钢渣的安定性和提高其在混凝土中活性的研究项目摘要

钢铁工业废弃物钢渣年产生量大，但因其活性差、早期强度低，存在安定性问题一直未能实现大掺量大规模利用,因此必须解决钢渣活性差、水化后体积膨胀的缺点。本研究的内容是钢渣的基本性质与其活性、安定性之间关系的明晰，找出影响钢渣活性的因素，明晰钢渣早期强度低的原因，确定钢渣中游离氧化镁和游离氧化钙的测定方法，明晰钢渣和钢渣在混凝土中的水化膨胀机理，钢渣粉成分、比表面积和粒度分布对其活性的影响机理和规律；各类活性激发剂对钢渣活性的影响，建立钢渣安定性评价方法和标准的数学模型，开发出高效的钢渣早强激发剂；解决钢渣粉、钢渣和矿渣复合粉配制混凝土的合理掺量、所配混凝土的工作性能和耐久性能。为钢渣粉、钢渣和矿渣复合粉大掺量应用提供依据，为配制出性能良好的钢渣细集料混凝土提供依据，提高钢铁工业固体废弃物资源化的利用水平，符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要》环境领域的综合治污与废弃物循环利用优先主题规定。

本文研究钢渣的物相组成及活性，钢渣中游离氧化镁和氧化钙含量的测定，不同养护方法对钢渣和掺钢渣复合胶凝材料的水化过程。取得成果为：钢渣组成决定其早期活性较水泥差，28d前水化速率远小于水泥，28d后增大，360d非挥发水含量为16.21%。钢渣水化放热速率2h内大于水泥，2h后大幅下降，50h后接近零。标准养护钢渣水化产物主要为水化硅酸钙、氢氧化钙和钙矾石，惰性RO相等。CaO•aFeO1.5•bMnO2体系的三组分f-CaO中存在的相不同，有CaO、Ca2Fe2O5和Ca3Fe1.5Mn1.5O8；其中CaO常温36h即完全水化；Ca2Fe2O5和Ca3Fe1.5Mn1.5O8压蒸3h仅部分水化，抑制了CaO水化活性，它们水化反应固相体积膨胀率分别为43%和52%，在f-CaO中分别呈枝状和无规则分布。二是发现用乙二醇－EDTA滴定结合差热分析法测定钢渣中f-CaO含量；碳化法测定钢渣中活性氧化镁含量；氯化铵－乙二醇－乙醇测定钢渣中游离氧化镁含量。三是随钢渣掺量的增加，钢渣水泥复合胶凝材料的早期水化放热速率降低，放热量减少。钢渣掺量0%、20%和30%时，复合胶凝材料水化由晶体成核与晶体生长到相边界反应再到扩散反应。掺15%、30%、45%和60%钢渣的复合胶凝材料3d活性指数为0.82、0.67、0.33、0.03，90d为0.94、0.86、0.66、0.24。掺5%纳米二氧化硅的复合胶凝材料3d、7d和28d抗压强度分别提高48.5%、45.4%和30.7%；掺3%碳酸钙和2�SO4•2H2O的3d和28d抗压强度提高59.9%和17.8%。掺玻璃纤维或玄武岩纤维复合胶凝材料压蒸膨胀率减小29.36%。四是掺30%钢渣高温养护3d的复合胶凝材料中化学结合水量和Ca(OH)2含量比标准养护提高40.6%和25.0%；60℃碳化7h养护其3d、7d和28d抗压强度提高63.94%、25.55%和11.79%。30%预碳化处理钢渣粉制备的胶凝材料3d非挥发水含量是未碳化的2.2倍，胶凝材料28d化学结合水量增加18.18%；3d，7d，28d抗压强度增加25.51%，21.55%和5.83%，对应的抗折强度增加18.90%，16.01%和10.91%；试件膨胀率减少71.64%。碱性养护钢渣硬化浆体7d、28d抗压强度高于普通养护，90d，360d低于普通养护。

转炉钢渣微粉化处理是钢渣综合利用的主要途径之一，然而转炉钢渣易磨性差。本项目提出了转炉钢渣自粉化的新思路，主要研究了SiO2改质对转炉钢渣矿相变化和C2S相优势析出的影响、转炉钢渣中C2S相晶型转变的温度控制、渣中固溶离子对C2S相晶型转变的影响、SiO2改质转炉钢渣自粉化和实际转炉钢渣高温改质还原自粉化。本项目的研究结果表明，转炉钢渣自粉化效果与钢渣中C2S的含量成正比，通过SiO2改质，控制转炉钢渣碱度范围R=2.3~3.1左右，渣中C2S可优势析出，有利于钢渣实现自粉化；同时通过温度调节，可控制渣中C2S相各晶型的转变；转炉钢渣中的P、Cr、V均会抑制C2S相晶型转变，特别是转炉钢渣中P2O5含量大于0.5%时，钢渣一般不能自粉化，因此实际转炉钢渣要实现自粉化还需进一步进行还原脱磷处理，而将转炉钢渣高温熔融改质有利于还原脱磷及钢渣自粉化。通过本项目研究，可实现转炉钢渣高温改质完全还原自粉化，研究成果能大大推动转炉钢渣的微粉化及大宗量循环利用。 2100433B

转炉钢渣微粉化是钢渣资源化大宗量利用的有效途径之一，然而制约钢渣微粉化的主要问题是其易磨性差。本项目申请依据于项目组前期的工作积累和发现，分析了问题存在的根本原因，提出通过促进转炉钢渣相演变和自粉化以解决此难题的新思路，研究包括转炉钢渣中硅酸二钙相（C2S）的优势析出；C2S析出相由β向γ相的演变和C2S相演变与转炉钢渣自粉化关系三个方面。研究集中在析出和演变的机理以及其实现条件等基础科学问题，运用经典的冶金、材料科学理论，结合SEM, XRD, EBSD等现代分析测试技术，来解决研究过程中遇到的科学难题。项目的目标是降低转炉钢渣粉磨耗能，改善其易磨性，为实现转炉钢渣的高效循环利用提供科学依据和相应的参数。

本项目选择钢渣作为导电相材料，以钢渣取代普通混凝土中的粗、细骨料以及掺和料制备具有机敏特性的混凝土，重点研究钢渣的排放与冷却工艺、钢渣的化学组成和矿物组成对钢渣混凝土的导电性、压敏和温敏等机敏特性的影响规律及其机理，同时研究钢渣机敏混凝土的力学性能及电热特性。通过调整钢渣的排放与冷却工艺，使其更适合于配制导电、机敏混凝土，并研究钢渣混凝土的导电性与机敏性随环境和应力的变化规律。.钢渣机敏混凝土是一种集承载性与导电、压敏和温敏特性为一体、高性能价格比的新型建筑材料，对我国冶金、建材工业所面临的资源、能源、环境等严峻形势的改善，具有重要的意义。 2100433B