CN101717217B - 混凝土用钢渣复合激发剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型钢渣复合激发剂及其应用。所述新型钢渣复合激发剂包含：无机类活性激发组分0～10重量份，有机类活性激发组分0～0.05重量份，火山灰组分90～100重量份，无机类活化组分和有机类活化组分不同时为0。本发明提供的钢渣复合激发剂，对钢渣活性有明显的激发作用，且在混凝土的应用中不影响混凝土工程的施工工序，不仅对钢渣混凝土材料的强度有早强作用，而且对钢渣混凝土的流动性能、后期强度、耐久性能也有改善作用。本发明复合激发剂用于钢渣混凝土中，还能大量利用工业废渣，减少水泥用量，实现节能减排的目标。

Description

混凝土用钢渣复合激发剂及其应用

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用于钢渣混凝土中的钢渣活性激发剂，以及含有此钢渣活性激发剂的钢渣混凝土。

背景技术

钢渣是炼钢工业中用石灰提取杂质而大量生成的固态废弃物，呈灰褐色，有微孔，密质，质地较重，其主要来源有：金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物及硫化物；被浸蚀的炉衬及炉衬材料；金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的造渣材料，如石灰石、铁矿石、萤石等。主要化学成分有CaO、SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO等。

国外利用钢渣以填方工程为主，还可用于道路路基、沥青路面、水泥混合材、土壤肥料、酸性土质改良剂、返回钢厂再利用等等。我国钢渣的主要利用途径是在钢铁公司内部自行循环使用，代替石灰作溶剂，返回高炉或烧结炉内作为炼铁原料，也可用于公路路基、铁路路基以及作为水泥原料、改良土壤等。可用作冶金原料：作烧结溶剂、作高炉或化铁炉溶剂、作炼钢返回渣、利用磁选工艺回收废钢铁。用于建筑材料：可作为水泥生产用混合材，也可广泛用于铁路、公路和工程回填，特别适于沼泽、海滩的筑路造地。用于农业：钢渣中含有微量的锌、锰、铁、铜等元素，对缺乏此微量元素的不同土壤和不同作物，也同时起不同程度的肥效作用，也可用作硅肥和酸性土壤改良剂。

钢渣中含有水化活性的组分(如氧化钙、氧化硅)，但在炼钢过程中，这部分活性组分在高温中形成了以硅酸二钙为主的矿物而成为慢水化活性物质，因此需要活性激发。另一方面，由于钢渣本身含有MgO和fCaO，也具有微膨胀特性，钢渣粉直接用于混凝土工程可能引起混凝土膨胀开裂，因此影响了钢渣粉在混凝土工程中的推广应用。目前国内钢渣处理厂开始采用各种处理方式进行MgO和fCaO的消解，增强钢渣的体积稳定性，给钢渣粉混凝土的推广带来了转机。但钢渣在消解影响体积稳定性的物质的同时，带来了新的问题，因为处理过程中必须用到水，而水和钢渣中具有水化活性的组分进行反应，降低了钢渣的水化活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种对钢渣的活性具有激发作用，并且对混凝土的耐久性等具有改善作用的钢渣复合激发剂。

本发明提供的混凝土用钢渣复合激发剂，主要由以下组分混合而成：

无机类活化组分    0～10重量份；

有机类活化组分    0～0.05重量份；

火山灰组分        90～100重量份；

无机类活化组分和有机类活化组分不同时为0。

其中：所述无机类活化组分为硫酸钠、水玻璃和石膏中的一种或几种按任意比例的混合。

所述有机类活化组分为三乙醇胺、木钙和木钠中的一种或几种按任意比例的混合。

所述火山灰组分为高炉矿粉或硅灰或它们按任意比例的混合。

一个具体方案，所述混凝土用钢渣复合激发剂包括无机类活化组分3～10重量份和火山灰组分90～97重量份。

另一具体方案，所述混凝土用钢渣复合激发剂包括有机类活化组分0.02～0.05重量份和火山灰组分100重量份。

还一具体方案，所述混凝土用钢渣复合激发剂包括：无机类活化组分3～5重量份，有机类活化组分0.03～0.05重量份，和火山灰组分95～97重量份。

本发明的另一目的是提供一种使用更少水泥因而较现有混凝土更为环保的钢渣混凝土。该钢渣混凝土，含有包括水泥和钢渣粉的胶凝材料、石子、砂子和水，所述钢渣粉中掺有以上所述的钢渣复合激发剂。

所述钢渣复合激发剂在钢渣粉中掺量为3％～10wt％，优选5wt％

所述胶凝材料中钢渣粉用量为10～30wt％。

采用以上设计，本发明提供的一种新型的钢渣复合激发剂，由多种对钢渣有不同活化效果的组分组成，对钢渣水化活性有明显的激发作用，且在混凝土的应用中不影响混凝土工程的施工工序，不仅对钢渣混凝土材料的强度有早强作用，而且对钢渣混凝土的流动性能、后期强度、耐久性能也有改善作用。另一方面，钢渣混凝土中利用本发明复合激发剂，还能大量利用工业废渣，减少水泥用量，实现节能减排的目标。

附图说明

图1为检测中钢渣水泥净浆7d龄期的扫描电镜图谱。

图2为图1(b)中A区域显示的晶体的能谱分析图。

具体实施方式

本发明提供一种对钢渣的水化活性能有效激发的钢渣复合激发剂。

该复合激发剂包含有活性激发组分和活性促进组分，其中活性激发组分又有无机和有机两种组分组成。

可用于本激发剂的组分包含：

一、无机类活化组分：用量为0～10wt％。可选自硫酸钠、水玻璃、石膏中的一种或多种按任意比例混合。该类组分的加入对钢渣有较好的早强作用，使混凝土pH值提高，水化反应加速；还可与水泥基材配合，增加水泥基材料的抗折强度，强度发展更快。

以硫酸钠为例，Na₂SO₄一方面能与钢渣水化产生的Ca(OH)₂反应，生成NaOH，使混凝土pH值提高，水化反应加速，强度发展更快；另一方面，硫酸钠的加入使水泥中的C₃A与SO₄ ^2-及Ca(OH)₂生成钙矾石的水化反应加剧，因为钙矾石针状晶体增多，在水泥基材料中起到相互搭接的作用，相当于“微型纤维”，增加了水泥基材料的抗折强度。

二、有机类活化组分：可选自三乙醇胺、木钙、木钠中的一种或多种按任意比例混合。该类组分可利用三乙醇胺进行化学激发，或利用木钙、木钠等减水剂直接达到减水的目的，从物理角度出发增加水泥基材料的强度。用量为(无机类活化组分+火山灰组分)总重量的0～0.05wt％(外加量)。

三乙醇胺是有机物类早强剂，由于能促进C₃A的水化，在C₃A-CaSO₄-H₂O体系中，它能加快钙矾石的生成，因而对混凝土早期强度发展有利。三乙醇胺结构式为N(C₂H₄OH)₃，因其中有N原子，它有一对未共用电子，很容易与金属离子形成共价键，发生络合，与金属离子形成较为稳定的络合物。这些络合物在溶液中形成了许多可溶区，从而提高了水化产物的扩散速率，这在水化初期必然会破坏熟料粒子表面形成的C₃A水化物及其它生成物(如硫铝酸钙)在熟料表面的包裹作用，而使C₃A、C₄AF溶解速率提高，与石膏的反应也会加快，迅速生成硫铝酸钙。硫铝酸钙生成量增多，必然降低液相中Ca²⁺、Al³⁺的浓度，进一步以可促进C₃S水化。

木钙的作用是为了增加水泥浆体的流动性，从而达到混凝土减水的作用，改善混凝土的微观和亚微观结构、大大减少有害孔数量，增加混凝土密实程度及结构强度，提高耐久性，从物理增强方面增加强度。

三、火山灰组分：作为活性促进组分，在复合激发剂总重量中占90～100％，可选用高炉矿粉、硅灰中的一种或它们按任意比例的混合物。

钢渣水化反应的产物中含有氢氧化钙，是火山灰材料水化反应的参与物质；火山灰可大量消耗钢渣水化产物中的氢氧化钙，从而促进钢渣的水化反应向正向进行。

以上三种类型物质均为建材领域通用材料，可以市购获得。使用时，火山灰组分为必用材料，无机类活化组分和有机类活化组分可以只用其中一种或两种均使用。当复合激发剂中不含无机类活化组分时，有机类活化组分加入量为火山灰组分的0.02～0.05％；当复合激发剂中含有无机类活化组分时，无机类活化组分和火山灰组分分别按重量3～10％和90～97％组配，此时有机类活化组分加入量按另两种组分组配量的0.03～0.05％外加。将各组分按设计量混合均匀，即得到本发明钢渣复合激发剂。

钢渣复合激发剂实施例：

按表1所列材料进行系列钢渣复合激发剂的制备。

表1：钢渣复合激发剂组配

钢渣复合激发剂性能检测：

1、钢渣水泥净浆形态、构成检测：

将水泥300g、钢渣(磨细至430kg/m³)90g，加水195g后混合均匀，装入试模，1天后拆模，转入标准养护室，养护7天后制成检测样(a)。

将水泥300g、钢渣(磨细至430kg/m³)90g和以上实施例2配制的激发剂19.5g加水190g后混合均匀，装入试模，1天后拆模，转入标准养护室，养护7天后制成检测样(b)。

将(a)、(b)两个样品喷碳处理后，在扫描电镜下观察微观结构。

对比检测的结果参见图1和图2，图1为不同钢渣水泥净浆7d龄期的扫描电镜图谱，比较图1的(a)和(b)发现：(b)检测样钢渣水泥基体更加密实，形成了大量的Ca(OH)₂晶体，对图1(b)中标注A点晶体进行能谱分析，结果能谱分析曲线如图2所示，成分分析如表2所示，可见A点的成分为Ca(OH)₂晶体，说明加入激发剂后水化更加充分，钢渣水泥基的基体密实度提高；而图1(a)对比样(无激发剂)的水泥基体的孔隙比较多，在孔隙中大量的簇状钙矾石针状晶体因有空间得以充分发展。

表2A晶体成分分析

元素分析	重量％	原子％
			O	48.01	69.58
Si	1.42	1.17
			Ca	50.56	29.25
总量	100.00

2、水泥胶砂的强度性能检测

基准胶砂：将水泥450g，砂1350g，加水225g后混合均匀，装入试模，1天后拆模，转入标准养护室，分别养护到7天和28天后制成基准胶砂强度检测试样。

钢渣胶砂：将水泥315g、钢渣(磨细至430kg/m³)135g，砂1350g，加水225g后混合均匀，装入试模，1天后拆模，转入标准养护室，分别养护到7天和28天后制成钢渣胶砂强度检测试样。

掺复合激发剂钢渣胶砂：将水泥315g、钢渣(磨细至430kg/m³)135g，砂子1350g，以上实施例2配制的激发剂27g，加水215g后混合均匀，装入试模，1天后拆模，转入标准养护室，分别养护到7天和28天后制成掺复合激发剂钢渣胶砂强度检测试样。

检测方法：上述三种胶砂分别混合均匀后，测定砂浆流动度；在7天和28天龄期时测试强度检测试样的抗折强度和抗压强度值，并计算得到抗折活性和抗压活性。

表3显示了不同水泥胶砂的强度性能指标。可见，与钢渣胶砂相比，掺复合激发剂钢渣胶砂的抗折活性指数和抗压活性指数都得到大幅度的提高(提高了5％或以上)，而且在更少的用水量下达到基本相同的流动度(±5mm)。

表3水泥胶砂的活性指数

钢渣复合激发剂的应用例

可将本发明复合激发剂在道路路面混凝土中进行工程应用。某路面维修工程使用了掺有复合激发剂的钢渣粉13吨，混凝土的材料配合比如表4所示，其中：“钢渣复合粉混凝土”使用掺有复合激发剂的钢渣粉，其中复合激发剂掺量为5wt％(3～10wt％均可)，胶凝材料以水泥和钢渣粉构成，胶凝材料中钢渣粉用量为20wt％。实际施工混凝土方量200方。

表4每方混凝土配合比(单位：kg)

	水泥	钢渣粉	砂子	石子	水	B	W/B
								钢渣复合粉混凝土	400	掺有复合激发剂的钢渣粉      80	563	1252	165	480	0.34
对比混凝土	400	普通钢渣粉  80	563	1252	160	480	0.335

对比混凝土的组成与路面应用段钢渣复合粉混凝土相同，但其中的钢渣复合粉完全使用普通钢渣粉代替。采用GB/T 50081标准方法进行混凝土强度检测，其结果见表5。

表5钢渣混凝土强度检测结果(单位：MPa)

表5数据显示，掺复合激发剂的钢渣混凝土强度指标较对照混凝土的强度得到大幅度提高，并且后期强度随钢渣混凝土的龄期的增长而不断增长。

表4材料经过材料计量、混合搅拌、转运进仓、摊铺碾压、现场整平、后期养护等施工工序作业，用于道路路面铺设。现场施工效果显示：本发明掺入复合激发剂的钢渣混凝土，路面铺设过程无需改变原混凝土施工工艺，工作性满足施工要求，施工性能良好，且工程完成后检测强度指标完全达到工程应用的要求，经过一段时间的运行，耐磨性能良好，路面未出现开裂等病害。

就胶凝材料中钢渣粉用量进行实验，结果，使用本发明掺有复合激发剂的钢渣粉用量最高可以达到30wt％，路面维修工程仍能达到标准要求。如此，可以进一步减少胶凝材料中水泥的用量。

由此可见，钢渣混凝土中利用本发明复合激发剂，不仅能大量利用工业废渣，减少水泥用量，实现节能减排的目标，还能减少水泥混凝土路面的开裂趋势，提高工程质量。

Claims (8)

1.一种混凝土用钢渣复合激发剂，主要由以下组分混合而成：

无机类活化组分    0～10重量份；

有机类活化组分    0～0.05重量份；

火山灰组分        90～100重量份；

无机类活化组分和有机类活化组分不同时为0；其中：

所述无机类活化组分为硫酸钠、水玻璃和石膏中的一种或几种的混合；

所述有机类活化组分为三乙醇胺、木钙和木钠中的一种或几种的混合；

所述火山灰组分为高炉矿粉或硅灰或它们的混合。

2.根据权利要求1所述混凝土用钢渣复合激发剂，其特征在于，

无机类活化组分    3～10重量份；

火山灰组分        90～97重量份。

3.根据权利要求1所述混凝土用钢渣复合激发剂，其特征在于，

有机类活化组分    0.02～0.05重量份；

火山灰组分        100重量份。

4.根据权利要求1所述混凝土用钢渣复合激发剂，其特征在于，

无机类活化组分    3～5重量份；

有机类活化组分    0.03～0.05重量份；

火山灰组分        95～97重量份。

5.一种钢渣混凝土，含有包括水泥和钢渣粉的胶凝材料、石子、砂子和水，其特征在于，所述钢渣粉中掺有权利要求1至4任一所述的钢渣复合激发剂。

6.根据权利要求5所述钢渣混凝土，其特征在于，所述钢渣复合激发剂在钢渣粉中掺量为3％～10wt％。

7.根据权利要求5所述钢渣混凝土，其特征在于，所述钢渣复合激发剂在钢渣粉中掺量为5wt％

8.根据权利要求5或6或7所述钢渣混凝土，其特征在于，所述胶凝材料中钢渣粉用量为10～30wt％。

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