钢渣在蒸养条件下的安定性_张波

图 3 钢渣 28 d 水化产物的 XＲD 图谱。 Fig． 3 XＲD results of the hydration products
of steel slag at 28 d．
2. 4 SEM 结果 图 4 是钢渣在 80 ℃ 条件下养护 3d 的 SEM 像，
从图 4b 中可以观察到钢渣水化过程中存在明显的未 反应颗粒。通过 EDS 对图 4 中未反应颗粒的化学成 分进行分析，分析结果见图 5。未反应颗粒中含有 Ca、Mg、Fe、O、Si、Al、Na、K、P 和 Mn 等元素，Mg、Ca、 Fe 和 O 的峰值强度较高，可以确认这些颗粒大部分 为 ＲO 相。在 SEM 像中没有发现 Mg（ OH） 2 晶体颗 粒，说明在 80 ℃ 条件下养护，ＲO 相和 MgO 均没有 大量参与钢渣的水化过程。这再次证明 ＲO 相和 MgO 不 是 80 ℃ 蒸 养 下 导 致 钢 渣 安 定 性 不 良 的 主因。
来加速钢渣的水化硬化，可以通过两种或多种化学 激发剂复合激发提升效果。热力激发是通过蒸养等 手段热力活化得到活性高的钢渣处理料［8 ～ 10］。
提高掺钢渣混凝土的养护温度，可以激发钢渣的 活性，提高混凝土早期强度。目前研究认为，钢渣作 为矿物掺合料可能存在安定性问题［11］。由于炼钢工 艺不同和钢渣的处理方法不同，钢渣的成分波动较 大。钢渣中含有游离 CaO、游离 MgO 及 ＲO 相，理论 上这些成分都有可能成为钢渣安定性不良的因素。 本文通过测定钢渣在不同蒸养温度条件下的化学结 合水和抗压强度，以及对水化产物进行 XＲD 和 SEM 分析，探讨了钢渣在蒸养条件下的安定性问题。
钢渣是炼钢废渣自然冷却的产物，因此其矿物 相结晶较为完整，钢渣作为矿物掺合料的活性远低 于硅酸盐 水 泥 熟 料［6］。 激 发 钢 渣 活 性 的 主 要 途 径 有机械激发、化学激发和热力激发［7］。机械激发主 要通过工业手段提高钢渣细度，从而增大水化过程 中的反应面积，但是钢渣的易磨性差，机械激发经济 成本高。化学激发是通过加入晶核并提高液相碱度
( 清华大学土木系，北京 100084)
摘 要： 通过测定钢渣在不同蒸养温度条件下的化学结合水和抗压强度，以及对水化产物进行 XＲD 和 SEM 分析， 探讨了钢渣在蒸养条件下的安定性问题。结果显示: 提高蒸养温度能够明显促进钢渣中胶凝组分的水化，同时也 在一定程度上加快了影响安定性的组分的反应; 当蒸养温度达到 80 ℃ 时，能够明显加速游离 CaO 的反应，破坏钢 渣硬化浆体的微结构; 蒸养对钢渣中 ＲO 相和 MgO 矿物的反应活性影响较小。 关键词： 钢渣; 蒸养; 安定性; 游离 CaO 中图分类号： TU528; TG115. 21 + 5. 3 文献标识码： A doi： 10. 3969 / j． 1000-6281. 2014. 03. 009
2 结果与讨论
2. 1 化学结合水 化学结合水量可以用来表征水化产物的相对多
少和水化程度的相对大小。图 1 显示了钢渣浆体分 别在 20 ℃ 、60 ℃ 和 80 ℃ 养护温度下的化学结合水 量。在 20 ℃ 养护下，钢渣浆体的化学结合水量随着 龄期增长，28 d 化学结合水量达到 4. 73% ，远低于 相同水胶比和相同养护条件下硅酸盐水泥的化学结 合水量［13］，可 见 钢 渣 具 有 水 化 活 性，但 活 性 很 小。 在 60 ℃ 和 80 ℃ 养护下，钢渣浆体的 3 d 化学结合 水量均超过 5% ，其 28 d 化学结合水量超过 8% ，表 明高温养护显著激发了钢渣活性。80 ℃ 养护下的 钢渣的 7 d、28 d 化学结合水量相对于 60 ℃ 养护下 的钢渣 的 7 d、28 d 化 学 结 合 水 量 分 别 提 高 了 12. 9% 和 15. 0% ，说明养护温度升高至 60 ℃ 以上 后对钢渣活性的激发效果有所减小。 2. 2 抗压强度
under different curing temperature．
为 13. 7 MPa，反而低于 7 d 抗压强度，这说明高温蒸 养下的钢渣可能存在安定性不良问题。当蒸养温度 升高至 80 ℃ ，试验试样表面明显膨胀开裂，抗压强 度为 0。将钢渣试样成型后在常温下静停 6 h、12 h、 24 h 后再放入 80 ℃ 蒸养箱中养护至 3 d，试样表面 膨胀开裂现象仍然明显。钢渣在 80 ℃ 高温蒸养的 条件下存在显著的安定性不良问题，并且蒸养温度 越高，钢渣的安定性不良问题越显著。
第3 期
张 波等： 钢渣在蒸养条件下的安定性
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1. 2 试验方法 用于微观试验的钢渣浆体是将钢渣与水按质量
比 1∶ 0. 3 拌制而成，钢渣浆体加水搅拌均匀，密闭在 塑料离心管内养护，养护温度分别为 20 ℃ 、60 ℃ 和 80 ℃ 。到达测试龄期时，取样放入丙酮中停止水 化，在样品测试前将其取出并置于 80 ℃ 的干燥箱中 烘干。
1 原材料与试验方法
1. 1 原材料 实验用钢渣为转炉钢渣，比表面积为 461 m2 /
kg，钢渣的化学组成见表 1。所用钢渣的主要矿物 相是 C2 S、C3 S 和 ＲO 相，还含有 C2 F、Fe3 O4 、C12 A7 、 Ca2 Al2 Si3 O12 和 f-CaO，其 中 游 离 CaO 含 量 为 4. 96% 。
Na2 O 0. 02
K2 O 0. 05
收稿日期： 2014 － 02 － 12； 修订日期： 2014 － 03 － 13 基金项目： 高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金资助项目（ No． 2011CEM005） ． 作者简介： 张波（ 1989 － ） ，男（ 汉族） ，山西省人，硕士． E-mail： zb7yue@ 163． com * 通讯作者： 阎培渝（ 1955 － ） ，男（ 汉族） ，重庆人，教授． E-mail： yanpy@ tsinghua． edu． cn
of steel slag at 7 d．
图 3 是钢渣分别在 20 ℃ 、60 ℃ 和 80 ℃ 温度下 养护 28 d 的水化产物 XＲD 图谱。当钢渣水化 28 d 时，不同养护温度下的水化产物的 XＲD 图谱中均有 明显的 Ca（ OH） 2 的特征峰，且 80 ℃ 养护下钢渣的 Ca（ OH） 2 特征峰的强度远大于 20 ℃ 、60 ℃ 养护下 的钢渣，可见 80 ℃ 的高温养护条件对游离 CaO 的 反应有明显的激发作用。在不同养护温度的水化产 物的 XＲD 图谱中均有 ＲO 相的特征峰，且特征峰强
第 33 卷 第 3 期 2014 年 6 月
电子显微学报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society
Vol. 33，No. 3 2014-06
文章编号： 1000-6281（ 2014） 03-0246-05
钢渣在蒸养条件下的安定性
张 波，胡 瑾，阎培渝*
表 1 钢渣的化学成分 /% Table 1 Chemical compositions of steel slag / %
CaO 45. 38
SiO2 14. 38
Al2 O3 7. 19
Fe2 O3 20. 34
MnO 5. 13
SO3 0. 34
MgO 3. 46
P2 O5 1. 23
TiO2 0. 82
在蒸养温度为 20 ℃ 、60 ℃ 和 80 ℃ 下，用于强 度试验的钢渣浆体的抗压强度见表 2。常温养护下 钢渣的活性很小，试样成型后抗压强度为 0。蒸养 温度为 60 ℃ 时，钢 渣 的 7 d 抗 压 强 度 达 到 17. 5 MPa，早期抗压强度明显增大，但是其 28 d 抗压强度
图 1 钢渣在不同温度养护条件下的化学结合水。 Fig． 1 Non-evaporable water contents of steel slag
养护 7 d 的水化产物 XＲD 图谱。不同养护温度下， C2 S、C3 S 均有明显的特征峰，说明 C2 S、C3 S 尚有大 量未 进 行 水 化 反 应。ＲO 相 是 CaO、FeO、MgO 和 MnO 的固溶体，它的特征峰强度在不同养护温度下 的 XＲD 图谱中都很强，说明 ＲO 相参与反应的程度 很小。根据唐明述［14］等学者的研究表明，以固溶态 存在的 ＲO 相在水化过程中是非活性的，高温没有 明显激发其水化活性的作用。试验用钢渣中 MgO 矿物的质量分数为 3. 46% ，MgO 在胶凝材料的水化 过程中有可能生成 Mg（ OH） 2 ，体积膨胀造成试样安 定性不良，但是在图 2 中没有发现 Mg（ OH） 2 的特 征峰，说明 MgO 不是钢渣在高温蒸养条件下膨胀开 裂的原因。
混凝土是目前全世界应用最广泛的建筑材 料［1］。随着高强高性能混凝土的研究和实践应用， 矿物掺合料已经广泛应用于各类混凝土相关的工程 实际中，矿渣和粉煤灰成为降低混凝土资源损耗、二 次利用工业废渣的重要组分，并在改善混凝土工作 性、耐久性方面发挥重要作用［2 ～ 4］。由于矿渣和粉 煤灰的广泛应用，在很多城市，矿渣和粉煤灰逐渐成 为一种紧缺资源，它们的价格也越来越高。钢渣是 炼钢工业排放的废渣，由于其矿物组成中存在含硅 酸钙矿物（ C3 S，C2 S） 、铁酸钙矿物（ C4 AF，C2 F） 和 铝酸钙矿物（ C3 A，C12 A7 ） ［5］，具有潜在的胶凝性能 和碱激发 作 用，可 以 作 为 混 凝 土 中 的 矿 物 掺 合 料 使用。
用于强度试验的钢渣浆体是将钢渣与水按质量 比 1∶ 0. 3 搅拌均匀，置于试件尺寸为 40 mm × 40 mm × 40 mm 的试件中成型，放入温度分别为 20 ℃ 、60 ℃ 和 80 ℃ 的蒸养箱中养护至测试龄期，根据 GB / T17671-1999 测定试件的抗压强度。
采用烧失量的方法测定了钢渣浆体的化学结合 水。取样品磨细，在 80℃ 干燥箱中烘干 12h 后测得 干燥质量，再高温煅烧至 1 000 ℃ ，测得煅烧至恒重 的质量，用样品的烧失量除以干燥质量得到钢渣浆 体的化学结合水［12］。采用 TTＲ Ⅲ型 X-射线衍射仪 测定了钢渣在不同蒸养温度下的水化产物。采用 FEI Quanta 2000F 型环境扫描电子显微镜在高真空 条件下观察了硬化钢渣浆体的显微形貌，并采用 D / max-rB 型 KＲD 仪测定了钢渣样品的水化产物。
表 2 钢渣净浆的抗压强 / MPa Table 2 Compressive strength of steel slag paste / MPa
Curing temperature / ℃
20 60 80Fra Baidu bibliotek
3 0 1. 73 0
Ages / d
7 0 17. 5 0
28 0 13. 7 0
2. 3 XＲD 结果 图 2 是钢渣分别在 20 ℃ 、60 ℃ 和 80 ℃ 温度下
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电子显微学报 J． Chin． Electr． Microsc． Soc．
第 33 卷
图 2 中，当养护温度为 80 ℃ 时，钢渣试样中存 在明显的 Ca（ OH） 2 的特征峰，且其特征峰强度远高 于养护温度为 20℃ 和 60℃ 时试样中 Ca（ OH） 2 的特 征峰强度。这说明，在 80℃ 蒸养条件下的钢渣试样 生成了大量 Ca（ OH） 2 ，反应导致体积膨胀和表面开 裂，试验用钢渣在高温蒸养条件下表现出安定性不 良。试样用钢渣中含有质量分数为 4. 96% 的游离 CaO，游离 CaO 在水化过程中生成 Ca（ OH） 2 ，破坏 了钢渣硬化浆体的微结构，是钢渣安定性不良的主 要原因。
度基本一致，可见 ＲO 相的反应程度不随着养护温 度的变化而明显变化。并且在不同养护温度下的水 化产 物 中 都 未 发 现 Mg （ OH） 2 。这 说 明 ＲO 相 和 MgO 均不是钢渣表现出安定性不良的原因。综上 可得，游离 CaO 是钢渣在高温蒸养条件下表现出安 定性不良的主要原因。
图 2 钢渣 7d 水化产物的 XＲD 图谱。 Fig． 2 XＲD results of the hydration products