jīng)緊密的結合在一起，相互交織，整個體系形成了較為致密的結構，這與3.2.1和3.2.2節(jié)所得結論相一致?！　⊥ㄟ^3.1節(jié)和3.2節(jié)的研究結果可以看出，在鋼渣礦渣基膠凝材料體系中摻入適量的CaO或者Na2SO4，能夠促進早期水化反應的進行，進而提高早期強度。同時，激發(fā)劑的摻入對于試塊后期強度和水化產(chǎn)物影響不大。研究結果表明，在鋼渣礦渣基膠凝材料體系中，當鋼渣摻量達到40%時，試塊兒的早期強度會明顯降低，鋼渣的大摻量和早期強度相互矛盾，因此如果需要盡可能使用較多的鋼渣，同時還要求較高的早期強度，即可考慮在體系中摻入合適比例的CaO或者Na2SO4?！　?結論　　(1)CaO或Na2SO4作為激發(fā)劑摻入以后對全固廢膠凝材料的活性影響較為明顯。CaO較為適宜的摻量為3%，而Na2SO4較為適宜的摻量則為1%。相比較而言，CaO對于膠凝材料試塊早期強度的提高作用大于Na2SO4，因此，如果要盡提高鋼渣礦渣基全固廢膠凝材料試塊的水化反應早期強度，摻入3%的CaO可能更為適宜;　　(2)CaO或Na2SO4的摻入對全固廢膠凝材料的水化反應產(chǎn)物種類不會造成影響。主要包括鈣礬石(AFt)、水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)和氫氧化鈣(CH)，以及未參與水化反應的硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、RO相和石膏。合適摻量的激發(fā)劑能夠在一定程度上促進膠凝材料水化反應的進行?！　∽髡撸捍扌?nbsp; 狄燕清  倪文　　編輯：固廢利用與低碳建材　　轉載此文是出于傳遞更多信息之目的。若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益，請與我們聯(lián)系，我們將及時更正。

  2024-12-09 14:39:31查看詳情>>
• 洛陽綠筑建筑材料有限公司在近期成功通過了三體系認證和綠色建材三星級認證

  　　洛陽綠筑建筑材料有限公司在近期成功通過了三體系認證和綠色建材三星級認證，這一成就標志著公司在質量、環(huán)境和職業(yè)健康安全管理方面，以及綠色建材生產(chǎn)領域達到了行業(yè)內(nèi)的領先水平?！　÷尻柧G筑建筑材料有限公司成立于2019年4月11日，注冊資金3000萬元，是一家國家級科技型中小企業(yè)。自成立以來，公司一直致力于研發(fā)和生產(chǎn)低碳、環(huán)保的建筑材料，以滿足市場對綠色建材日益增長的需求。　　在三體系認證方面，洛陽綠筑建筑材料有限公司嚴格按照ISO9001質量管理體系、ISO14001環(huán)境管理體系和ISO45001職業(yè)健康安全管理體系的標準要求，建立了完善的管理體系，并通過了權威機構的認證審核。這一認證不僅證明了公司在質量、環(huán)境和職業(yè)健康安全方面的管理能力達到了國際標準，也彰顯了公司對產(chǎn)品品質、環(huán)境保護和員工健康的重視?！　≡诰G色建材三星級認證方面，洛陽綠筑建筑材料有限公司憑借其先進的生產(chǎn)技術和環(huán)保理念，成功通過了嚴格的認證流程。公司研發(fā)的綠色再生膠凝材料等產(chǎn)品，不僅在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，還大大降低了能耗和污染物排放，完全符合綠色建材三星級認證的標準要求。　　洛陽綠筑建筑材料有限公司的成功認證，不僅是對公司自身實力和努力的肯定，也是對公司未來持續(xù)發(fā)展的有力保障。通過認證，公司將進一步提升品牌形象和市場競爭力，為客戶提供更優(yōu)質、更環(huán)保的建筑材料產(chǎn)品和服務?！　〈送猓尻柧G筑建筑材料有限公司還積極參與行業(yè)標準的制定和產(chǎn)學研合作，與東北大學、遼寧省固廢產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新研究院、中建科技集團有限公司等單位建立了緊密的合作關系，共同推動建筑材料國家行業(yè)標準的綠色轉型和可持續(xù)發(fā)展?！　【C上所述，洛陽綠筑建筑材料有限公司的三體系認證和綠色建材三星級認證成功，是公司發(fā)展歷程中的重要里程碑，也是公司對未來發(fā)展的堅定承諾。公司將繼續(xù)秉承綠色、環(huán)保、創(chuàng)新的理念，為推動建筑材料行業(yè)的綠色轉型和可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻。

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