引用本文
张浩, 张欣雨, 龙红明. 弱酸改性钢渣微粉的光谱学分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(11): 3502-3506.
ZHANG Hao, ZHANG Xin-yu, LONG Hong-ming. Spectroscopic Analysis of Weak Acid Modified Steel Slag Powder[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(11): 3502-3506.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)11-3502-05  
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弱酸改性钢渣微粉的光谱学分析
张浩1,2,3, 张欣雨3, 龙红明1,2,3,*
1. 安徽工业大学冶金工程学院, 安徽 马鞍山 243032
2. 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243002
3. 安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032;
*通讯联系人 e-mail: yaflhm@126.com

作者简介: 张 浩, 1982年生, 安徽工业大学建筑工程学院副教授 e-mail: fengxu19821018@163.com

收稿日期: 2017-07-11
基金: 中国博士后科学基金项目(2017M612051), 国家自然科学基金项目(51674002), 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室(安徽工业大学)开放基金项目(KF17-08), 钢铁冶金新技术国家重点实验室(北京科技大学)开放基金项目(KF16-04)资助
摘要

以钢渣微粉作为研究对象, 采用磷酸溶液改性钢渣微粉制备弱酸改性钢渣微粉, 利用X射线衍射仪、 比表面积及孔径测定仪和环境扫描电镜对弱酸改性钢渣微粉进行表征, 研究弱酸改性钢渣微粉的组成成分、 孔结构、 微观结构和元素组成。 结果表明, 适量磷酸溶液可以有效去除钢渣微粉中f-CaO, 提高弱酸改性钢渣微粉的孔结构。 过量磷酸溶液与钢渣微粉中Ca(OH)2发生反应, 导致弱酸改性钢渣微粉结构坍塌, 整体呈现蓬松状。 80 g钢渣微粉, 1.6~3.2 mL磷酸溶液时, 弱酸改性钢渣微粉具有较低的f-CaO含量与良好的孔结构。 为进一步拓展钢渣的利用途径提供一定的技术支持和理论基础。

关键词: 钢渣微粉; 磷酸溶液; f-CaO; 孔结构; 光谱学
中图分类号:TF701.3 文献标志码:A
Spectroscopic Analysis of Weak Acid Modified Steel Slag Powder
ZHANG Hao1,2,3, ZHANG Xin-yu3, LONG Hong-ming1,2,3,*
1. School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243032, China;
2. Key Laboratory of Metallurgical Emission Reduction & Resources Recycling (Anhui University of Technology), Ministry of Education, Ma’anshan 243002, China;
3. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243032, China;;
Abstract

Taking steel slag powder as the object of study, weak acid modified steel slag powder was prepared by phosphoric acid modified steel slag powder. Weak acid modified steel slag powder was characterized by X-ray diffractometer, specific surface area and aperture meter and environmental scanning electron microscope. Composition, pore structure, microstructure and element composition of weak acid modified steel slag powder were researched. The results showed that the proper phosphate solution can effectively remove the f-CaO in the steel slag powder and improve pore structure of weak acid modified steel slag powder. The excess phosphate solution reacts with Ca(OH)2 in steel slag powder, causing structure of weak acid modified steel slag powder to collapse, and showing fleeciness as a whole. When steel slag powder is 80 g and phosphate solution is 1.6~3.2 mL, weak acid modified steel slag powder has low f-CaO content and good pore structure. It provides technical support and theoretical basis for further expanding the utilization methods of steel slag.

Keyword: Steel slag powder; Phosphate solution; f-CaO; Pore structure; Spectroscopic
引 言

钢渣作为冶金工业中产生的主要废料, 其产量巨大[1], 其利用效率仅为总产量的10%。 大量钢渣堆放于露天, 不仅占用土地资源, 而且污染地下水, 以及影响空气质量。 钢渣的主要矿物与水泥熟料极为相似, 是一种具有潜在胶凝活性的胶凝材料[2, 3, 4], 但是由于处理工艺和钢渣碱度的影响, 导致钢渣胶凝活性较差, 限制了其大范围应用[5, 6]。 Bakharev等研究表明模数低的硅酸钠激发效果比模数高的好[7]。 朱明等研究表明模数1.25~1.50的水玻璃掺量在3.0%~4.0%(w)时对钢渣水泥的激发效果最佳[8]。 综上可以看出, 目前对钢渣活性激发的研究普遍关注碱激发, 较少关注酸激发对钢渣活性的影响。 相关文献可知[9, 10], 酸激发钢渣胶凝材料可以提高各龄期的强度, 其中强酸激发导致钢渣胶凝材料的初凝和终凝时间延长, 弱酸激发导致钢渣胶凝材料的体系凝结时间变化规律复杂。

本研究以华东地区某大型钢铁企业的钢渣微粉为研究对象, 以磷酸溶液改性钢渣微粉制备一系列弱酸改性钢渣微粉, 研究弱酸改性钢渣微粉的组成成分、 孔结构、 微观结构和元素组成, 为进一步拓展钢渣的利用途径提供一定的技术支持和理论基础。

1 实验部分
1.1 试剂与仪器

1~3 mm钢渣, 宝钢集团有限公司, 其主要成分见表1; 磷酸(H3PO4)为分析纯, 国药集团化学试剂有限公司; 实验用水均为去离子水。 精密电子天平(日本岛津公司AUW120D型), 精度为0.000 01 g; 实验室pH计(上海银泽仪器设备有限公司PHSJ-5型); 恒温磁力搅拌器(江苏中大仪器科技有限公司85-2数显型); 变频式星式球磨机(南京科析实验仪器研究所XQM-4L型); 电热恒温干燥箱(上海精宏实验设备有限公司DHG-9037A型)。

表1 钢渣的主要化学成分 Table 1 Main chemical components of steel slag
1.2 方法

1.2.1 材料制备

(1)钢渣经过变频式星式球磨机研磨后, 获得细度为45 μ m左右的钢渣微粉。 (2)将磷酸与去离子水进行混合, 获得质量分数为80%的磷酸溶液。 (3)将一定量的磷酸溶液与钢渣微粉进行混合(见表2), 利用恒温磁力搅拌器对上述混合物进行搅拌6 h后, 放入干燥箱中烘干, 获得弱酸改性钢渣微粉。

表2 弱酸改性钢渣微粉的实验方案 Table 2 Experimental scheme of weak acid modified steel slag powder

1.2.2 性能测试与表征

弱酸改性钢渣微粉的组成成分析分采用D/Max/200 PC型X射线衍射仪(日本理学公司)。 其工作参数: 辐射源为Cu/K靶α , 衍射角2θ 的扫描范围为5.00° ~75.00° , 波长为0.150 4 nm, 测试温度为23.0 ℃, 管电压为40.0 kV, 管电流为1.0× 102 mA, 衍射角2θ 的扫描速率为4.0° · min-1。

弱酸改性钢渣微粉的孔结构分析采用Autosorb-1型比表面积及孔径测定仪(美国康塔仪器有限公司)。 其工作参数: 测量范围为孔隙度3.5~5 000 A, 比表面积为> 0.000 5 m2· g-1, 极限高真空为10-10 mmHg, 分辨为2.5× 10-7mmHg。

弱酸改性钢渣微粉的微观结构与元素组成分析采用Q45型环境扫描电镜(美国FEI公司)。 其工作参数: 二次电子图像分辨率为3 nm(30 kV, SE), 加速电压为200~30 kV, 放大倍数为13~1.0× 106, 模式为高真空二次电子扫描。

2 结果与讨论
2.1 组成成分分析

从图1(a)可以看出, 在未添加磷酸溶液的条件下, 钢渣微粉中f-CaO的X衍射峰强度与Ca(OH)2的X衍射峰强度均较强, 说明钢渣微粉中含有大量的f-CaO与Ca(OH)2。 图1(b)— (d)可以看出, 随着磷酸溶液用量的增加, 弱酸改性钢渣微粉中f-CaO的X衍射峰强度降低显著, 但是Ca(OH)2的X衍射峰强度降低较小, 说明当磷酸溶液用量为0.8~3.2 mL时, 磷酸溶液可以有效的去除钢渣微粉中f-CaO, 而对Ca(OH)2影响的较小。 图1(e)可以看出, 当磷酸溶液用量大于3.2 mL时, 弱酸改性钢渣微粉中f-CaO的X衍射峰强度进一步降低, 同时Ca(OH)2的X衍射峰强度大幅降低, 并且出现Ca3(PO4)2的X衍射峰, 说明当磷酸溶液用量大于3.2 mL时, 磷酸溶液不仅进一步去除钢渣微粉中f-CaO, 而且与Ca(OH)2发生反应, 导致钢渣微粉结构改变。

图1 弱酸改性钢渣微粉的XRD测试结果
(a): 1#; (b): 2#; (c): 3#; (d): 4#; (e): 5#Fig.1 XRD measurement results of weak acid modified steel slag powder
(a): 1#; (b): 2#; (c): 3#; (d): 4#; (e): 5#

2.2 孔结构分析

从表3可以看出, 在未添加磷酸溶液的条件下, 钢渣微粉的孔结构较小, 即比表面积5.140 m2· g-1、 孔体积0.027 mL· g-1和平均孔径23.41 nm。 随着磷酸溶液用量的增加, 即2#— 4#弱酸改性钢渣微粉, 弱酸改性钢渣微粉的比表面积、 孔体积呈现大幅增加的趋势, 而平均孔径基本保持一致, 说明磷酸溶液能够清除钢渣微粉孔结构中的杂质, 而不破坏其结构, 提高了弱酸改性钢渣微粉的比表面积与孔体积。 进一步增加磷酸溶液用量, 即5#弱酸改性钢渣微粉, 弱酸改性钢渣微粉的孔体积与平均孔径大幅降低, 这是因为钢渣微粉的主要成分为Ca(OH)2, 磷酸溶液用量过量时, 导致弱酸改性钢渣微粉的结构坍塌。

表3 弱酸改性钢渣微粉的孔结构 Table 3 Pore structure of weak acid modified steel slag powder
2.3 微观结构分析

从图2(a)可以看出, 在未添加磷酸溶液的条件下, 钢渣微粉存在明显的棱角, 整体呈现不规则的多边形颗粒且粒径大小不均。 图2(b)— (d)可以看出, 随着磷酸溶液用量的增加, 弱酸改性钢渣微粉中小粒径的颗粒大幅减少, 弱酸改性钢渣微粉出现蜂窝状, 依然整体呈现不规则的多边形颗粒, 说明磷酸溶液只与f-CaO反应, 形成多孔结构。 图2(e)可以看出, 进一步增加磷酸溶液用量, 弱酸改性钢渣微粉几乎不存在固定形态, 整体呈现粉末状态, 进一步佐证磷酸溶液用量过量时, 导致弱酸改性钢渣微粉的结构坍塌。

图2 弱酸改性钢渣微粉的SEM测试结果
(a): 1#; (b): 2#; (c): 3#; (d): 4#; (e): 5#Fig.2 SEM measurement results of weak acid modified steel slag powder
(a): 1#; (b): 2#; (c): 3#; (d): 4#; (e): 5#

2.4 元素组成分析

从图3(a)可以看出, 在未添加磷酸溶液的条件下, 钢渣微粉中Ca含量为41.43%, P含量为0.47%。 图3(b)— (d)可以看出, 随着磷酸溶液用量的增加, 弱酸改性钢渣微粉中Ca含量呈现降低趋势, 即27.87%, 25.77%和19.89%; 而P含量呈现先增、 再平稳趋势, 即1.97%, 1.21%和1.20%; 说明磷酸溶液可以有效降低钢渣微粉中Ca含量, 尤其是f-CaO的含量。 图3(e)可以看出, 进一步增加磷酸溶液用量, 弱酸改性钢渣微粉中Ca含量为15.53%, P含量为0.71%, 说明磷酸溶液与Ca(OH)2发生反应, 导致弱酸改性钢渣微粉结构坍塌, 整体呈现蓬松状。

图3 弱酸改性钢渣微粉的EDS测试结果
(a): 1#; (b): 2#; (c): 3#; (d): 4#; (e): 5#Fig.3 EDS measurement results of weak acid modified steel slag powder
(a): 1#; (b): 2#; (c): 3#; (d): 4#; (e): 5#

3 结 论

(1)适量磷酸溶液可以有效去除钢渣微粉中f-CaO, 促使弱酸改性钢渣微粉中f-CaO含量降低, 提高孔结构。

(2)过量磷酸溶液与钢渣微粉中Ca(OH)2发生反应, 导致弱酸改性钢渣微粉结构坍塌, 整体呈现蓬松状。

(3)80 g钢渣微粉, 1.6~3.2 mL磷酸溶液时, 弱酸改性钢渣微粉具有较低的f-CaO含量与良好的孔结构。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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