论文部分内容阅读
摘要：本文利用钢渣、偏高岭土等作为主要原材料制备土聚水泥来替代传统的硅酸盐水泥来以达到节能降耗、变废为宝的目的。主要针对钢渣对土聚水泥性能（凝结时间、抗压强度）的影响设计各原料配合比，制备试件进行强度试验和分析，寻求钢渣制备具有优良性能的土聚水泥的理想方案。
关键词：钢渣；偏高岭土；土聚水泥；抗压强度
Abstract: in this paper, the steel slag as the main raw materials such as kaolinite preparation soil cement to gather replacement of traditional Portland cement to in order to achieve the purpose of saving energy and reducing consumption, and reuse. Mainly aimed at the steel slag cement performance of soil together (setting time, compressive strength, the effect of the design each raw material mix, preparation strength test and analysis of the specimens, seek the preparation of the excellent properties of steel slag cement soil together the ideal solution.
Keywords: steel slag; Partial kaolinite; Cement soil together; Compressive strength
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1 综述
土聚水泥因其水化产物中含有大量与一些构成地壳物质相似的化合物——含硅铝链的“无机聚合物”而得名。其既有有机高聚物、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小等优点[1-6]，因此近几年研究和开发进展很快。本文利用钢渣和偏高岭土制备土聚水泥，并对其性能进行了初步研究。
2 试验和检测
2.1 试验原料
(1) 煤系高岭土：安徽省淮北市煤系高岭土,其化学成分如表1。
表1安徽淮北煤系高岭土成分表(%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O+Na2O CaO+MgO H2O
45 38 0.6 1.3 ﹤0.5 ﹤0.4 ﹤1.0
(2) 钢渣：钢渣的成分如下表：
表2钢渣成分表(%)
CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 fCaO FeO
45.72 6.46 13.16 0.75 9.07 1.98 19.23
(3) 工业水玻璃：市售，模数 M：3．3，密度ρ：1．348 g／cm。
(4) 氢氧化钠：96%分析纯。
2.2 试验方法
（1）将高岭土在750℃恒温2.5h制备成偏高岭土，待自然冷却通过200目筛，密封备用;
（2）将钢渣放入球磨机中碾磨后通过200目筛，密封备用。
（3）按一定偏高岭土质量的20%，40%，60%，80%来称取钢渣，分为A、B、C、D四组。同样称取80%，60%，40%，20%的偏高岭土分别与A、B、C、D四组钢渣各自混合。将偏高岭土与不同含量的钢渣材料的固体物料混合制备土聚水泥，并记录浆体的凝结时间，震实并在室内自然养护至规定龄期，强度待测。
3 实验结论
3.1 钢渣掺量对土聚水泥凝结时间的影响
对不同的钢渣掺量对土聚水泥浆体凝结时间的影响测定结果如下。
表3钢渣的不同掺量对土聚水泥凝结时间的影响
掺量/% 终凝时间/h
20 5
40 4.5
60 3.8
80 ＜0.01
由上表可以看出，随着钢渣掺量的不断增加，土聚水泥的凝结时间由5h逐渐缩短，由此表明，增加钢渣的掺量可以加快浆体的凝结硬化，而当钢渣含量为80%时，浆体凝结速度太快而无法入模，从而无法制得要求的土聚水泥试块。这可能是由于钢渣内富含硅酸三钙、硅酸二钙，故当在其与偏高岭土的混合物加水后，钢渣中的这些成分与水发生类硅酸盐水泥的水化反应生成少量低聚态的凝胶，并生成了呈碱性的Ca(OH)2,而偏高岭土和钢渣中的部分成分在Ca(OH)2和水玻璃碱激发剂的作用下，生成大量的高聚态的土聚水泥胶体。所以，产物中除了有少量低聚态水化硅酸盐凝胶，还有较多的高聚态的土聚水泥凝胶。而随着钢渣在偏高岭土的掺加量不断增加，当掺加量为80%时，加入碱性激发剂后，浆体整体碱性较高，优先发生类似硅酸盐水泥的水化反应，而非土聚反应，该反应与土聚水泥的反应过程完全不同，由于反应速度较快，使得浆体产生“瞬凝”现象。所以，适量钢渣掺加入偏高岭土中制备的土聚水泥浆体的凝结时间较满足生产应用实际的要求。
3.2 掺入钢渣对土聚水泥强度的影响
钢渣的不同掺量对土聚水泥各龄期强度影响如下表4 和图1 所示。
圖1钢渣含量对不同龄期试块抗压强度的影响
根据表4和图1可知，随着钢渣掺入量的增加，相同钢渣掺加量的土聚水泥试块强度随养护时间的增加而提高；而不同钢渣掺加量的相同龄期的试块的各龄期的抗压强度基本呈现降低的趋势，在20%掺量时的各龄期强度均远高于其他掺加量原料制备的土聚水泥试块的强度，其3d强度为40.5 MPa，28d强度接近100 MPa,钢渣掺加量为60%的土聚水泥试块的28d强度介于掺加量为40%与20%的试块28d的强度值之间。当钢渣掺入量大于80%时由于产生“瞬凝”现象而无法入模成型，因而无法得到试块强度值。由此可以推断，钢渣掺加之后，其内部的硅酸三钙、硅酸二钙与水发生反应，生成具有一定强度的硅酸盐凝胶，随后在前期水化生成的Ca(OH)2和碱碱激发剂的作用下，钢渣内部的其他可激发成分不断参与反应，从而加快了土聚反应和土聚水泥产物不断生成。随着钢渣掺加量的不断增多，土聚水泥原料早前较为合理的配合比例被改变，原料中的钢渣优先发生水化反应，生成较多的低聚态水化硅酸盐凝胶，而相对较不活泼的偏高岭土可能反应较少，甚至来不及反应而残留在反应产物内部，导致反应产物内部薄弱结合界面较多，强度逐渐降低。而当加入60%矿渣的土聚水泥28d强度略高于40%的强度则有待进一步验证。
此外，实验还发现，钢渣对减小土聚水泥的收缩能起到一定作用，这可能是由于钢渣因含游离氧化钙(fCaO)，吸水后体积膨胀使土聚水泥收缩减小，具体也有待进一步研究。
4 结论与展望
4.1 结论
通过以上试验和分析可以得出以下结论：
(1)钢渣对土聚水泥原料的凝结时间有较大影响，会加快其固化速度。因此，若将钢渣加入偏高岭土中，可以加快土聚水泥原料的固化。
(2)掺入钢渣对土聚水泥的强度影响起到了积极的作用。并且在钢渣和粉煤灰掺入量都为20%时，试块的龄期为28d的强度达到最大为95.5MPa。
(3)随着钢渣掺入量的增加，钢渣对减小土聚水泥的收缩能起到一定作用。
参考文献
[1]贺孝一 碱-矿渣-偏高岭土复合胶凝材料初步研究[D] 杭州：浙江大学，2007.
[2]张书政.地聚合物. [J].材料科学与工程学报2003（6）:430-435.
[3]王恩．地质聚合物的制备及安全耐久性研究[D]．北京:北京科技大学 2006．
[4]韩要丛，崔学民，刘海峰等. 地质聚合物材料聚合机理研究及应用[J].广东建材2007 （11）：56-59 .
[5]M. D.J.Sumajouw ·S.E.Wallah·B.V.Rangan.Fly ash-based gepoplymer concrete: study of slender reinforced columns [J]. Mater Sci. 2007（42）:3124-3130.
[6]林振荣，张程博，杨友全.掺加矿渣的土聚水泥的研究[J].21世纪建筑材料2009（10）:17-18.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：钢渣；偏高岭土；土聚水泥；抗压强度
Abstract: in this paper, the steel slag as the main raw materials such as kaolinite preparation soil cement to gather replacement of traditional Portland cement to in order to achieve the purpose of saving energy and reducing consumption, and reuse. Mainly aimed at the steel slag cement performance of soil together (setting time, compressive strength, the effect of the design each raw material mix, preparation strength test and analysis of the specimens, seek the preparation of the excellent properties of steel slag cement soil together the ideal solution.
Keywords: steel slag; Partial kaolinite; Cement soil together; Compressive strength
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1 综述
土聚水泥因其水化产物中含有大量与一些构成地壳物质相似的化合物——含硅铝链的“无机聚合物”而得名。其既有有机高聚物、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小等优点[1-6]，因此近几年研究和开发进展很快。本文利用钢渣和偏高岭土制备土聚水泥，并对其性能进行了初步研究。
2 试验和检测
2.1 试验原料
(1) 煤系高岭土：安徽省淮北市煤系高岭土,其化学成分如表1。
表1安徽淮北煤系高岭土成分表(%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O+Na2O CaO+MgO H2O
45 38 0.6 1.3 ﹤0.5 ﹤0.4 ﹤1.0
(2) 钢渣：钢渣的成分如下表：
表2钢渣成分表(%)
CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 fCaO FeO
45.72 6.46 13.16 0.75 9.07 1.98 19.23
(3) 工业水玻璃：市售，模数 M：3．3，密度ρ：1．348 g／cm。
(4) 氢氧化钠：96%分析纯。
2.2 试验方法
（1）将高岭土在750℃恒温2.5h制备成偏高岭土，待自然冷却通过200目筛，密封备用;
（2）将钢渣放入球磨机中碾磨后通过200目筛，密封备用。
（3）按一定偏高岭土质量的20%，40%，60%，80%来称取钢渣，分为A、B、C、D四组。同样称取80%，60%，40%，20%的偏高岭土分别与A、B、C、D四组钢渣各自混合。将偏高岭土与不同含量的钢渣材料的固体物料混合制备土聚水泥，并记录浆体的凝结时间，震实并在室内自然养护至规定龄期，强度待测。
3 实验结论
3.1 钢渣掺量对土聚水泥凝结时间的影响
对不同的钢渣掺量对土聚水泥浆体凝结时间的影响测定结果如下。
表3钢渣的不同掺量对土聚水泥凝结时间的影响
掺量/% 终凝时间/h
20 5
40 4.5
60 3.8
80 ＜0.01
由上表可以看出，随着钢渣掺量的不断增加，土聚水泥的凝结时间由5h逐渐缩短，由此表明，增加钢渣的掺量可以加快浆体的凝结硬化，而当钢渣含量为80%时，浆体凝结速度太快而无法入模，从而无法制得要求的土聚水泥试块。这可能是由于钢渣内富含硅酸三钙、硅酸二钙，故当在其与偏高岭土的混合物加水后，钢渣中的这些成分与水发生类硅酸盐水泥的水化反应生成少量低聚态的凝胶，并生成了呈碱性的Ca(OH)2,而偏高岭土和钢渣中的部分成分在Ca(OH)2和水玻璃碱激发剂的作用下，生成大量的高聚态的土聚水泥胶体。所以，产物中除了有少量低聚态水化硅酸盐凝胶，还有较多的高聚态的土聚水泥凝胶。而随着钢渣在偏高岭土的掺加量不断增加，当掺加量为80%时，加入碱性激发剂后，浆体整体碱性较高，优先发生类似硅酸盐水泥的水化反应，而非土聚反应，该反应与土聚水泥的反应过程完全不同，由于反应速度较快，使得浆体产生“瞬凝”现象。所以，适量钢渣掺加入偏高岭土中制备的土聚水泥浆体的凝结时间较满足生产应用实际的要求。
3.2 掺入钢渣对土聚水泥强度的影响
钢渣的不同掺量对土聚水泥各龄期强度影响如下表4 和图1 所示。
圖1钢渣含量对不同龄期试块抗压强度的影响
根据表4和图1可知，随着钢渣掺入量的增加，相同钢渣掺加量的土聚水泥试块强度随养护时间的增加而提高；而不同钢渣掺加量的相同龄期的试块的各龄期的抗压强度基本呈现降低的趋势，在20%掺量时的各龄期强度均远高于其他掺加量原料制备的土聚水泥试块的强度，其3d强度为40.5 MPa，28d强度接近100 MPa,钢渣掺加量为60%的土聚水泥试块的28d强度介于掺加量为40%与20%的试块28d的强度值之间。当钢渣掺入量大于80%时由于产生“瞬凝”现象而无法入模成型，因而无法得到试块强度值。由此可以推断，钢渣掺加之后，其内部的硅酸三钙、硅酸二钙与水发生反应，生成具有一定强度的硅酸盐凝胶，随后在前期水化生成的Ca(OH)2和碱碱激发剂的作用下，钢渣内部的其他可激发成分不断参与反应，从而加快了土聚反应和土聚水泥产物不断生成。随着钢渣掺加量的不断增多，土聚水泥原料早前较为合理的配合比例被改变，原料中的钢渣优先发生水化反应，生成较多的低聚态水化硅酸盐凝胶，而相对较不活泼的偏高岭土可能反应较少，甚至来不及反应而残留在反应产物内部，导致反应产物内部薄弱结合界面较多，强度逐渐降低。而当加入60%矿渣的土聚水泥28d强度略高于40%的强度则有待进一步验证。
此外，实验还发现，钢渣对减小土聚水泥的收缩能起到一定作用，这可能是由于钢渣因含游离氧化钙(fCaO)，吸水后体积膨胀使土聚水泥收缩减小，具体也有待进一步研究。
4 结论与展望
4.1 结论
通过以上试验和分析可以得出以下结论：
(1)钢渣对土聚水泥原料的凝结时间有较大影响，会加快其固化速度。因此，若将钢渣加入偏高岭土中，可以加快土聚水泥原料的固化。
(2)掺入钢渣对土聚水泥的强度影响起到了积极的作用。并且在钢渣和粉煤灰掺入量都为20%时，试块的龄期为28d的强度达到最大为95.5MPa。
(3)随着钢渣掺入量的增加，钢渣对减小土聚水泥的收缩能起到一定作用。
参考文献
[1]贺孝一 碱-矿渣-偏高岭土复合胶凝材料初步研究[D] 杭州：浙江大学，2007.
[2]张书政.地聚合物. [J].材料科学与工程学报2003（6）:430-435.
[3]王恩．地质聚合物的制备及安全耐久性研究[D]．北京:北京科技大学 2006．
[4]韩要丛，崔学民，刘海峰等. 地质聚合物材料聚合机理研究及应用[J].广东建材2007 （11）：56-59 .
[5]M. D.J.Sumajouw ·S.E.Wallah·B.V.Rangan.Fly ash-based gepoplymer concrete: study of slender reinforced columns [J]. Mater Sci. 2007（42）:3124-3130.
[6]林振荣，张程博，杨友全.掺加矿渣的土聚水泥的研究[J].21世纪建筑材料2009（10）:17-18.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。