低碱度钢渣水热性能研究

低碱度钢渣水热性能研究

由于低碱度钢渣活性低，国家黑色冶金行业标准yb-t02-92明确规定了水泥中的低碱度。w（cao）w（sio2）+w（p2o5）w（ca）w（si）2）w（25））值小于1.8，即1.8。低碱度钢渣的合理使用对环境保护和自然资源的恢复具有现实意义。近年来,徐光亮等人在蒸压条件下对低碱度钢渣进行了研究,其研究重点是低碱度钢渣基油井及地热井胶凝材料.他们以2.0MPa以上的饱和蒸汽压对CFS和C3MS2矿物进行长时间蒸压处理,结果C3MS2矿物全部参与反应,水化产物为富镁的水化硅酸钙;CFS到240℃时才发生微量的水化,到300℃时发生完全水热反应,其产物为富铁的水化硅酸钙.在185℃条件下低碱度钢渣的水热特性及其水化机理有待进一步研究.1种钢渣及钢渣-石灰蒸压系统的红外光谱商品熟石灰,其有效CaO含量1)为49.48%,化学组成如表1所示,矿物组成则主要为氢氧化钙以及少量碳酸钙;钢渣选用广州某钢厂于不同时间出炉的电炉氧化渣,将它们磨细至比表面积为370m2/kg,密封备用,并分别以OS(Ⅰ)和OS(Ⅱ)表示.2种钢渣的化学组成见表2,其碱度分别为0.93,1.13,因此,它们属低碱度钢渣.图1为2种低碱度钢渣的XRD图.由图1可见,2种钢渣的矿物组成均主要为RO相(FeO,MgO等的固溶体)、镁蔷薇辉石(merwinite,CM)、钙铝黄长石(gehlenite,C2AS)、钙铁橄榄石(kirschsteinite,CF)、碳酸钙(calcite,Ca)和玻璃相.相对OS(Ⅱ)而言,OS(I)中RO相和钙铁橄榄石较多;2种钢渣中的硅主要存在于镁蔷薇辉石中,少量存在于钙铝黄长石、钙铁橄榄石以及玻璃相中.2种钢渣及钢渣-石灰蒸压系统的红外光谱图如图2所示.在图2(a)OS(Ⅰ)的红外光谱图中(曲线1),982cm-1吸收峰归属于Si—O伸缩振动峰,517cm-1吸收峰为Si—O弯曲振动峰.982,919,881,869(肩),517和417cm-1等处的吸收峰共同组成了镁蔷薇辉石的红外光谱.1427cm-1吸收峰归属于碳酸钙中C—O振动.图2(b)中,OS(Ⅱ)的红外光谱图(曲线1)与OS(Ⅰ)差别不大.979,917cm-1吸收峰为Si—O伸缩振动峰;518cm-1吸收峰为Si—O弯曲振动峰.979,917,884(肩),860(肩),518cm-1等吸收峰组成了镁蔷薇辉石的红外光谱.1434cm-1吸收峰为碳酸钙C—O振动峰.1.2试验结果的预处理将钢渣与石灰混合均匀,按水固比0.20加水,搅拌均匀后,在圆柱体试模中成型.成型压力均为0.6MPa,试件尺寸为Φ36mm×36mm.将成型好的每组试件分别放入塑料盒中加盖密封,常温下静停16h后,放入蒸压釜中,按照一定的蒸压制度(升温-恒温-降温时间(h):2-X-2,这里的X为最高温度下的恒温养护时间)进行蒸压处理.2结果与讨论2.1大学生蒸压试验结果分析将2种钢渣与石灰按照不同钙硅比混合均匀,加水搅拌、成型、静停后,在蒸压釜内以1.2MPa饱和蒸汽压恒温蒸压6h,所得制品的抗压强度如图3所示.由图可见,2种钢渣的蒸压试件抗压强度表现出明显的差异.其中,OS(Ⅰ)蒸压试件在钙硅比为0.99,OS(Ⅱ)蒸压试件在钙硅比为1.21时的抗压强度分别表示不掺石灰的纯钢渣蒸压试件抗压强度.显然,此时OS(Ⅰ)蒸压试件的抗压强度极低,而OS(Ⅱ)蒸压试件的抗压强度很高.石灰掺量为固体总量的5%时(此时OS(Ⅰ)蒸压试件的钙硅比为1.12;OS(Ⅱ)蒸压试件的钙硅比为1.33),2种蒸压试件的抗压强度达到了最大值,且OS(Ⅱ)蒸压试件的最大抗压强度值明显高于OS(Ⅰ)蒸压试件.随着钙硅比的加大,2种钢渣蒸压试件的抗压强度下降.为了解2种钢渣蒸压试件抗压强度差异的原因,利用盐酸蔗糖法测定了2种钢渣蒸压试件在各钙硅比下的残余有效CaO含量,结果见图4(图中的CaO消耗量没有考虑钢渣自身的CaO消耗量).同时,利用烧失量法测定2种钢渣蒸压试件中的结合水量,结果如图5.由图5可见,在相同蒸压条件、相同钙硅比的条件下,OS(Ⅱ)蒸压试件的结合水量大于OS(Ⅰ)蒸压试件;随着钙硅比的增大,2种钢渣蒸压试件的结合水量逐渐增加,随后趋于稳定.这一规律与图3所示的钢渣蒸压试件抗压强度的变化规律并不一致.造成这一现象的原因是,当石灰掺量较低时(5%),钢渣在氢氧化钙激发作用下大量参与水化反应,系统中未反应的氢氧化钙较少;随着石灰的继续加入,钢渣蒸压试件中水化产物逐步增加,同时未反应的氢氧化钙快速增加(见图4),从而导致钢渣蒸压试件的抗压强度下降.可以认为,水化产物较多是造成OS(Ⅱ)蒸压试件抗压强度较高的原因.那么,为什么2种钢渣蒸压试件的水化产物量会产生明显差异?在室温下将2种钢渣分别浸泡在1%氢氟酸(HF)溶液中16h,过滤后将残渣放在950℃下灼烧30min,测得它们的酸溶出量分别为45.38%和51.33%.图6为OS(Ⅰ)在酸溶前后的XRD图.图中显示,其RO相变化不大.溶出物中主要包括镁蔷薇辉石、钙铝黄长石、钙铁橄榄石以及玻璃相等.根据前面的XRD定性分析可知,相对OS(Ⅱ)而言,OS(Ⅰ)中存在较多的钙铁橄榄石,且它们在1.2MPa饱和蒸汽压下没有或很少参与反应.因而,可以认为由于OS(Ⅰ)中镁蔷薇辉石、钙铝黄长石以及玻璃相等可能参与水化反应物相的量少于OS(Ⅱ),导致其形成的水化产物量明显减少,最终导致2种钢渣蒸压试件的抗压强度差异明显.2.2采用镁-颖石钢渣、石灰蒸发压系统水化产物分析2.2.1b.钙硅类型对-2csh-的影响分别取钙硅比为1.12,1.58的OS(Ⅰ)蒸压试件和钙硅比为1.21,1.33,1.94的OS(Ⅱ)蒸压试件进行XRD分析,结果如图7所示.由图7可见,在钙硅比较小时,α-C2SH就已经形成.因此,通过XRD很难判断试件中是否存在C-S-H(Ⅰ)等水化产物.当2种钢渣蒸压试件的钙硅比较大时,掺入的氢氧化钙衍射峰明显存在,镁蔷薇辉石和钙铝黄长石衍射峰有所减弱,钙铁橄榄石和RO相的衍射峰则基本不变.在1.2MPa饱和蒸汽压下钙铁橄榄石和RO相处于稳定状态,表现出极弱的水热反应能力.2.2.2颗粒水化产物的分离图8为OS(Ⅱ)蒸压试件的SEM照片.由图8(a)可见,在没有氢氧化钙激发的情况下,试件在1.2MPa饱和蒸汽压下蒸压处理6h后有颗粒状水化产物形成.加入5%石灰后(图8(b)),能观察到的试件形貌是大量的颗粒状物相,颗粒大小为0.5～1.0μm,并没有观察到片状、纤维状等其他形貌的水化产物.2.2.3种钢渣蒸压试件的-2csh根据图2中的曲线2,可以进一步证实2种钢渣蒸压试件形成的颗粒状物相为α-C2SH.由图2可见,2种钢渣蒸压试件在917～982cm-1强吸收区附近出现了较为明显的变化,吸收峰分裂.该区域的吸收峰归属于Si—O伸缩振动峰.OS(Ⅰ)蒸压试件中982cm-1吸收峰无明显变化,而919cm-1吸收峰消失,943和869cm-1处出现新的吸收峰.OS(Ⅱ)蒸压试件中979和917cm-1吸收峰基本消失,在982,942和866cm-1处出现了新的吸收峰.OS(Ⅰ)蒸压试件中3643,3538,2867,2449,1286cm-1等吸收峰的出现与羟基的形成有关.3643cm-1吸收峰为羟基的伸缩振动峰,与试样中氢氧化钙没有完全反应有关.3538cm-1吸收峰同样为羟基的伸缩振动峰,它归属于α-C2SH中羟基的振动.2867,2449cm-1归属于硅酸盐阴离子[O3SiOH]3-的OH振动.1286cm-1吸收峰为酸式基团SiOH的δ(OH)弯曲振动.在OS(Ⅱ)与OS(Ⅰ)蒸压试件中的相同区域出现了相同的吸收峰.2种钢渣蒸压试件中分别出现的1427和1440cm-1等吸收峰为碳酸钙C—O振动引起.该吸收峰的增强与石灰中碳酸钙的引入和试样的碳化有关.2种钢渣蒸压试件中新出现的吸收峰共同组成了1条完整的α-C2SH的红外光谱,如OS(Ⅰ)蒸压试件中3538,2867,2449,1286,982,943,869,757,712cm-1等吸收峰.几乎所有新出现的吸收峰都与该谱线有关,表明2种蒸压试件中的水化产物主要是α-C2SH.这与XRD分析结果是一致的.在图2中,没有发现结晶水的吸收振动峰.说明OS(Ⅰ)与石灰混合后在蒸压条件下并没有形成或形成极少的C-S-H(Ⅰ)等含有结晶水的水化硅酸钙.这与XRD分析结果也是一致的.基于以上分析可知,2种钢渣蒸压试件的水化产物相同,其主要水化产物为α-C2SH,没有或极少C-S-H(Ⅰ)等水化硅酸钙.关于α-C2SH的描述,波任诺夫认为是片状晶体,其连生较差,抗压强度为0.5MPa,且晶体的常态为板状、棱柱状.张继能等引用布特等人的研究成果认为,α-C2SH是尺度为100μm×40μm×0.27μm的棱柱薄片,其强度低于单碱水化产物.根据本试验可以判定,钢渣水化后形成的水化产物为α-C2SH,而通过扫描电镜观察到的绝大部分形貌是0.5～1.0μm的不规则小颗粒,并不是连生差的片状结构.而且,试验结果显示OS(Ⅱ)蒸压试件的抗压强度极高,说明用这种颗粒状α-C2SH水化产物制得的试样具有极高的强度.各种硅酸盐蒸压试件存在收缩大、易开裂等问题,与硅酸盐试样中的水化产物种类有关.普遍认为,结晶良好的水化硅酸钙具有较小的收缩.因此,α-C2SH的这一形貌、高强度及其较高结晶度(另文分析)对蒸压硅酸盐制品水化产物的设计及其性能的改善具有重要意义.3低碱度钢渣蒸压盐矿液中-2csh形貌和晶粒尺寸.低碱度钢渣可以成为高性能蒸压制品的原材料.1.2MPa饱和蒸汽压下,少量氢氧化钙的激发可以