转炉钢渣性能及其与矿渣复合的协同效应分析和开发应用研究

摘要

本文针对钢渣作为混凝土掺合料，研究了钢渣的化学物理性质及粉磨特性，钢渣对水泥混凝土工作、力学和耐久性能的影响，钢渣与矿渣的复合协同效应的分析，最后对钢渣矿渣复合和钢渣粉煤灰复合在压蒸条件下的应用进行了开发研究。 钢渣理化特性研究表明，韶钢转炉钢渣的化学组成相对于高炉矿渣属于高钙低硅低铝物质，铁含量(包括Fe<,2>O<,3>、FeO和金属铁)很高，岩相分析发现钢渣中虽然含有一定量C<,2>8、C<,3>8等与硅酸盐水泥熟料相似的矿物组分，但矿物形貌变异很大，比较致密，导致钢渣活性不高，且又含有较多的f-CaO(4％-8％)，化学成分波动很大，这给它的加工和广泛应用造成一定困难。粉磨实验表明：钢渣粗磨易，细磨难，较早出现粉磨平衡，是一种较难粉磨的物质。所有掺有钢渣的水泥净浆均未出现安定性不良的问题，但存在安定性潜在危险，钢渣复合其它掺合料可以避免该问题。钢渣溶出实验表明钢渣溶于水迅速溶解放出离子，然后达到溶解平衡，悬浮液离子其中以Ca<'2+>为主。 按照钢渣试用标准进行的活性试验表明，常温下，钢渣的水化活性很低，单掺钢渣的水泥胶砂和混凝土早期强度和前期耐久性能下降幅度较大。钢渣与矿渣复合、钢渣与粉煤灰复合可以改善早期强度的下降和前期耐久性降低，对后期强度和长期耐久性有利。掺有钢矿复合掺合料的混凝土表现出了优良的抗氯离子渗透性能，并且可以显著缓和单掺钢渣混凝土抗碳化能力的下降，混凝土的耐磨度均超过了纯水泥混凝土。都说明钢渣一矿渣复合是利用钢渣的最佳选择，但存在最佳的配合比方案和最佳的配合细度和用量的选择。 为了研究钢渣矿渣之间的复合协同效应，认为在钢渣矿渣系统中，反应的过程为钢渣溶解出碱性离子，矿渣溶解吸收碱性离子受到激发，从而产生复合协同效应。为此，自行设计了实验仪器和实验方法，对钢渣矿渣单独溶解反应进行了研究，结果证实了：虽然单独存在的钢渣和矿渣常温水中都没有表现出活性，但由于存在钢渣溶解释放Ca<'2><'+>、OH<'->的过程和矿渣在碱激发下溶解并吸收Ca<'2+>的过程。钢渣矿渣复合后的浆体在没有水泥情况下也产生了较高的化学结合水和表现出胶砂强度，这是钢渣和矿渣复合协同效应的结果。钢渣溶出离子可以分为三个阶段。前期加速释放期，钢渣在短时间里溶出，释放出离子；中期减速释放期，由于体系内外的溶度差接近，使得离子的溶出速率迅速降低；后期缓慢释放期，钢渣离子的溶出速率明显放缓。钢渣溶出总量随比表面积的增大而增加，随钢渣悬浮液pH值降低离子的溶出速率增加，在298K时，离子溶出的总量最大。矿渣吸收离子也大致分为三个阶段，反应前期离子吸收量都很大，反应中期呈缓慢增加趋势，反应后期增加更加缓慢。随着矿渣比表面积的增加，吸收Ca<'2+>离子速率加快，吸收总量增多。随着反应温度的上升，反应前期和中期的吸收速度和吸收量增大。单独钢渣或矿渣的拌合物无化学结合水量和胶砂强度，但钢渣矿渣复合体系有较大的化学结合水量和胶砂强度，在有水泥存在的情况下，相应的化学结合水量和胶砂强度都有很大的增加，这与为复合协同效应中溶出吸收过程提供了有力的佐证。通过复合协同效应实验，可以为钢渣矿渣复合掺合料在混凝土中的应用提供理论基础，提供指导依据。含掺合料高强混凝土试验表明：配制压蒸高强混凝土时，混凝土原材料中必须含有一定量的磨细石英粉，本实验中，最佳磨细石英粉占混凝土胶凝材料的24％。胶凝材料中水泥掺量为55％，磨细石英粉掺量为25％，掺合料比例为20％时，控制钢渣比表面积为500m<'2>·kg<'-1>，矿渣比表面积为500 m<'2>·kg<'-1>，适当提高钢渣在矿物掺合料中的比例，可以利用钢渣矿渣复合掺合料制得较好的压蒸制品。控制钢渣比表面积为500m<'2>.kg<'-1>，选择Ⅲ级粉煤灰，适当提高钢渣在复合矿物掺合料中的比例，可以利用钢渣粉煤灰复合掺合料制得较好的压蒸制品。 总之，在合理的钢渣掺量，适宜的使用条件及其与其它掺合料的复合的前提下，一定细度的低碱度钢渣粉体可以作为混凝土掺合料应用于实际工程用混凝土中。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1高性能混凝土

1.1.1高性能混凝土概述

1.1.2HPC的研究与可持续发展

1.1.3矿物掺合料对HPC的意义

1.2矿物掺合料的在HPC中的应用和发展现状

1.3钢渣的理化性能及其应用研究现状

1.3.1钢渣的产生和分类

1.3.2钢渣的理化性能和矿物组成

1.3.3钢渣的应用研究现状

1.3.4钢渣的应用研究展望

1.4矿渣的理化性能与应用研究概况

1.4.1高炉矿渣的化学组成、结构特点与水化活性

1.4.2矿渣微细粉对混凝土性能的影响

1.4.3矿渣掺合料对混凝土性能优化的作用机理

1.5本课题的研究

1.5.1课题的研究思路

1.5.2课题的研究内容

第二章实验材料和实验方法

2.1实验用原材料及其基本性能

2.1.1实验用原材料的理化性能

2.1.2混凝土用原料

2.2实验方法

2.2.1粉磨破碎实验过程

2.2.2原材料性能试验

2.2.3含掺合料水泥净浆和砂浆性能实验

2.2.4含掺合料混凝土性能实验

2.2.5蒸养压蒸混凝土性能试验

2.2.6钢渣溶出性能实验

2.2.7矿渣吸收性能实验

2.2.8水泥硬化浆体的化学结合水

第三章转炉钢渣的基本理化品质与性能

3.1引言

3.2转炉钢渣的造渣过程

3.3转炉钢渣的粉磨特性

3.3.1实验材料、方法及过程

3.3.2钢渣粉体粉磨的试验结果

3.3.3钢渣粉体的比表和粉磨时间的关系

3.3.4钢渣粉体中细粉含量与粉磨时间的关系

3.3.5钢渣生产粉磨电耗的估算

3.3.6钢渣的粉磨动力学分析与讨论

3.4韶钢转炉钢渣粉体的基本理化性能

3.4.1韶钢转炉钢渣粉体的物理性能

3.4.2韶钢转炉钢渣的微观形貌

3.4.3韶钢转炉钢渣的岩相分析

3.4.4韶钢转炉钢渣的化学性质

3.4.5韶钢转炉钢渣粉体的矿物组成

3.5韶钢钢渣对混凝土减水剂的吸附作用

3.5.1钢渣掺合料流变学性能研究

3.5.2钢渣粉体净浆的总体工作性能

3.6本章小结

第四章钢渣掺合料对水泥混凝土性能的影响

4.1引言

4.2钢渣矿渣掺合料对水泥浆体流变性能的影响

4.3钢渣基掺合料对水泥硬化体安定性能的影响

4.3.1钢渣基掺合料对水泥系统的安定性的影响

4.4钢渣基掺合料对水泥混凝土力学性能的影响

4.4.1钢渣基掺合料对水泥胶砂力学性能的影响

4.4.2钢渣基掺合料对混凝土力学强度的影响

4.4.3钢渣基掺合料对水泥混凝土力学性能的影响机理

4.5钢渣基掺合料对混凝土长期耐久性能的影响

4.5.1钢渣基掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

4.5.2钢渣基掺合料对混凝土碳化性能的影响

4.5.3钢渣基掺合料对混凝土抗硫酸盐性能的影响

4.5.6钢渣基掺合料对混凝土的耐磨性能的影响

4.6本章小结

第五章钢渣矿渣复合掺合料复合协同机理研究

5.1引言

5.2钢渣掺合料溶出Ca2+的测定

5.2.1比表面积对钢渣掺合料溶出Ca2+的影响

5.2.2 pH对钢渣掺合料溶出Ca2+的影响

5.2.3温度对钢渣掺合料溶出Ca2+的影响

5.2.4钢渣掺合料溶出Ca2+的灰色关联度分析

5.3矿渣掺合料吸收Ca2+的测定

5.3.1比表面积对矿渣掺合料吸收Ca2+的影响

5.3.2温度对矿渣掺合料吸收Ca2+的影响

5.4钢渣-矿渣基胶凝体系化学结合水量的测定

5.4.1实验配比

5.4.2净浆硬化体的化学结合水量试验结果

5.4.3实验结果分析

5.4.4钢渣矿渣复合化学结合水量实验结果讨论

5.5钢渣矿渣复合体系的胶砂强度

5.5.1实验用配比

5.5.2实验结果

5.5.2实验结果分析

5.6本章小结

第六章钢渣基掺合料在水热条件下的活性研究

6.1引言

6.2蒸养压蒸条件下含钢渣矿渣掺合料混凝土的力学性能

6.2.1钢渣矿渣代替磨细石英粉对混凝土力学性能的影响

6.2.2含不同比表面积钢渣矿渣对高强混凝土力学性能的影响

6.2.3浆体的X射线分析

6.2.4浆体的SEM分析

6.3蒸养压蒸条件下含钢渣粉煤灰的混凝土力学性能

6.3.1正交试验设计

6.3.2正交试验结果

6.3.3正交试验结果分析与讨论

6.3.4浆体的X射线分析

6.3.5浆体的SEM分析

6.4本章小结

结论

1研究结果

2创新点

3展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

评定意见