细度为325目的钢渣, 其化学成分见表1, 上海宝钢新型建材科技有限公司; 细度为400目矿渣, 其化学成分见表2, 中冶宝钢技术服务有限公司; 硅灰, 其SiO₂成分含量大于90%, 比表面积约大于22 m²· g^-1, 安徽省舜盛新材料科技有限责任公司; 基准水泥, 其强度等级为42.5的P.I型硅酸盐水泥, 中国联合水泥集团; 标准砂, 厦门艾思欧标准砂有限公司; 水玻璃(Na₂SiO₃), 其M=1.22, 工业纯, 安徽省淮南市运达化工有限公司; 氢氧化钠(NaOH), 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司; 氢氧化钙[Ca(OH)₂], 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司; 实验室用水为去离子水。 TP1000 型电子秤(上海方瑞仪器有限公司); YAW-300型全自动压力试验机(上虞市胜飞试验机械厂)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 钢渣的化学成分(Wt, %) Table 1 Chemical composition of steel slag (Wt, %) SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO MnO SO3 TiO2 f-CaO 14.31 25.08 1.56 47.00 5.61 1.80 0.13 0.65 3.86

表1 钢渣的化学成分(Wt, %) Table 1 Chemical composition of steel slag (Wt, %)

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 矿渣的化学成分(Wt, %) Table 2 Chemical composition of slag (Wt, %) SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO MnO SO3 TiO2 f-CaO 43.29 0.38 10.10 41.18 3.97 0.09 0.51 0.48 0.00

表2 矿渣的化学成分(Wt, %) Table 2 Chemical composition of slag (Wt, %)

1.2.1 材料制备

以一定比例的Na₂SiO₃, NaOH和Ca(OH)₂进行混合制备碱溶液(见表3), 并利用碱溶液对225 g钢渣进行碱激发, 获得碱钢渣。 碱钢渣与112.5 g矿渣、 90 g基准水泥、 22.5 g硅灰、 1 350 g标准砂和225 g水进行混合, 依据《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671— 1999)^[7]中规定的胶砂成型方法对碱钢渣胶凝材料进行胶砂试件成型, 其尺寸为4 cm× 4 cm× 16 cm, 脱模后置于(20± 1) ℃的水中养护, 待养护至一定龄期后取出。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 碱溶液配方 Table 3 Formula of alkaline solution Sample NaOH amount/g Na2SiO3 amount/g Ca(OH)2 amount/g 0# 0.00 0.00 0.00 1# 2.25 11.25 6.75 2# 4.50 11.25 6.75 3# 6.75 11.25 6.75 4# 4.50 9.00 6.75 5# 4.50 13.50 6.75 6# 4.50 11.25 4.50 7# 4.50 11.25 9.00 8# 4.50 0.00 0.00 9# 0.00 11.25 0.00 10# 0.00 0.00 6.75

表3 碱溶液配方 Table 3 Formula of alkaline solution

1.2.2 性能测试及表征

依据《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671— 1999)测试碱钢渣胶凝材料胶砂试件的强度^{[8, 9]}。 采用X射线衍射仪(日本理学公司D/Max/200 PC 型)测试碱钢渣胶凝材料的矿物组成, 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。 傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker光谱仪器公司Bruker Uecior22 型)测试碱钢渣胶凝材料的结构组成, 其工作参数: 含水平衰减全反射(HA-TR)附件, 光谱范围4 000~450 cm^-1, 分辨率4 cm^-1, 扫描累加次数64。 扫描电子显微镜(美国FEI公司Quan-ta200型)测试碱钢渣胶凝材料的微观形貌, 其工作参数: 工作电压为0.0~25.0 kV, 束斑在1.5~3.5 mm, 最大放大倍数为100 000倍, 真空度8.0~1.0× 10^-5 Torr, 观察距离10.0~10.5 mm。

2.1.1 NaOH用量的影响

从表4可以看出, 当NaOH用量为4.50 g时碱钢渣胶凝材料的力学性能最优。 同时, 碱钢渣胶凝材料的3 d抗压强度差值为0.74 MPa、 7 d抗压强度差值为0.64 MPa、 28 d抗压强度差值为0.84 MPa, 即抗压强度增长率分别为6.81%, 4.15%和3.28%, 说明NaOH对碱钢渣胶凝材料的3 d抗压强度影响显著。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 NaOH用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响 Table 4 Effects of NaOH amounts on the mechanical properties of alkali steel slag cementations materials Sample Compressive strength/MPa 3 d 7 d 28 d 0# 9.54 12.82 21.05 1# 11.58 16.02 26.16 2# 11.61 16.08 26.48 3# 10.87 15.44 25.64

表4 NaOH用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响 Table 4 Effects of NaOH amounts on the mechanical properties of alkali steel slag cementations materials

2.1.2 Na₂SiO₃用量的影响

从表5可以看出, 当Na₂SiO₃用量为11.25 g时碱钢渣胶凝材料的力学性能最优。 同时, 碱钢渣胶凝材料的3 d抗压强度差值为0.24 MPa、 7 d抗压强度差值为1.06 MPa、 28 d抗压强度差值为0.47 MPa, 即抗压强度增长率分别为2.14%, 6.59%和1.80%, 说明Na₂SiO₃对碱钢渣胶凝材料的7 d抗压强度影响显著。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 Na2SiO3用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响 Table 5 Effects of Na2SiO3 amounts on the mechanical properties of alkali steel slag cementations materials Sample Compressive strength/MPa 3 d 7 d 28 d 0# 9.54 12.82 21.05 4# 11.37 15.02 26.07 2# 11.61 16.08 26.48 5# 11.21 15.83 26.17

表5 Na2SiO3用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响 Table 5 Effects of Na2SiO3 amounts on the mechanical properties of alkali steel slag cementations materials

2.1.3 Ca(OH)₂用量的影响

从表6可以看出, 当Ca(OH)₂用量为6.75 g时碱钢渣胶凝材料的力学性能最优。 同时, 碱钢渣胶凝材料的3 d抗压强度差值为1.54 MPa、 7 d抗压强度差值为2.25 MPa、 28 d抗压强度差值为4.55 MPa, 即抗压强度增长率分别为15.29%, 16.27%和20.75%, 说明Ca(OH)₂对碱钢渣胶凝材料的28 d抗压强度影响显著。

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 Ca(OH)2用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响 Table 6 Effects of Ca(OH)2 amounts on the mechanical properties of alkali steel slag cementations materials Sample Compressive strength/MPa 3 d 7 d 28 d 0# 9.54 12.82 21.05 6# 11.28 15.63 25.64 2# 11.61 16.08 26.48 7# 10.07 13.83 21.93

表6 Ca(OH)2用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响 Table 6 Effects of Ca(OH)2 amounts on the mechanical properties of alkali steel slag cementations materials

2.2.1 XRD分析

从图1可以看出, 2^#碱钢渣胶凝材料3, 7和28 d的主要水化产物为Ca(OH)₂、 C-S-H凝胶、 沸石类相, 以及RO相与未水化的C₂S, C₃S^[10]。 图1(a)可以看出, 在水化龄期为3 d时, 8^#, 9^#和10^#碱钢渣胶凝材料的Ca(OH)₂衍射峰强度明显高于2#碱钢渣胶凝材料的Ca(OH)₂衍射峰强度, 同时2^#与8^#碱钢渣胶凝材料具有的沸石类相衍射峰。 一方面说明NaOH, Na₂SiO₃和Ca(OH)₂形成的碱溶液, 促使水化产物Ca(OH)₂作为该缩聚过程的反应物参与生成沸石类相; 另一方面说明在水化龄期早期, NaOH是促使碱钢渣胶凝材料体系生成沸石类相的主要激发剂, 从而提高2^#碱钢渣胶凝材料的3 d力学性能。 图1(b)可以看出, 在水化龄期为7 d时, 2^#碱钢渣胶凝材料的C-S-H凝胶与沸石类相衍射峰强度增加, 而Ca(OH)₂衍射峰强度降低; 8#碱钢渣胶凝材料的沸石类相衍射峰强度小幅增加, 9^#碱钢渣胶凝材料出现显著的沸石类相衍射峰。 说明在水化龄期中期, Na₂SiO₃是促使碱钢渣胶凝材料体系生成沸石类相的主要激发剂, 从而提高2^#碱钢渣胶凝材料的7 d力学性能。 图1(c)可以看出, 在水化龄期为28 d时, 2^#碱钢渣胶凝材料的C-S-H凝胶与沸石类相衍射峰强度进一步增加, 而Ca(OH)₂衍射峰消失; 8^#, 9^#碱钢渣胶凝材料的沸石类相衍射峰强度进一步增加; 10^#碱钢渣胶凝材料的C₂S衍射峰强度降低, 而C-S-H凝胶衍射峰强度增加。 说明在水化龄期后期, Ca(OH)₂一方面继续被消耗生成沸石类相, 另一方面促使C₂S生成C-S-H凝胶, 从而大幅提高2#碱钢渣胶凝材料的28 d力学性能。

图1

Fig.1

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	图1 碱钢渣胶凝材料的XRD测试结果 (a): 3 d; (b): 7 d; (c): 28 dFig.1 XRD measurement results of alkali steel slag cementations materials (a): 3 d; (b): 7 d; (c): 28 d

2.2.2 FTIR分析

从图2(a)可以看出, 2#碱钢渣胶凝材料3, 7和28 d在875与1 422 cm^-1处附近出现显著的C-S-H凝胶特征吸收峰, 说明Na₂SiO₃, NaOH和Ca(OH)₂碱性物质的加入促使钢渣形成的C-S-H凝胶稳定存在, 有利于提高碱钢渣胶凝材料的力学性能。 在615与960 cm^-1处附近出现沸石类相的特征吸收峰, 说明钢渣中含有不同程度的玻璃体, 在Na₂SiO₃, NaOH和Ca(OH)₂碱性物质的活化作用下的解聚与缩聚反应, 通过化学键的破坏和重建形成沸石类相。 图2(b)可以看出, 8^#碱钢渣胶凝材料3 d在3 670~3 750 cm^-1处附近出现Ca(OH)₂羟基特征吸收峰, 但是随着水化龄期的延长, 其特征吸收峰强度稳定, 说明在水化龄期的早期, 即3 d, NaOH起到主要的碱激发作用。 图2(c)与(d)可以看出, 9^#与10^#碱钢渣胶凝材料在3 670~3 750 cm^-1处附近出现Ca(OH)₂羟基特征吸收峰, 但是随着水化龄期的延长, 其特征吸收峰强度减弱, 说明在水化龄期的中、 后期, 即7与28 d, Na₂SiO₃与Ca(OH)₂起到主要的碱激发作用。

图2

Fig.2

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	图2 碱钢渣胶凝材料的FTIR测试结果 (a): 2#; (b): 8#; (c): 9#; (d): 10#Fig.2 FTIR measurement results of alkali steel slag cementations materials (a): 2#; (b): 8#; (c): 9#; (d): 10#

2.2.3 SEM分析

从图3可以看出, 2#碱钢渣胶凝材料3, 7和28 d均具有良好的包裹体系, 即水化产物较好的包裹钢渣。 同时结合图1与图2进一步分析图3还可以看出, 图3(a)中2^#碱钢渣胶凝材料包裹体系的密实度一般, 说明在3 d时碱钢渣胶凝材料水化产物中沸石类相的数量较少; 图3(b)中2^#碱钢渣胶凝材料包裹体系的密实度大幅提高, 且出现明显的纤维状物质, 说明在7 d时碱钢渣胶凝材料水化产物中沸石类相的数量大幅增加; 图3(c)中2^#碱钢渣胶凝材料包裹体系的密实度进一步提高, 且呈现层层包裹的现象, 说明在28 d时碱钢渣胶凝材料水化产物中出现大量C-S-H凝胶。

图3

Fig.3

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	图3 2#碱钢渣胶凝材料的SEM测试结果 (a): 3 d; (b): 7 d; (c): 28 dFig.3 SEM measurement results of 2# alkali steel slag cementations materials (a): 3 d; (b): 7 d; (c): 28 d