不同激发剂对免烧钢渣陶粒抗压强度的影响

易龙生 康路良 齐丽娜 李 行 黎七荣(中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083)

不同激发剂对免烧钢渣陶粒抗压强度的影响

易龙生 康路良 齐丽娜 李 行 黎七荣(中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083)

试验选用NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃及这些试剂组成的复合试剂作为免烧钢渣陶粒的外加激发剂，通过测定免烧钢渣陶粒在不同激发剂下3、7和28 d的抗压强度，分析对比了各种激发剂对免烧钢渣陶粒抗压性能的影响，并最终通过XRD确定了钢渣在受到激发后生成的水化产物。试验结果表明:激发剂能破坏钢渣中的玻璃体网状结构，释放封存在体内的硅铝铁等活性成分，其中，复合激发剂NaOH+石膏(质量比为1∶1)对免烧钢渣陶粒的激发效果最好，在此激发剂的激发作用下，生成的水化矿物相为钙铁辉石。

钢渣 免烧陶粒 激发剂 抗压强度

“十二五”规划以来，我国对环境保护及二次资源再生利用的投入力度都在不断加大。钢渣作为一种钢铁冶金工业排放的固体废弃物，其排出量约占粗钢产量的15%～20%[1]，每年以数百万t的速度在增长[2]，与之形成鲜明对比的是，我国钢渣的利用率仅为50%～60%[3]。

钢渣的大量堆积，不仅占用土地，污染环境，而且长年累月经雨水冲刷析出的重金属也会对土壤及地下水造成污染，危害人们的生活和生存环境[4-6]；另一方面，钢渣作为一种经急冷而形成的玻璃体，体内封存着大量能量，具有很强的热力学活性，虽然其本身的胶凝性不强，但却是一种很强的潜在胶凝活性物质[7-9]。选择合适的激发剂来激发其潜在胶凝活性，制备高强度的免烧钢渣陶粒，便可以将大量堆积的钢渣化害为利、变废为宝，还可以固化其中的重金属物质，实现环境、经济、社会三重效益的统一，符合我国科学发展的目标。

1 试验原料与试验方法

1.1 试验原料

(1)钢渣。钢渣取自湖南湘潭钢铁集团，呈灰白色，经磨细处理，主要化学成分分析结果见表1，粒度分布见图1，XRD图谱见图2。

表1 钢渣的主要化学成分
Table 1 Main chemical composition of steel slag %

成 分CaOSiO2TFeMgOAl2O3P2O5含 量38.4730.1616.828.404.480.04

从表1可以看出，钢渣中CaO、SiO2、Fe含量较高，其次是MgO、Al2O3，P2O5含量极低。

从图1可以看出，钢渣粒度较细，主要集中在5～20 μm，+100 μm含量极低。

图1 钢渣粉粒度分布

图2 钢渣的XRD图谱

从图2可以看出，钢渣的物相图杂乱无章，这恰说明急冷后的钢渣是一种玻璃体，无完整的结晶结构，故在XRD下看不出物相组成，需通过化学激发破坏玻璃体进行分子重排，从而形成完整的结晶。

(2)水泥。试验用水泥熟料为市面上最常见的32.5#复合硅酸盐水泥，呈灰色，化学成分及粒度分布分别见表2、图3。

表2 水泥的主要化学成分
Table 2 Main chemical composition of cement %

成分CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3SO3K2OZnO含量49.4613.694.954.572.231.370.550.35

图3 水泥粒度分布

从表2可以看出，水泥中的主要成分为CaO，其次是SiO2，MgO、Al2O3、Fe2O3等含量均较低。

从图3可以看出，水泥的粒度比钢渣粉略粗。

(3)石膏。石膏为工业二水石膏。

(4)细砂。细砂取自湘江河岸，细度模数为2.7。

(5)激发剂。试验所用均为常用激发剂：NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃(均为分析纯)，以及这些试剂按质量比1∶1组成的复合激发剂。

1.2 激发剂筛选试验方案

因纯钢渣制成的免烧陶粒抗压强度为0，故筛选最优激发剂的试验固定水泥掺量为胶凝材料总量的30%，采用激发剂+钢渣掺量占胶凝材料总量70%的配料方法来探究不同激发剂的不同掺量对免烧钢渣陶粒抗压强度的影响。钢渣、激发剂所占比例及细砂、水分添加量如表3所示，按表3配方筛选出最佳激发剂。

表3 化学激发试验方案Table 3 Experimental scheme of chemical activation

注：①激发剂表示NaOH、CaO、石膏、CaCl2、水玻璃、NaOH+石膏、NaOH+水玻璃、NaOH+CaCl2、NaOH+CaCl2+水玻璃；②砂胶比指细砂与激发剂+钢渣粉+水泥总掺量的比值；③水胶比指外加水与激发剂+钢渣粉+水泥总掺量的比值。

1.3 试验方法

2 试验结果与分析

2.1 激发剂筛选试验

2.1.1 单一激发剂对免烧钢渣陶粒抗压强度的影响

单一激发剂对免烧钢渣陶粒抗压强度影响试验结果见表4。

从表4可以看出：

(1)未加激发剂时，免烧钢渣陶粒3 d抗压强度仅为4.32 MPa。当各激发剂加入量为2%时，免烧钢渣陶粒的抗压强度都得到提高，激发剂影响幅度由大到小的排列顺序为CaCl2>NaOH>石膏>CaO>水玻璃，这是由于原料中加入了30%的水泥，提供了一定的碱性环境，当激发剂的加入量较小时，整个体系的碱性仍不足以大量溶蚀钢渣玻璃体，使其释放封闭于其中的硅铝成分，故此时体系中的Ca2+浓度对强度的影响最大。一方面，Ca2+与部分溶蚀出来的硅铝成分形成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝物质；另一方面，Ca2+的加入也促进了水泥的水化作用，在一定程度上对水泥起了激发促进作用。所以，当单一激发剂的加入量不超过2%时，CaCl2的激发作用最好，而且，随着CaCl2加入量的提高，免烧钢渣陶粒的强度稳步提升，这说明Ca2+浓度的提高始终有利于整个体系的活化。

表4 单一激发剂制备的免烧钢渣陶粒不同龄期的抗压强度Table 4 Compressive strength of the non-sintered steel slag ceramsite activated by different single activator at different curing periods

(2)当激发剂的用量提高到4%和6%时，NaOH的激发作用最好，这是因为随着激发剂用量的增加，整个体系碱性的影响马上占据主导地位。NaOH是一种强碱性物质，具有强烈的碱腐蚀性，它的加入能迅速提高体系的碱性，当加入量达到一定值时，便将钢渣玻璃体中的硅铝铁成分大量溶蚀出来，从而大大提高了钢渣的活性，使免烧钢渣陶粒产生较高强度；但NaOH并不是越多越好，随着NaOH加入量的增加，陶粒强度提高的幅度从大到小，最后反而会降低陶粒的强度。这是由于当体系的碱性达到足以破坏整个钢渣玻璃体时，碱性的进一步提高便不会再提高钢渣的活性，相反，过高的碱性会使部分物质溶于碱中，导致整个体系的液固比例失衡，反而降低了免烧钢渣陶粒的强度。

(3)当激发剂的用量提高到8%和10%时，水玻璃的激发作用开始变得最好。水玻璃的激发作用主要体现在2个方面：一是直接化学激发作用，二是间接化学激发作用。水玻璃本身是一种黏结剂，能够依靠自身胶结力将其他颗粒物质黏结为一个整体，产生直接的化学激发，这在水玻璃加入量较少时起主要作用。同时水玻璃也是一种碱性物质，具有碱腐蚀性，它能像NaOH一样破坏钢渣玻璃体结构，对钢渣的活化起间接化学激发作用。虽然它的碱性不如NaOH，但当加入量达到一定值时，便也可达到破坏整个玻璃体的最佳碱性，再加上本身的胶结作用，使得水玻璃的加入量达到一定值后，免烧钢渣陶粒的早期强度得到大幅度提高。

(4)石膏对免烧钢渣陶粒强度的提高效果相对平缓，这是由于石膏本身就是一种具有胶结性的激发剂，它对钢渣活性的激发主要靠直接化学作用，由于碱性不够，无法破坏钢渣的玻璃体结构，因而强度的提高有限。

(5)CaO添加量超过2%时反而严重影响免烧钢渣陶粒的强度，这是因为CaO遇水会发生体积膨胀，少量加入CaO可以提高体系的碱性，补充Ca2+促进活化，但稍微过量就会引起免烧钢渣陶粒爆裂，表面产生很多裂纹，且裂纹随CaO添加量的增多而增多。而且如果生成的Ca(OH)2含量过多，Ca(OH)2还会进一步生成六方板状晶体，既没有胶凝性，又容易溶解于水中，使免烧钢渣陶粒产生更多空隙，这就严重影响到了免烧钢渣陶粒的强度。

2018年11月26日，机电一体化专家博泽中国太仓新基地举行了开业庆典仪式。多名博泽集团和中国区领导层、太仓市政府领导和业界人士共同出席了此次活动。

(6)免烧钢渣陶粒在各激发剂作用下7 d抗压强度的变化趋势大体与3 d相同，除CaO外，7 d抗压强度较3 d都有所上升，这说明随着养护时间的延长，在各激发剂作用下整个胶凝体系的水化程度都在加深。而免烧钢渣陶粒在各激发剂作用下28 d的抗压强度发生了一些变化：首先，在NaOH、CaCl2的激发下，免烧钢渣陶粒28 d的抗压强度较7 d仍有一个稳步增长，在掺量为6%时，其抗压强度分别达到16.22 MPa和14.54 MPa，这说明碱性对免烧钢渣陶粒后期强度的提高要强于Ca2+，这主要是由于高碱性环境下溶蚀钢渣玻璃体释放出硅铝铁成分与钙形成胶凝物质是一个缓慢的过程，从而导致钢渣的水化速度较慢，但对后期强度却是有利的。在石膏的激发作用下，免烧钢渣陶粒28 d抗压强度与7 d相比，最大增值仅为3.24 MPa，增幅不明显。这是由于石膏主要是靠本身的直接化学作用，没有真正溶蚀出封存在钢渣体内的硅铝铁等活性成分，故后期强度增加不明显。其次，在水玻璃的激发作用下，免烧钢渣陶粒28 d的抗压强度较7 d出现大幅度下降，掺量为10%时，从7 d的17.09 MPa降到了28 d的12.43 MPa，且抗压强度并不随水玻璃掺量的增加而增加，而是在掺量为6%时达到最低强度8.23 MPa，出现一个先降后升的趋势。这可能是由于水玻璃本身的胶结作用随着养护时间的延长，受到周围环境等一系列复杂因素的影响而失效，从而严重影响到免烧钢渣陶粒的后期强度，但同时水玻璃提供的碱性环境却又利于后期强度的增加。

单一激发剂激发试验表明，激发剂对钢渣活性的激发主要有直接化学作用和间接化学作用，且间接化学作用对免烧钢渣陶粒后期强度的提高要强于直接化学作用。

2.1.2 复合激发剂对免烧钢渣陶粒抗压强度的影响

复合激发剂对免烧钢渣陶粒抗压强度影响试验结果见表5。

从表5可以看出，复合激发剂的加入对免烧钢渣陶粒3、7、28 d的抗压强度影响较大。其中，NaOH+石膏复合激发对免烧钢渣陶粒抗压强度的增幅最大，在NaOH+石膏的掺量为10%时，其3、7、28 d的抗压强度分别达到了12.47、14.85、19.49 MPa，远远超过未加激发剂时的4.32、5.37、11.88 MPa，结合表4可知，也远远超过单加NaOH或石膏的情况。这说明NaOH+石膏的复合激发更有利于免烧钢渣陶粒抗压强度的提高，这可能是由于NaOH和石膏起到了一个相互促进的作用，一方面NaOH的加入比例合适，提供了良好的碱性环境，能够较好地溶蚀钢渣玻璃体，释放出硅铝铁等活性成分，另一方面石膏又提供了一定的Ca2+，且本身具有胶结性，从而极大地提高了免烧钢渣陶粒的强度。而在NaOH+CaCl2和NaOH+水玻璃的复合激发下，其3 d和7 d的抗压强度均分别低于单加CaCl2或水玻璃的情况，28 d的情况则相反。这可能是由于CaCl2和水玻璃更有利于免烧钢渣陶粒早期强度的提高，而NaOH则对后期强度的影响较大。NaOH +CaCl2+水玻璃的复合激发效果要低于这三者中任意一种单一激发剂的激发效果，甚至在28 d时，其抗压强度要低于未加激发剂时的情况。

表5 复合激发剂制备的免烧钢渣陶粒不同龄期的抗压强度Table 5 Compressive strength of the non-sintered steel slag ceramsite activated by composite activators at different curing periods

这可能是由于胶凝体系中生成了没有胶凝性的沉淀物质，覆盖在钢渣表面，影响了钢渣的活化。

上述试验表明，复合激发剂NaOH+石膏对免烧钢渣陶粒抗压强度提高效果最显著。

2.2 NaOH+石膏复合激发对免烧钢渣陶粒水化矿物相的影响

为了确定复合激发剂NaOH+石膏激发钢渣后的水化产物，在该复合激发剂下进行了纯钢渣激发试验。其中钢渣掺量为85%，NaOH+石膏掺量为15%，砂胶比和水胶比仍维持在1∶6和1∶3不变。自然养护3、7、28 d，抗压强度分别为14.53、17.46、17.87 MPa，并对养护28 d后的免烧钢渣陶粒粉磨制样，其XRD图谱见图4。

从图4可以看出，在NaOH+石膏的复合激发作用下，钢渣水化后的主要结晶相为SiO2和钙铁辉石，而原钢渣本身是一种经急冷后所形成的没有完整结晶相的玻璃体。这说明在NaOH+石膏的激发作用下，钢渣的玻璃体网状结构受到破坏，释放出了活性硅铝成分，在碱性环境下与钙、铁等物质形成了具有胶凝性的硅酸盐矿物。

图4 NaOH+石膏激发纯钢渣水化28 d的XRD图谱

3 结 论

(1)在单一激发剂激发试验中，NaOH、石膏、CaCl2和水玻璃都对钢渣具有一定的激发作用，其中NaOH和CaCl2更有利于免烧钢渣陶粒后期强度的提高，石膏和水玻璃更有利于提高其早期强度，而对后期强度增幅减缓，甚至出现下降；CaO在激发过程中因体积膨胀出现爆裂现象，严重降低了免烧钢渣陶粒的强度。

(2)钢渣的活性激发作用主要可分为3种：激发剂本身具有胶结性的直接化学激发作用，破坏钢渣玻璃体结构、生成新组分的间接化学激发作用以及二者的复合化学激发作用。

(3)NaOH+石膏组成的复合激发剂对钢渣的激发效果最好，在掺量为10%时，免烧钢渣陶粒3、7、28 d的抗压强度分别达到了12.47，14.85和19.49 MPa。

(4)钢渣在NaOH+石膏的复合激发下，玻璃体网状结构受到破坏，溶蚀出的活性组分生成的水化产物为钙铁辉石，有效提高了钢渣的胶凝性。

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(责任编辑 罗主平)

Effect of Different Activators on Compressive Strength of Non-sintered Steel Slag Ceramsite

Yi Longsheng Kang Luliang Qi Lina Li Hang Li Qirong(SchoolofMineralProcessing&Bioengineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

Compressive strength of non-sintered steel slag ceramsite，being added of different reagents of NaOH，CaO，gypsum，CaCl2，sodium silicate，curing at 3,7,28 d are detected.Effect of various activators on the compressive property of non-sintered steel slag ceramsite is analyzed and compared.The hydrate products of steel slag generated after activation are finally determined by XRD analysis.The test results show that the activators can destroy the vitreous network structure of the steel slag and release active ingredients sealed inside，such as ferro-silico aluminium，among which，the composite activator made up of NaOH and gypsum(ratio of which is 1∶1) has the best activation effect on non-sintered steel slag ceramsite.Activated by this activator，the hydrated mineral phase generated from steel slag is hedenbergite.

Steel slag，Non-sintered ceramsite，Activator，Compressive strength

2014-11-01

易龙生(1964—)，男，所长，教授，硕士。

TD926.4

A

1001-1250(2015)-01-166-05