钢渣/工业副产石膏复合胶凝材料制备与性能研究

摘要

钢渣是炼钢过程中排出的熔渣废弃物，排放量大，利用率低，长年的累积堆存不仅造成了资源浪费，而且侵占了土地资源，对生态环境及企业发展造成巨大压力。脱硫石膏与氟石膏分别是烟气脱硫处理和生产氟化氢时产生的工业副产石膏，质量好，品位高，是理想的石膏再生资源。本课题针对低碱度钢渣水硬性差、强度低等问题，测试和分析了钢渣的基本性能，对低碱度钢渣进行化学改性，并以改性钢渣分别复合脱硫建筑石膏、改性氟石膏制备钢渣/脱硫建筑石膏复合胶凝材料、钢渣/氟石膏复合胶凝材料，旨在实现钢渣、脱硫石膏和氟石膏的资源化大宗利用。
　　采用X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、同步热分析仪、激光粒度分析仪、场发射扫描电镜等测试仪器研究分析钢渣的化学组成、物相组成、粒度分布及微观形貌等基本性能。测试结果表明，钢渣的主要化学组成为CaO、SiO2、 Al2O3、Fe2O3、MgO及MnO等，主要物相组成为CaCO3、SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·MgO·2SiO2、RO相、辉石类与橄榄石类矿物及无定形态物质，碱度1.7，为低碱度硅酸二钙渣，其中CaCO3含量为40.76％;钢渣粉粒度基本在0.2μm～200μm之间，中位径9.309μm，平均粒径22.77μm，比表面积18036cm2/ml，颗粒大小不一，棱角突出，形状十分不规则;钢渣净浆90d抗压强度仅为3.93MPa，水化胶凝性极差。
　　钢渣化学改性单因素试验中，CaCl2的化学改性效果最为显著，Al2(SO4)3·18H2O、KAl(SO4)2·12H2O及Na2SO4次之，NaOH与NaAlO2最差。CaCl2改性钢渣净浆水化硬化体的胶凝相主要由无定形态凝胶物和水铝钙石（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O）构成，早期水化产物含少量的Ca(OH)2; Na2SO4、 Al2(SO4)3·18H2O及KAl(SO4)2·12H2O改性钢渣净浆硬化体的胶凝相主要由无定形态凝胶物和钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)构成。
　　钢渣化学改性正交试验中，当Na2SO4、CaCl2及AlCl3·6H2O掺量分别在0.5％～1.5％、0.5％～2.5％和0.1％～0.5％之间时，Na2SO4掺量对钢渣净浆7d和28d抗压强度影响比较显著，对60d和90d抗压强度影响高度显著，而CaCl2和AlCl3·6H2O掺量对钢渣净浆强度影响不显著，且CaCl2掺量的影响最小。正交试验确定钢渣化学改性的最优方案为Na2SO4掺量1.5％、AlCl3·6H2O掺量0.1％和CaCl2掺量1.5％，此时钢渣净浆的水化硬化体主要由CaCO3、SiO2、RO相、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O及无定形态凝胶物等物相组成，硬化体的胶凝相主要由无定形态凝胶物和钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)构成。
　　钢渣/脱硫建筑石膏复合胶凝材料试验中，研究了改性钢渣/脱硫建筑石膏质量比（渣膏比）对复合胶凝材料凝结时间和力学强度的影响，及有机硅防水剂对复合胶凝材料力学强度、吸水率和软化系数的影响。结果表明，渣膏比为1∶1、有机硅防水剂掺量为1.0％时，钢渣/脱硫建筑石膏复合胶凝材料初凝时间6min、终凝时间11min，2h抗折强度2.28MPa、抗压强度5.32MPa，7d抗折强度5.12MPa、抗压强度14.79MPa，2h吸水率3.73％、24h吸水率9.05％，软化系数达到0.67。
　　钢渣/氟石膏复合胶凝材料试验中，研究了改性氟石膏/改性钢渣质量比（膏渣比）对复合胶凝材料凝结时间、力学强度、吸水率和软化系数的影响，及有机硅防水剂对复合胶凝材料力学强度、吸水率和软化系数的影响。结果表明，膏渣比为1∶1、有机硅防水剂掺量为1.0％时，钢渣/氟石膏复合胶凝材料的初凝时间9min、终凝时间45min，2h抗折强度2.25MPa、抗压强度5.48MPa，7d抗折强度7.12MPa、抗压强度38.96MPa，2h吸水率3.87％、24h吸水率6.72％，软化系数达到0.63。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 钢渣的研究及建材化应用现状

1．2．1 钢渣的基本性质

1．2．2 钢渣的建材化应用研究

1．3 脱硫石膏与氟石膏建材资源化应用现状

1．4 钢渣／石膏胶凝材料的研究现状

1．5 本课题的提出及可行性分析

1．6 研究内容

1．7 创新点

第二章 试验原料与研究方法

2．1 试验原料

2．1．1 钢渣

2．1．2 脱硫石膏

2．1．3 氟石膏

2．1．4 钢渣化学改性剂

2．1．5 其他改性剂

2．2 主要化学试剂

2．3 试验仪器

2．4 试验方案与测试方法

2．4．1 试验方案

2．4．2 测试方法

第三章 钢渣的基本性能研究

3．1 成分分析

3．2 热分析

3．3 粒度分析

3．4 微观形貌分析

3．5 净浆抗压强度

3．6 本章小结

第四章 钢渣化学改性研究及作用机理分析

4．1 钢渣化学改性单因素试验研究

4．1．1 氢氧化钠对钢渣性能的影响

4．1．2 硫酸铝对钢渣性能的影响

4．1．3 硫酸铝钾对钢渣性能的影响

4．1．4 硫酸钠对钢渣性能的影响

4．1．5 氯化钙对钢渣性能的影响

4．1．6 氯化铝对钢渣性能的影响

4．1．7 偏铝酸钠对钢渣性能的影响

4．2 钢渣化学改性正交试验研究

4．2．1 正交试验设计

4．2．2 正交试验结果分析

4．3 本章小结

第五章 钢渣／工业副产石膏复合胶凝材料的制备与性能研究

5．1 钢渣／脱硫建筑石膏复合胶凝材料的制备

5．1．1 钢渣／脱硫建筑石膏复合胶凝材料配合比的确定

5．1．2 钢渣／脱硫建筑石膏复合胶凝材料的防水改性研究

5．1．3 钢渣／脱硫建筑石膏复合胶凝材料的基本性能

5．2 钢渣／氟石膏复合胶凝材料的制备

5．2．1 钢渣／氟石膏复合胶凝材料配合比的确定

5．2．2 钢渣／氟石膏复合胶凝材料的耐水改性研究

5．2．3 钢渣／氟石膏复合胶凝材料的基本性能

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录