钢渣重构组成设计的关键因子

钢渣重构设计缺乏普适的控制参数,研究发现在CaO掺量充足的条件下,重构钢渣的最终矿物组成为C_3S、C_4AF、C_2F、MgO。基于此,提出钢渣重构组成设计的关键因子KHs。采用KHs对2种钢渣进行重构,利用X射线衍射、扫描电子显微镜研究了重构钢渣的矿物组成,采用水泥胶砂强度试验法测定重构钢渣的活性指数。结果表明:理论矿物C4AF被实际产生的Ca2(Al1-pFep)_2O_5取代,P值在0.64~0.7之间,典型组成是Ca_2Al0.67Fe1.33O_5,据此修正了KHs;当KHs≤0.67时,重构钢渣中C_3S尚未形成;0.67<KHs<1时,重构钢渣主要理论矿物组成包括C_2F、C_6AF_2、C_2S和C_3S四种矿物;KHs≥1时,重构钢渣C_2S理论上全部转化为C3S。KHs为0.91~1.13时,重构钢渣活性指数最低为85%,最高为94%;采用KHs进行钢渣重构组成设计时,可将硅酸率(SM)作为辅助参数。

重构钢渣复合硅酸盐水泥的水化性能及抗硫酸盐侵蚀性能研究

针对钢渣的成分特点,以石灰和铝矾土作为调质组分对钢渣进行物相重构,制备以C_(2)S、C_(4)AF为主要矿物的重构钢渣,将其按不同比例(10%、20%、30%、40%)与硅酸盐水泥复合制备高铁低钙硅酸盐水泥,重点研究重构钢渣掺量对水泥力学性能、水化活性及抗硫酸盐性能的影响。研究结果表明:重构钢渣的掺入降低了水泥标准稠度用水量,延长了凝结时间;重构钢渣复合水泥具有后期强度增长快的特点,掺量小于30%时28 d活性指数均超过100%;掺入重构钢渣能显著降低水泥的早期水化热,掺量为30%的水泥放热总量为254 J/g,比纯水泥低了18.3%;铁相在水化过程中,部分Fe取代水化产物中的Al,与SO_(4)^(2-)形成膨胀性小的富铁钙矾石,填充孔隙结构,提升其抗硫酸盐侵蚀性能。

石灰重构钢渣过程中的物相变化

以石灰作为单一调节材料高温重构钢渣,利用X射线衍射、岩相分析、扫描电子显微镜研究了重构过程中钢渣的矿物组成及RO相的变化,并测定了重构钢渣的安定性和活性指数.结果表明:RO相在CaO作用下优先发生分解反应,其中的FeO随CaO掺量增加依次生成Fe3O4、CF(铁酸一钙)、C2F(铁酸二钙)及Ca2(AlFe)O5(铁铝酸钙)、C4AF(铁铝酸四钙),其中的MgO部分以MgO晶体存在,部分固溶在硅酸盐相和液相中;当CaO/SiO_2摩尔比不够大时,原钢渣中的C3S(硅酸三钙)在重构过程中分解成C2S(硅酸二钙);由于CaO优先与含量较高的铁元素反应,CaO/SiO2摩尔比达到3时仍没有C3S生成,只有当与铁反应完全后多余的CaO才会与C2S反应生成C3S;石灰重构钢渣不会产生安定性不良且胶凝活性明显提高.

仿水泥熟料化学组成重构钢渣研究

从化学组成出发,通过理论计算,确定调节材料的种类和掺量,使得重构钢渣的化学成分与水泥熟料接近,模拟熟料煅烧制度对钢渣进行重构。结果表明:当C/S较低时,原钢渣中C3S在重构过程中分解成C2S,RO相部分分解,Fe元素主要以Fe3O4存在,并形成以MgO为主、含有少量FeO的固溶体,液相量少;当C/S较高时,形成晶形良好的C3S和C2S,RO相完全分解,其中的FeO生成C4AF、C2F,MgO主要以MgO晶体存在液相量多,液相以铁铝酸钙为主。由于Al_2O_3含量低,矿物组成中未见C3A。仿熟料重构钢渣不会产生安定性不良且胶凝活性明显提高。

组成和温度对重构钢渣结构及早期水化活性的影响

在转炉钢渣中添加电炉渣和粉煤灰,通过重新加热来模拟炉外高温重构过程,运用岩相、XRD、强度试验及水化热测定等手段,研究了重构钢渣的组成、结构及其胶凝性能.结果显示:随着粉煤灰的增加,重构钢渣中硅酸盐矿物减少,而随着电炉渣的增多;其硅酸盐矿物增多;温度升高,低碱度重构钢渣硅酸盐矿物晶体尺寸增大,高碱度重构钢渣Alite矿增多,且矿物结构完整,游离氧化钙大幅减少.其中GB40-1350重构钢渣样品的3d水化热相比于原钢渣增加1.9倍,GBF15-1350重构钢渣样品替代30%水泥熟料后的水泥净浆28d抗压强度达到纯水泥净浆强度的99.9%.

化学组成对重构钢渣中MgO存在形式的影响

重构钢渣中MgO的存在形式受矿化剂及杂质元素的影响严重,采用化学相分离法测定MgO分布及含量,借助XRD与岩相分析对重构钢渣中矿物组成进行研究;通过综合热分析确定不同升温速率下MgO析晶放热峰值温度,计算重构钢渣中MgO的析晶活化能。结果表明:氟化钙、硫酸钙与锰、磷元素均提高了胶凝性矿物生成数量及胶凝矿物的结晶程度,使更多镁离子以固溶于胶凝性矿物的形式存在;当氟化钙、硫酸钙及锰、磷元素含量分别为0.8%、4%、0.09%、1%时,相应的重构钢渣中游离MgO含量最少,分别占镁离子总量的4.18%、3.80%、6.27%和18.53%;钢渣重构过程中硫酸钙可提高MgO析晶活化能至409.4146kJ·mol-1,其抑制游离态MgO析出的作用效果显著强于氟化钙及锰、磷。

钢渣烧结过程的矿物相转变及性能研究

钢渣由于早期活性低,易磨性差,安定性不良,制约了其在水泥混凝土中的大规模利用。本文通过对钢渣进行高温重构,研究了钢渣在不同重构温度下的矿物相转变及易磨性、安定性、活性指数的变化。结果表明:高温可以优化钢渣的矿物相组成,促进难磨相浮氏体(Fe x O)、RO相的转化,促进钢渣中硅酸二钙(C_(2)S)向硅酸三钙(C_(3)S)转变,促进镁铁尖晶石(MgFe_(2)O_(4))的生成;矿物及液相分布均匀,矿物组成良好、边界更清晰的重构钢渣往往表现出更高的强度,试验所用两种钢渣经过1400℃的高温重构,其28 d活性指数可分别达99.03%和96.52%;钢渣中f-CaO含量随重构温度的升高而显著降低;易磨性则随着重构温度的升高呈先升高后降低的趋势。

钢渣活性激发的机理及研究进展

钢渣的化学组成与水泥熟料相似,且高碱度钢渣中含有较多的C3S和C2S,具有一定的胶凝活性,可以直接作为掺合料生产钢渣水泥,但是其较低的活性成为制约钢渣利用的关键问题。对钢渣活性较低的原因、活性激发的机理及研究进展进行了详细的探讨,如机械激发、化学激发、热力学激发、钢渣重构等。

钢渣胶凝性激发的研究进展

介绍国内外钢渣胶凝性激发的研究进展。钢渣作为一种固体废弃物品具有潜在的胶凝性质,可以通过多种手段激发其潜在活性,代替部分水泥。例如,采用机械外力将钢渣磨成细粉增大水化表面积,或者对其进行热力蒸压,能有效激发钢渣潜在的胶凝性。此外还可使用外加剂改善钢渣活性,常见的激发剂有碱性激活剂和酸性激活剂。钢渣混凝土目前已经从单一的激发方式发展到多种激发手段并用,激活后的钢渣具有良好的活性,可满足多种工程需求,钢渣混凝土有着广泛的应用前景。

冷却方式及保温时间对钢渣RO相形成和MgO的分布的影响

研究冷却方式及保温时间对钢渣RO相形成和MgO的分布的影响,应用XRD和SEM观察其矿物组成及微观形貌,结合利用化学相分离法定量分析冷却方式及保温时间的影响。实验结果表明,不同冷却方式,重构钢渣中的矿物组成明显不同,冷却方式为水冷时,重构钢渣中生成的硅酸盐相等胶凝矿物含量较多。保温时间的延长有助于MgO的固溶。当保温时间为60min时,重构钢渣中硅酸盐相增加12.39%,而中间相、RO相和游离态MgO分别减少18.08%、8.05%及88.36%。

还原铁法重构钢渣及其矿物组成

分别采用直接还原法和熔融还原法对柳钢和宝钢2种钢渣进行了铁还原重构试验,利用X射线衍射、扫描电子显微镜研究了重构钢渣的矿物组成,并采用水泥胶砂强度试验法测定重构钢渣的活性指数。结果表明:直接还原法可将钢渣中铁氧化物还原成铁珠,尺寸范围为1～50μm,金属铁颗粒均匀分布在各种矿物之间;铁酸钙相、镁蔷薇辉石在重构过程中分解,柳钢钢渣硅酸三钙(C3S)和宝钢钢渣硅酸二钙(C2S)分解,钢渣重构后硅酸钙相组成由原钢渣中Ca/Si摩尔比决定;RO相被还原成金属铁和MgO,原钢渣总铁含量越高,铁还原越彻底。熔融还原法可将钢渣中铁氧化物还原成金属Fe,在重力作用下渣铁分离,还原率近乎100%;随炉冷却渣矿物组成为钙铝黄长石、镁黄长石、C2S,与硬矿渣相似;水淬渣以玻璃体为主,柳钢和宝钢重构渣玻璃体含量分别为97%和73%,与水淬矿渣组成相近。采用还原铁法所得重构钢渣的活性指数显著提高。

氟化钙对重构钢渣胶凝活性和体积安定性的影响

针对钢渣作为胶凝材料时存在胶凝活性低、体积安定性差等问题,采用向钢渣中添加不同比例氟化钙(CaF2)的方法来提高重构钢渣的胶凝活性和体积安定性。研究表明,随着CaF2掺量的增加,重构钢渣的胶凝活性指数呈现不断上升的趋势,在CaF2的掺量为5%下,重构钢渣的胶凝活性指数达到120%左右;同时通过EDTA化学滴定发现游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)含量均不断下降,最终分别下降到0.09%、0.19%;通过XRD和SEM分析发现,随着CaF2掺量的增加,硅酸二钙(C2S)的衍射峰逐渐减弱,硅酸三钙(C3S)的衍射峰逐渐增强;当CaF2掺量为1%现了铁铝酸四钙(C4AF)、铝酸三钙(C3A)的衍射峰,但C3A的衍射峰较弱。分析原因表明:矿化剂(CaF2)的加入可以促进中间相氟硅酸三钙(3C3S-CaF2)和氟硅酸二钙(2C2S-CaF2)的生成,降低重构钢渣的熔点,增加反应的液相量,降低重构钢渣的粘度,同时CaF2还可提高CaO、SiO2和MgO的反应活性,降低熔渣中f-CaO和f-MgO,促使C3S和C2S顺利生成。

基于GRNN-SA的重构钢渣最佳配方优化模型

考虑到钢渣化学成分的波动性,为解决钢渣重构在配料时所涉及的复杂运算问题,以钢渣、生石灰、粉煤灰、氟化钙(CaF2)的化学成分作为输入变量,活性指数作为输出变量,构建广义回归神经网络(GRNN)模型,并采用模拟退火算法(SA)进行优化计算,建立基于GRNN-SA的重构钢渣最佳配方优化模型。通过实证分析得出,该模型能够实现重构配料过程的智能化计算,而且具有普适性,对不同来源的钢渣均有指导意义,对钢渣重构的试验结果也有一定的预测效果,实际活性指数值与预测值相对误差在5%以下,模拟准确性较高。