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钢渣与矿渣蒸压加气砌块及其改良

 论文栏目:冶金工业    更新时间:2012-06-12 22:47   

钢渣与矿渣蒸压加气砌块及其改良范文

钢渣和矿渣是钢铁企业最主要的工业废渣。矿渣目前已经有多种用途,利废率较高。钢渣由于化学成分和矿物组成波动较大、水化慢、早期强度低、稳定性差、易磨性不高和全铁含量较高等原因难以利用。随着钢铁企业的迅猛发展,钢渣数量也逐年上升,钢渣占用大量土地、污染环境,造成资源的浪费,这也成为制约钢铁企业可持续性发展的重要因素。笔者曾提出利用钢渣和矿渣生产冶金渣蒸压加气砌块的新方法[1]。本文的研究目的在于通过引入改性材料和改进蒸压制度来解决原有技术难以解决的难题。原有技术中,蒸压强度较低,本研究通过引入改性材料,大幅消除游离氧化钙、氧化镁等有害成分对冶金渣蒸压加气砌块的影响,使砌块蒸压强度提高。此外,原配方中选用钢渣和矿渣均来自湘潭钢铁公司,本研究选用的钢渣和矿渣均来自新余钢铁公司,每个钢铁企业的钢渣、矿渣成分不同,因此适宜的蒸压养护条件也不尽相同。本研究通过对蒸压养护制度的改进,使冶金渣蒸压加气混凝土砌块的各项性能显著提高。

1试验

1.1原材料

钢渣粉:新余钢铁集团有限公司转炉热焖钢渣粉,比表面积350m2/kg,磁性铁(MFe)含量1.8%,化学成分见表1。矿渣粉:新余钢铁集团有限公司高炉水淬矿渣粉,比表面积420m2/kg,质量系数K=2.1,碱性系数M0=1.05,是一种活性较好的碱性矿渣,化学成分见表1。水泥熟料:武汉市鑫凌云水泥厂粒状旋窑熟料,经球磨机粉磨成熟料粉,比表面积350m2/kg,1d抗折和抗压强度分别为2.2、12.9MPa,3d抗折和抗压强度分别5.8、25.1MPa,28d抗折和抗压强度分别为6.9、55.6MPa。石膏:武钢电厂二水脱硫石膏,粉状,技术性能符合GB/T5483—2008《天然石膏》G类二级标准要求。改性材料M:自配,粉状,由多种无机和有机材料组成。发气剂:活性铝粉(活性铝98%以上),市售。外加剂:自配,粉状,由多种无机和有机类物质组成。

1.2试验方法

以钢渣粉和矿渣粉为主要原材料,加入一定量的水泥熟料、脱硫石膏、改性材料、水和外加剂等辅助材料,经计量、搅拌、加热、发气(掺入发气剂)、预养、切割、蒸压养护和陈化等工序处理后生产出冶金渣蒸压加气砌块。具体试验程序如下:

(1)计量混合。将钢渣粉、矿渣粉、水泥熟料、脱硫石膏、改性材料、水和外加剂分别计量后加入搅拌机搅拌至一定稠度的料浆。

(2)搅拌加热。将制备好的料浆加热到合适的发气温度(50~55℃)后,加入适量的发气剂,并进行高速搅拌。

(3)浇注发气。搅拌均匀的浆体迅速浇注至模具内,待模具内的浆体充分发气后,将模具放至适宜温度的蒸汽养护箱进行预养。

(4)静停预养。送至蒸汽养护箱的浆体经3h预养。

(5)切割。当预养后的坯体具有一定的初始强度时,用细钢丝对坯体进行切割。

(6)蒸压养护。拆模后将切割好的坯体送至蒸压釜中按照规定的蒸压制度进行蒸压养护。

(7)陈化检验。蒸压养护结束后砌体出釜,在自然条件下陈化3~7d即可进行有关指标的测试与分析。

2冶金渣蒸压加气砌块的试验研究

2.1试验配方的设计

以新钢钢渣粉和矿渣粉为主要原料,进行正交试验,确定本次试验的基础配比(见表2)。从最大化利用钢渣和提高产品质量两方面综合考虑,本次试验钢渣掺量确定为40%,以改性材料替代矿渣进行混凝土蒸压加气砌块试验,比较改性材料不同掺量对混凝土蒸压加气砌块的改性效果。本次试验蒸压条件采用文献[1]中确定的0.8MPa、3h,蒸压过程中升温速率40℃/h、降温速率60℃/h。具体试验配比见表2。

2.2改性材料对冶金渣蒸压加气砌块性能的影响(见表3)

从表3的试验结果可看出:

(1)随着改性材料掺量的逐步提高,试件的蒸养抗压强度(80℃、16h)逐渐降低。说明改性材料对试件的蒸养强度正向影响不大,蒸养强度随着矿渣掺量的降低而降低。

(2)随着改性材料掺量的逐步提高,改性材料掺量小于10%时,试件的蒸压强度逐步提高;改性材掺量大于10%时,试件蒸压强度逐步降低。

(3)随着改性材料掺量的逐步提高,试件蒸养条件下的干燥收缩值小幅下降,干燥收缩值仍较大,不能满足使用要求;试件蒸压条件下的干燥收缩值逐步下降,干燥收缩值小,能满足建筑使用要求。

通过对试验结论的分析和论证可知,对冶金渣蒸压加气砌块的抗压强度产生影响的因素主要有:

(1)蒸养条件下,钢渣在石膏和外加剂的激发作用下生成少量的水化硅酸钙和钙矾石,该反应使制品强度提高。

(2)蒸养条件下,矿渣中的潜在活性组分在外加剂的激发作用和碱性条件(钢渣溶于水后水解出OH-)下与溶液中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙,该反应也使制品强度提高。

(3)蒸压条件下,钢渣和矿渣中已经反应生成的水化硅酸钙、钙矾石等矿物及未反应完全的组分将继续发生水热反应生成托贝莫来石、水化硅酸钙、水石榴石、硬硅钙石、C2SH(A)等水化物。

(4)蒸压条件下,矿渣玻璃相中的Al2O3与钢渣中的游离氧化钙、氧化镁反应生成水石榴石。此外,改性材料还能直接与钢渣中的游离氧化钙、氧化镁反应生产水化硅酸钙等水化产物。

当制品中没有掺入改性材料时,制品在蒸养条件下主要进行(1)、(2)两种反应,制品强度较高;制品在蒸压条件下随着(3)、(4)反应的持续进行,水化产物中水石榴石数量逐渐增多,由于水石榴石胶结能力极差,因此会造成制品强度下降。当制品掺入改性材料后,在蒸压条件下,改性材料中的活性组分逐渐与水化产物水石榴石发生水热反应,生成水化硅酸钙和托贝莫来石等强度高、稳定性好的矿物,随着改性材料掺量的逐渐增加制品强度提高。当改性材料掺量的增加超过一定限度时,随着矿渣掺量的相应减小,没有足够的矿渣提供活性组分时,制品强度会逐渐下降。

2.3养护条件对冶金渣蒸压加气砌块性能的影响

综合比较上述各试验配比的试验结果可知,改性材料掺量在10%时对冶金渣蒸压加气砌块各项性能的改善效果最好,因此选择6号配比进行养护条件对砌块性能的影响试验,结果见表4。表4养护条件对冶金渣蒸压加气砌块性能的影响由表4可知,蒸养条件下,试件抗压强度高、干燥收缩值大、抗冻性较好;蒸压条件下,试件抗压强度随着蒸汽压力的提高逐步提高、干燥收缩值小、抗冻性好。对比蒸养条件与蒸压条件对冶金渣蒸压加气砌块性能的影响可看出:蒸压强度高于蒸养强度,蒸压后的干燥收缩值与蒸养后相比大幅降低,蒸压后抗冻性指标得到改善。试件经0.8MPa、5h蒸压养护后蒸压强度与1.0MPa、5h和1.2MPa、5h蒸压养护后的蒸压强度、干燥收缩值和抗冻性等指标相差不大,说明0.8MPa、5h的蒸压条件下6号配比制成的试件,材料内部的游离氧化钙、氧化镁造成的体积膨胀得到控制,不会对制品的抗压强度、干燥收缩值和抗冻性等性能指标产生危害。因此,我们确定6号配比最适宜的蒸压条件为0.8MPa、5h。

本研究中通过引入改性材料和改进蒸压养护条件,大幅度提高了冶金渣蒸压加气砌块的蒸压强度,同时使制品的干燥收缩值和抗冻性指标得到改善。根据上述试验结果,我们研制出不同密度等级的冶金渣蒸压加气混凝土砌块,其性能指标见表5。

3结语

(1)在冶金渣蒸压加气砌块中掺入改性材料,可以改善蒸压制品的胶凝性,使水化产物中的水石榴石转化成托贝莫来石、水化硅酸钙、硬硅钙石等强度高、稳定性好的矿物组分;改性材料还可直接与钢渣中的游离氧化钙、氧化镁反应生成水化硅酸钙等矿物组分,因此,改性材料的掺入大幅度提高了冶金渣蒸压加气砌块的蒸压抗压强度,同时使制品的干燥收缩和抗冻性得到改善。

(2)本研究中经过试验确定了最佳配比和最适宜的蒸压制度,使制品蒸压强度、干燥收缩值和抗冻性等指标得到进一步改善。

(3)本研究大量利用了钢渣、矿渣和脱硫石膏等工业废渣,利用率不低于85%。此外,本产品还可选用钢铁企业的钢渣水洗球磨沉淀泥作为生产原料取代部分钢渣。所研制产品质量符合工业与民用建筑使用要求,适用于全国各大钢铁企业的冶金渣综合利用,是一个节能利废的好产品。

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