高温碳化养护和钢渣预碳化对钢渣水泥胶凝材料性能的影响

摘要

钢渣是炼钢工业中产生的最主要的固体废弃物之一，随着全球的钢产量的逐年递增，随之产生的钢渣量也越来越多，而中国的粗钢产量在2014年超过了世界钢产量的一半，达到8.2亿t，而作为副产物的钢渣的产量也超过了1亿t。因其化学和矿物组成与水泥熟料的成分类似，故将钢渣作为水泥掺合料成为钢渣综合利用的主要途径之一。本文主要研究了高温和碳化养护对钢渣水泥基胶凝材料性能的影响;以及预碳化钢渣制备钢渣水泥基胶凝材料性能。尤其对不同的养护方式下钢渣胶凝材料的浆体结构和水化产物，以及预碳化后钢渣微粉的矿物组成的变化以及掺预碳化钢渣后胶凝材料早期强度和安定性的改善情况做了详尽的研究和分析。为提高掺钢渣胶凝材料的早期强度和改善安定性提供理论支持。
　　本实验主要使用新余热闷钢渣，分析了高温、碳化和标准养护对钢渣胶凝材料性能的影响，结果表明，通过高温碳化养护的方式，激发钢渣活性，使大掺量钢渣胶凝材料早期和后期的强度均大幅增加，达到了P42.5水泥强度等级，高温养护只能提高胶凝材料的早期强度，由于早期过快的水化速率使得在硬化的浆体中引入大孔从而形成较多微观裂缝，且早期高温养护会阻碍水泥基材料的后期水化，所以其后期强度低于标准养护。
　　研究结果表明，高温碳化养护后的钢渣水泥基材料表面生成了一层致密的CaCO3外壳，能提高胶凝材料的强度，并有效防止水泥基材料发生溶解侵析，提高胶凝材料的耐久性。高温碳化养护生成的CaCO3的颗粒粒径为1～8μm，在胶凝材料中能起到微集料作用，为C3S的水化起到了晶核的作用，从而加速C3S的水化速度。细小的CaCO3颗粒为Ca(OH)2提供了大量的晶核，使得Ca(OH)2生成的更加分散，不再生长成特定晶格取向的片层状大颗粒，具有较好的力学性能。
　　同时研究了对钢渣微粉进行预碳化处理后替代30％水泥熟料，制备钢渣水泥基胶凝材料。结果表明:预碳化钢渣微粉后，钢渣粉中的游离氧化钙(f-CaO)以及其他钙盐如具有胶凝活性的C3S，C2S等均会被碳化生成CaCO3，且碳化后钢渣中RO相的衍射峰几乎消失，说明预碳化对改善胶凝材料安定性有一定的积极作用。
　　使用TG-DTA和SEM-EDS以及水化放热曲线分析掺预碳化钢渣胶凝材料的水化产物的水化速率和水化程度，根据TG-DTA曲线的计算结果，浆体水化3d时，预碳化试样的化学结合水量为21.65％，标准试样为9.84％，即预碳化钢渣胶凝材料试样3d的水化程度是标准试样的2.2倍，预碳化钢渣胶凝材料28d的净浆试样总的化学结合水量为28.41％，标准试样为24.04％，增长率为18.18％。说明预碳化可以有效提高胶凝材料早期水化速率和后期的水化程度。
　　分析预碳化的净浆试样28d的SEM-EDS图谱，发现其结构密实，且主要水化产物—水化硅酸钙已长成块状整体，在裂缝处放大，发现在水化硅酸钙的连接处有棒状连接物，经能谱分析为Ca(OH)2。而未碳化的Ca(OH)2结构呈片层状。说明经碳化后的掺钢渣胶凝材料中的Ca(OH)2不再朝特定晶格取向生长，而是生长方向多元化，能更好的与水化硅酸钙形成整体，增加材料的密实度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 钢渣的研究及利用现状

1．2 转炉钢渣的来源和特征

1．2．1 转炉钢渣的来源

1．2．2 转炉钢渣的组成

1．2．3 转炉钢渣的水硬特性

1．3 国内外钢渣的主要利用途径

1．3．1 返回冶金

1．3．2 作水泥掺合科

1．3．3 作筑路等工程材料

1．3．4 作农业肥料和土壤改良剂

1．3．5 用于废水处理和回收废钢

1．4 钢渣用作水泥掺合料中存在的问题与改善措施

1．4．1 存在的问题

1．4．2 改善措施

1．5 碳化对钢渣性能的影响

1．6 本研究的目的与意义

第二章 实验部分

2．1 本研究主要内容

2．2 技术方案

2．3 试验原料、试剂和设备

2．3．1 验原材料

2．3．2 试验设备与仪器

2．4 试验研究方法

2．4．1 钢渣微粉矿物组成的分析

2．4．2 勃式法测定钢渣的比表面积

2．4．3 钢渣替代部分水泥的胶砂试验

2．4．4 钢渣替代部分水泥的净浆试验

2．4．5 沸煮和压蒸试验

第三章 新余热闷钢渣水泥基胶凝材料的基本性能

3．1 新余热闷钢渣的性质

3．1．1 新余热闷钢渣的化学组成

3．1．2 新余热闷钢渣矿物组成

3．2 钢渣水泥基胶凝材料的水化性能

3．2．1 XRD图谱分析

3．2．2 水化热图谱分析

3．2．3 TG-DTA分析

3．2．3 SEM分析

3．3 本章小结

第四章 高温和碳化养护对钢渣水泥基胶凝材料性能的影响

4．1 不同养护方式的钢渣水泥基试件的制备

4．2 养护方式对钢渣水泥基胶凝材料强度的影响

4．3 不同养护条件钢渣水泥基胶凝材料的水化机理

4．3．1 XRD图谱分析

4．3．2 TG-DTG图谱分析

4．3．3 SEM-EDS图谱分析

4．4 本章小结

第五章 预碳化钢渣制备钢渣水泥基胶凝材料性能的研究

5．1 掺预碳化钢渣微粉水泥复合材料的制备

5．1．1 预碳化钢渣微粉的制备

5．1．2 预碳化钢渣水泥试件的制备

5．2 预碳化钢渣微粉的矿物组成的变化

5．3 预碳化钢渣微粉的水化性能

5．3．1 水化热图谱分析

5．3．2 XRD图谱分析

5．3．3 TG-DTA分析

5．3．4 SEM-EDS图谱分析

5．3．5 空隙结构分析

5．4 预碳化对钢渣水泥基胶凝材料强度的影响

5．5 预碳化对钢渣水泥基胶凝材料安定性的影响

5．6 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．1．1 高温和碳化养护对钢渣水泥基胶凝材料性能的影响

6．1．2 预碳化钢渣对制备钢渣水泥基胶凝材料性能的影响

6．2 展望

参考文献

致谢

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