钢渣粉的水化及其对水泥水化的影响(整理)

分别由两种物质产生的结合水量。近似的办法是：由于钢渣粉水化的
PH 值与水泥的比较接近，假定水泥对钢渣粉水化产生的结合水量影
单掺钢渣粉的水泥水化样的结合水 Wn 按下式计算：
Wn=（m105-m950）/m950×100%-（1-β）Lc-βLs 式中：m105、m950 分别为待测样品 105℃干燥后和 950℃灼烧后待测 样品的质量（g）；Lc、Ls 分别为水泥和钢渣粉的烧失量（%）；β
为钢渣粉占总胶凝材料的质量比例（%）。
模后试样置于标准条件下进行养护到要求龄期，取中间部位用无水乙
醇中止水化后，在真空干燥箱中 105℃下干燥至恒重待测。其中 XRD
测试所用样品则先将干燥后的样品研磨至一定细度。
孔溶液碱度的测定：每组试样称取 4g 加入 40ml 的去离子水充分
搅拌后，静置 2h，用 PHS-3C 型精密 pH 计测定孔隙溶液 pH 值。
要矿物为 C3S、C2S、C2F、RO 相、Ca(OH)2、CaCO3、SiO2，以及少量的
MgO、MgCO3 和 FeCO3。图 1 中没有发现 f-CaO 峰，但存在 Ca(OH)2 和 CaCO3 峰，这是由于本实验用钢渣粉经过闷渣和超细活化处理，在处 理过程中钢渣粉中的 f-CaO 以及部分的 C2S、C3S 水化形成了较多的 Ca(OH)2，而部分 Ca(OH)2 碳化又形成了 CaCO3。
水化自硬能力。除 C0、S0 外，测得的 C1、C2、C3、C4、C5 结合水量
均为水泥及钢渣粉共同水化所产生，要评价钢渣粉对水泥水化的影
响，探明钢渣粉对水泥水化的究竟产生了促进或是抑制作用，必须求
出不同龄期时掺钢渣粉混合水泥水化体系中每 g 水泥所产生的结合
水量。然而，水泥和钢渣粉之间的水化是互相影响的，难以精确求出
钢渣粉的 SEM 图如图 2 所示，从该图可见颗粒较大的板柱状 C3S 晶粒（深灰色），颗粒较小的呈类圆粒状的 C2S 晶粒（灰色），以及 一些大小不一的不规则多边形颗粒，晶粒表面有较多细小的附着物。
图 1 原材料钢渣粉的 XRD 图
图 2 原材料钢渣粉的 SEM 图
3.2 纯钢渣粉水化体系以及掺钢渣粉的水泥水化体系的孔隙溶液碱度
结合水量（%）
3d
7d
4.80
5.14
13.06
15.30
13.05
14.75
12.85
14.18
12.48
13.47
11.90
12.51
11.12
11.46
28d 7.36 16.59 16.76 15.94 15.21 14.24 13.07
从表 4 看出钢渣粉水化有一定量的结合水，说明钢渣粉自身具有
12.77
12.80
12.78
C3
12.76
12.76
12.78
12.83
C4
12.74
12.76
12.77
12.80
C5
12.74
12.74
12.74
12.78
S0
12.36
12.53
12.51
12.61
由表 3 还可以发现，在水化龄期 28d 前，无论是纯钢渣粉水化体
系，还是纯水泥水化体系、掺钢渣粉的水泥水化体系，随着龄期的增
钢渣是炼钢工业的废渣，其排放量为钢产量的 15%左右。国内外 有关研究表明[1-3]，钢渣粉的矿物组成包括硅酸二钙、硅酸三钙、RO 相、消解 f-CaO 产生的 Ca(OH)2，以及少量的 C4AF、C3A、C2F 等，与 水泥的矿物组成比较相似，因而钢渣属于具有较大开发利用潜力的资 源。与矿渣、粉煤灰这两大工业废弃物相比，钢渣在水泥混凝土中的 利用率较低，其主要原因涉及化学成分、矿物组成的波动性，难磨性， 水化活性以及稳定性等。最近，陈平等[4]利用开流选粉磨的生产工艺 线，在低能耗的条件下工业化生产了高细度的钢渣粉，这为钢渣在水 泥混凝土中的应用创造了一定的条件。本文以高细度的钢渣粉为研究
这主要是由于钢渣粉中 C2S、C3S 活性矿物含量比水泥少，水化产生的 Ca(OH)2 少，随着钢渣粉掺量的增加，产生的 Ca(OH)2 减少，水化体系 溶液碱度略有降低。
3.3 纯钢渣粉及掺钢渣粉水泥的水化产物及其微观结构
纯钢渣粉水化样品 S0 的 28d 水化样、钢渣粉掺量为 50%的混合
水泥水化样品 C5 的 28d 水化样的 XRD 图见图 3-图 4。
对象，对其自身的水化以及其对水泥水化的影响进行了研究，以期为
钢渣粉在水泥混凝土中的高效利用提供一定的理论依据。
2.实验方法
2.1 原材料
水泥：华新水泥股份有限公司生产的 42.5 级 P.O 水泥；
钢渣粉：武汉绿色冶金渣公司生产的超细钢渣粉，密度为
3.19g/cm3，比表面积为 470m2/kg，化学成分见表 1，水：去离子水。
实际上，钢渣的矿物组成还与其碱度密切相关。徐光亮等[7]的研
究发现碱度小于 2.4 的低碱度钢渣以橄榄石、镁蔷薇石、RO 相和 C2S 为主要矿物。侯贵华等[8]的研究表明高碱度钢渣主要矿物相为 C2S， MgO·2FeO 固溶体，Ca2(Al,Fe)2O5 以及少量的 C3S、CaO 和 MgO。B.MaSon[9] 按钢渣的碱度将钢渣分为 4 类：碱度在 0.9-1.4 之间为橄榄石渣（CaO
表 2 纯钢渣粉水化体系及掺钢渣粉的水泥水化体系的配合比
试样编号
各组分所占比例（%）
水
钢渣粉
水泥
C0
40
C1
40
C2
40C340Fra bibliotekC440
C5
40
S0
40
3.试验结果与讨论
0
100
10
90
20
80
30
70
40
60
50
50
100
0
3.1 钢渣粉的矿物组成和微结构
王玉吉等[5]的研究发现，氧气转炉钢渣的主要矿物为硅酸三钙
图 3 S0 试样 28d 水化样的 XRD 图 图 4 C5 试样 28d 水化样的 XRD 图
从纯钢渣粉水化样（S0）28d 的 XRD 图谱(图 3)可以看出，水化 样中主要存在水化产物 Ca(OH)2、Ca(OH)2 碳化生成的 CaCO3、C2S 与 CaCO3 的固溶体 2C2S.CaCO3，以及未水化的 C2S、C3S、RO 等。从图 4 掺 50%钢渣粉混合水泥浆体 28d 的 XRD 图谱可以看出，水化产物中除 Fe6(OH)12(CO3)外，与纯硅酸盐水泥水化样无显著区别。可能是由于钢 渣粉混合水泥与纯钢渣粉的水化碱度等不同，原料中铁质矿物水化没 生成 FeCO3 而生成了 Fe6(OH)12(CO3)。
钢渣水化体系具有较高的 pH 值，主要与钢渣粉中的 f-CaO 以及少量
C2S、C3S 等在钢渣粉经过闷渣和超细粉活化处理过程中生成 Ca(OH)2， 以及钢渣粉所含 C2S、C3S 等部分地参与水化反应生成了 Ca(OH)2 有关。
而纯钢渣粉水化体系各龄期的 pH 值均略低于纯水泥浆体，则主要是
因为水泥中的 C3S、C2S 含量明显高于纯钢渣粉，其水化产生的 Ca(OH)2
明显多于纯钢渣粉水化体系。
表 3 纯钢渣粉水化体系以及掺钢渣粉的水泥水化体系孔隙溶液的碱度
试样编号
1d
PH 值
3d
7d
28d
C0
12.82
12.83
12.83
12.89
C1
12.77
12.78
12.80
12.85
C2
12.77
钢渣中的玻璃体表面遭到破坏,连续的富钙相玻璃体为 OH-提供 了从被破坏表面进入玻璃体内部的通道。CaO 水化成 Ca(OH)2 和 Ca2+ 与钢渣溶出的活性阴离子团(如 SO42-等)反应生成 C2S2H 凝胶和 AFt,随 着水化反应的继续,Ca2+不断被吸收导致 Ca(OH)2 减少,连续生成的 C2S2H 凝胶和 AFt,C2S2H 凝胶不断沉积,使钢渣水泥浆体逐渐稠硬化,宏 观表现为强度增加。
纯钢渣粉水化体系以及掺钢渣粉的水泥水化体系的碱度见表 3。
由表 3 可看出，纯钢渣水化体系的 pH 值较高，各水化龄期均大于 12，
1d 水化龄期的 pH 值为 12.36，随着水化龄期的增长，pH 值有一定程
度的增加，当水化龄期为 28d 时，pH 值增加到 12.61，然而各龄期的
pH 值均略低于纯水泥浆体，差值在 0.30-0.50 之间。分析认为，纯
钢渣粉的水化及其对水泥水化的影响
摘要：利用 SEM、XRD 等测试手段，结合测试结合水、孔溶液碱度研 究了钢渣粉自身的水化特性、水化产物组成、微观结构，以及钢渣粉 对水泥水化的影响规律，分析了其作用机理。研究结果表明，纯钢渣 粉水化体系的 pH 值大于 12，随着水化龄期的增长，pH 值从 1d 龄期 的 12.36 增加到 28d 的 12.61，然而各龄期的 pH 值均略低于纯水泥 浆体，差值在 0.20-0.40 之间；钢渣粉自身具有一定的水化自硬能力， 其水化产物主要为 CSH 凝胶、Ca(OH)2 以及少量的 Fe6(OH)12(CO3)，除 Fe6(OH)12(CO3)外，与纯水泥的水化产物无显著区别；钢渣粉能促进水 泥的水化，其促进作用随掺量的增加而增加，然而水泥石结构随着钢 渣粉的掺加变得较为疏松。 关键词：钢渣粉；水泥水化；碱度；结合水；微观结构 1.前言
表 1 钢渣粉的化学成分（%）
成分 Al2O3 CaO K2O MgO MnO Na2O P2O5 SiO2 SO3 TiO2 Fe2O3 I.L 含量 4.00 40.55 0.10 7.72 1.51 0.03 1.10 16.76 0.40 0.94 13.93 7.05
2.2 实验方法
将原材料按表 2 配比制成 4cm×4cm×4cm 试块，1d 后脱模，脱
纯钢渣粉水化样品 S0 的 28d 水化样、钢渣粉掺量为 10%、50%的 钢渣水泥水化样品 C1、C5 的 28d 水化样 SEM 图见图 5-图 7。
图 5 S0 试样 28d 的 SEM 图
图 6 C5 试样 28d 的 SEM 图
图 7 C1 试样 28d 的 SEM 图 从图 7 掺 10%钢渣粉水泥浆体 28d 的 SEM 图中可以看到大量的云 絮状的 CSH 凝胶生成，少量细小的针状钙矾石，且有一些板状 Ca(OH)2 晶体插入到 CSH 凝胶体中，钢渣水化产物与水泥矿物水化产物相互搭 接，相互嵌锁，形成较为致密的网络结构。图 6 掺 50%钢渣粉混合水 泥浆体 28d 的 SEM 图可以看出有大量的蜂窝状的 CSH 凝胶和极少量细 小的针状钙矾石，大块的板状或棒状板状 Ca(OH)2 晶体不均匀地分布 在 CSH 凝胶中，水化物之间粘连不紧凑，可以看到较大的孔洞。图 5 纯钢渣粉水化物 28d 的 SEM 图可以见蜂窝状及少量针状的 CSH 凝胶， 有较多的板状或层状 Ca(OH)2 晶体分散在 CSH 凝胶中，水化物之间粘
(C3S)，硅酸二钙(C2S)及其含磷固溶体，固溶有少量 Al2O3 的铁酸二钙 （C2F），RO 相(以 FeO 为主的(Fe、Mg、Mn)O 固溶体)，游离石灰及 其含铁固溶体，以及少量的氟磷灰石、萤石、铁粒等。欧阳东等[6]的
研究发现转炉钢渣的主要矿物有 A 矿、B 矿、C2F 和 RO 相,它们均含 有较多的固溶物，还含有少量的 C3A、C4AF、Cr2O3、Ca(CrO2)2、f-CaO、 Ca(OH)2 和金属铁等。
连疏松，孔洞大且多。这说明随着钢渣粉掺量的增加，混合水泥的水
化产物基本相同，但水化产物孔洞变大，结构由致密变疏松。
3.4 结合水
掺钢渣粉混合水泥试样各龄期结合水量见表 4。
表 4 掺钢渣粉混合水泥各试样结合水量
试样编号
S0 C0 C1 C2 C3 C4 C5
1d 3.25 8.65 8.77 8.80 8.63 8.35 7.74
加，各水化体系的 pH 值均有一定程度的增加。这主要是由于随着水
化龄期的增加，C2S、C3S 等水化产生的 Ca(OH)2 增加。然而不同水化 体系中的 pH 值有一定的差别。对于掺钢渣粉的水泥水化体系，其同
龄期 pH 值介于纯钢渣粉水化体系与纯水泥水化浆体之间；随着钢渣
粉掺量的增加，同龄期掺钢渣粉的水泥水化体系的 pH 值略又降低。
•RO•SiO2）；碱度在 1.4-1.6 之间为镁蔷薇石渣（3CaO•RO•2SiO2）； 碱度在 1.6-2.4 之间为硅酸二钙渣；碱度在 2.4 以上的为硅酸三钙渣。
本实验钢渣粉为转炉钢渣，其碱度系数 CaO/（SiO2+P2O5）为 2.27， 属于硅酸二钙渣。钢渣粉 XRD 图如图 1 所示，从图 1 可以看出，其主