高爐礦渣充填材料膠凝性能的活化及反應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、本文以濟(jì)鋼?；郀t礦渣為主要原料，利用高爐礦渣的潛在膠凝活性，采用不同活化劑活化的方法制備高爐礦渣基新型充填膠凝材料；并通過(guò)對(duì)所制備膠凝材料膠凝性能和水化產(chǎn)物的研究，分析其膠凝性能特點(diǎn)、闡明其水化反應(yīng)機(jī)理；最后，通過(guò)對(duì)不同骨料的膠結(jié)試驗(yàn)，分析其作為充填用膠凝材料的可行性。通過(guò)研究，取得了以下主要結(jié)果。
　　1．高爐礦渣的基本性能研究表明，粒化高爐礦渣是一種以SiO2、CaO、MgO、Al2O3為主要成分的玻璃體物質(zhì)，同時(shí)在玻璃體中

2、存在少量黃長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、硅酸二鈣微晶體，形成了網(wǎng)絡(luò)-微晶結(jié)構(gòu)。
　　2．選用不同活化劑對(duì)礦渣進(jìn)行活化的方法，制備了不同膠凝性能的礦渣基膠凝材料。CaO活化膠凝材料(SCO)的最佳配比為：高爐礦渣:CaO=100:15，該膠凝材料膠結(jié)漿體短齡期抗壓強(qiáng)度低于水泥，而長(zhǎng)齡期抗壓強(qiáng)度與水泥相當(dāng)，具有良好的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)性能。CaO+CaCl2活化膠凝材料(SCC)的最佳配比為：高爐礦渣:CaO:CaCl2=100:15:0.15，該膠凝材料

3、各齡期漿體單軸抗壓強(qiáng)度明顯高于普硅水泥，具有明顯的快硬性能。CaO+脫硫石膏活化膠凝材料(SGY)的最佳配比為：高爐礦渣:CaO:脫硫石膏=100:15:12.5，該膠凝材料各齡期漿體單軸抗壓強(qiáng)度高于普硅水泥、CaO活化和CaO+CaCl2活化膠凝材料，說(shuō)明CaO+脫硫石膏活化能夠制備出良好快硬性能的膠凝材料。硫鋁酸鹽水泥活化膠凝材料(SAS)的最佳配比為：高爐礦渣:快硬水泥=100:30，該材料的具有較好的速凝性能，但長(zhǎng)齡期漿體抗壓強(qiáng)

4、度增長(zhǎng)低于水泥，適用于要求快速凝結(jié)的膠結(jié)充填。
　　3.借助XRD、TG-DTA、紅外光譜、SEM-EDS等分析手段，對(duì)水泥、高爐礦渣基新型充填膠凝材料1d，3d，7d的水化產(chǎn)物及其變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　?。?）CaO活化與CaO+CaCl2活化膠凝材料各齡期水化產(chǎn)物與普硅水泥有較大的差異。這兩種膠凝材料的各齡期水化產(chǎn)物以低鈣硅比水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH）微晶或隱晶質(zhì)組成的凝膠為主，伴有極少量碳酸鈣、氫

5、氧化鈣、硫酸鈣。二者不同齡期水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)存在一定的差異。水化1d的結(jié)構(gòu)仍然保留了高爐礦渣原有成分的大部分形貌，呈“碎石”狀，礦渣顆粒表面已成“鹽堿狀”，表明處在水化反應(yīng)初期，結(jié)構(gòu)開始變得緊密；水化3d的結(jié)構(gòu)比水化1d的形貌更加密實(shí)，水化產(chǎn)物呈“凝脂狀”，大部分硅酸鈣顆粒已參與水化反應(yīng)轉(zhuǎn)化水化硅酸鈣；水化7d，礦渣顆粒已全部參與水化反應(yīng)凝結(jié)在一起，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，形成較高強(qiáng)度。兩種材料各齡期水化產(chǎn)物的XRD分析表明，其水化產(chǎn)物以非晶質(zhì)物質(zhì)

6、為主，結(jié)晶質(zhì)含量極少；在各齡期的DTA、IR譜線沒有出現(xiàn)鈣礬石（AFt）類結(jié)晶相特征峰，在SEM-EDS圖中也沒有發(fā)現(xiàn)AFt類結(jié)晶相形貌。說(shuō)明CaO活化與CaO+CaCl2活化高爐礦渣的膠凝性能主要來(lái)自水化硅酸鈣凝膠、水化鋁酸鈣凝膠。
　　（2）CaO+脫硫石膏活化和硫鋁酸鹽水泥活化膠凝材料的水化產(chǎn)物與普硅水泥相似，主要是AFt、CSH凝膠、低硫型硫鋁酸鈣（AFm）、氫氧化鈣等，同時(shí)伴有少量的碳酸鈣和二水硫酸鈣生成。兩種材料水化產(chǎn)

7、物隨著水化反應(yīng)時(shí)間的不同而有所差別。CaO+脫硫石膏活化膠凝材料水化1d的主要物相為二水硫酸鈣，同時(shí)還有少量的CSH和氫氧化鈣，表明處在水化反應(yīng)初期。隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，3d、7d水化產(chǎn)物中AFm、AFt相衍射峰越來(lái)越強(qiáng)，二水硫酸鈣的衍射峰越來(lái)越少，強(qiáng)度越來(lái)越低，表明隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，二水硫酸鈣逐漸轉(zhuǎn)移到AFt和AFm中。硫鋁酸鹽水泥活化膠凝材料SAS的水化1d的微觀結(jié)構(gòu)有大量細(xì)小針狀鈣礬石晶體生成，形成較強(qiáng)的初期強(qiáng)度。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)

8、行，結(jié)構(gòu)雖然變得更加密實(shí)，但鈣礬石類結(jié)晶相的減少到消失，空隙變大，顆粒變小，后期強(qiáng)度降低。表明添加硫鋁酸鹽水泥后會(huì)加快水化反應(yīng)進(jìn)程，生成鈣礬石類晶體，具有較好的速凝性能，但長(zhǎng)齡期漿體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)低于水泥。
　　4.以?；郀t礦渣為原料制備的四種膠凝材料不同齡期的水化產(chǎn)物和凝結(jié)強(qiáng)度的變化之所以出現(xiàn)較大差異，主要是由于活化劑作用和水化產(chǎn)物種類不同。SCO和SCC使用CaO和CaO+CaCl2做活化劑，增大了材料漿體的pH，提供活化高爐

9、礦渣潛在活性的堿環(huán)境，生成水化產(chǎn)物主要是氫氧化鈣、水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠；而SGY和SAS分別使用氧化鈣+石膏、硫鋁酸鹽水泥做活化劑，在提供堿環(huán)境的同時(shí)提供了生成鈣礬石所必須的SO42-，膠凝材料SGY和SAS水化產(chǎn)物主要是鈣礬石、單硫型硫鋁酸鈣、水化鋁酸鈣類，這是膠凝材料SGY、SAS具有較強(qiáng)快硬性能的主要原因。
　　5.采用不同活化方法所制備的膠凝材料，對(duì)不同種類和不同粒度骨料的膠結(jié)對(duì)比試驗(yàn)表明，以上四種高爐礦渣基膠凝