一种钢渣基碱激发胶凝材料、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于建筑材料及工业固体废弃物资源化利用技术领域，尤其设计一种钢渣基碱激发胶凝材料、制备方法及其应用。

背景技术

钢渣是炼钢过程中所产生的一种工业副产品，其产生率约为粗钢掺量的8～15%。近年来，我国的钢渣产量随着钢铁工业的发展而迅速增长，然而当前我国钢铁企业所生产的钢渣其资源利用化率仅为30～40%，仍有一大部分未能得到有效利用和处理，多采取堆存的方式，不仅仅无法使钢渣得到综合利用，而造成了污染环境、占用土地和资源浪费等问题，因此对钢渣进行资源化利用迫在眉睫。

众多的研究表明，钢渣（尤其是高碱度转炉钢渣）具有与水泥熟料相似的化学组成和矿物组成，其中含有大量的硅酸盐矿物、少量的铝酸盐以及铁铝酸盐矿物，这些矿物具有水化反应的能力，从而使钢渣具有一定的水硬性能。 但钢渣本身的水化活性和溶解度相对较差，在普通条件下，仅仅依靠钢渣的水化所产生的胶凝性差，限制了钢渣的应用。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种生产升本低，稳定性好，能够有效发挥和利用钢渣的水化活性，孔隙率低，解决钢渣其材料早期水化活性较低，导致早期难以形成强度的问题。

为了解决现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案如下：

一种钢渣基碱激发胶凝材料，包括固体粉料和水；按质量百分数计，所述固体粉料包括以下组分：

磨细钢渣粉 40～60wt%；

磨细铝灰渣粉 0.5～1wt%；

粉煤灰 15～20wt%；

矿渣粉 10～15wt%；

硅灰 5～10wt%；

固体激发剂 1～5wt%；

所述固体粉料中各组分的质量百分数之和为100%。

进一步地，所述固体粉料与水的质量比为100:35～50。

进一步地，所述固体激发剂为氢氧化钠和硅酸钠中的一种或两种混合物；所述氢氧化钠与硅酸钠为工业级或分析级。当固体激发剂为氢氧化钠与硅酸钠混合而成时，硅酸钠模数为1.8～2.6。

进一步地，所述磨细钢渣粉的粒径范围为8.5～85μm，平均比表面积为350～1000m2/kg，化学成分为CaO：40～60%、SiO2:10～18%、MgO:3～7%、Fe2O3:20～30%、Al2O3:1～5%、其它：5～15%。

进一步地，所述粉煤灰的化学成分为Al2O3：15～35%、SiO2:30～60%、MgO:2～7%、Fe2O3:1～20%、CaO:0.5～10%、其它：1～10%。

进一步地，所述矿渣粉为S95级矿渣粉或S105级矿渣粉，矿渣粉的主要成分为CaO：38～50%、SiO2：30～40%、Al2O3：8～15%、Fe2O3：1～2%、MgO：4～8% 其它：1～8%。

进一步地，所述硅灰的主要成分为SiO2:90～95%、CaO:0.1～1%、Al2O3:0.1～1%、Fe2O3:0.5～2%、MgO:1～2%、其它：1～3%。

进一步地，所述磨细铝灰渣粉的粒径范围为10～100μm，主要成分为Al2O3:80～90%、MgO:5～10%、SiO2:3～7%、其它：1～2%。

上述钢渣基碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将磨细钢渣粉、磨细铝灰渣粉、粉煤灰、矿渣粉、硅灰充分混合，得到混合料A；

（2）将固体激发剂溶解于水中，得到碱激发溶液B；

（3）将步骤（1）中所得到混合料A与步骤（2）所得碱激发溶液B充分混合均匀，即得目的产物。

本发明提供的一种上述钢渣基碱激发胶凝材料可用于低强度碱激发钢渣基混凝土的制作或用矿井充填作胶结材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的钢渣基碱激发胶凝材料，所述钢渣基碱激发胶凝材料包括固体粉料和水，其中以质量百分数计：磨细钢渣粉40～60wt%、磨细铝灰渣粉0.5～1wt%、粉煤灰15～20wt%、矿渣粉5～10wt%、硅灰10～15wt%和固体激发剂1～5wt%。由上述原料制得的钢渣基碱激发胶凝材料，通过由磨细钢渣粉、磨细铝灰渣粉、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、固体激发剂以及水制得，本发明与传统的硅酸盐水泥相比，本发明提供的碱激发胶凝材料利用工业生产所产生的工业废料，无需再进行高温煅烧，大大节约了生产升本，减少了水泥生产过程中的高资源、高能量消耗与高二氧化碳排放。与传统钢渣基材料相比能够使早期及后期强度得到提升。同时能够将钢渣资源进行资源化、规模化利用，有限缓解当前钢渣堆放所造成的土地占用及环境污染问题。

本发明能够有效解决纯钢渣基胶凝材料前期水化速度慢，同时能够提升后期强度。上述钢渣基碱激发胶凝材料可以将钢渣资源进行资源化、规模化利用，有效缓解了当前钢渣堆放所造成的土地占用及环境污染问题。

由于氢氧化钠与硅酸钠等作为碱性激发剂，能够促进矿渣与粉煤灰中的玻璃体破裂，促进其中活性组分溶出与钢渣水化生成的Ca(OH)2发生反应，生成更多的水化硅酸钙凝胶（C-S-H）。

同时少量铝灰渣的加入，能够为体系引入更多的Al2O3，在碱性条件下的加入能够促进发生Al-O键的断裂，增多Ca-Si-O-H和Ca-Al-Si-O-H凝胶的生成，提高内部结构的密实性，使得材料的力学性能得以提高。

硅灰的加入能够与钢渣中硅酸二钙与硅酸三钙水化所生成的Ca(OH)2和游离CaO与水反应生成的Ca(OH)2,反应生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙，提高材料的强度，并消除钢渣中游离氧化钙带来的膨胀性危害。

本发明提供的钢渣基碱激发胶凝材料的制备方法，上述制备方法能够将各原料进行充分混合，得到钢渣基碱激发胶凝材料。该方法具有制备工艺简单，操作简便，容易实施且制备过程不需要特殊的加工设备等特点。

本申请提供的钢渣基碱激发胶凝材料可用于制作低强度碱激发钢渣基混凝土的制作或矿井充填胶结材料。

上述钢渣基碱激发胶凝材料可以将磨细钢渣粉进行规模化利用，进而有效缓解了现有钢渣堆放或填埋造成的环境污染以及占用农田的问题；同时将其应用于低强度混凝土或矿井填充中，也能降低原料成本，具有较好的经济效益和社会效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细描述：

实施例1

一种钢渣基碱激发胶凝材料，包括固体粉料和水；其中，按照质量百分数计，所述固体粉料包括以下组分：磨细钢渣粉60wt%、磨细铝灰渣粉0.5wt%、粉煤灰20wt%、矿渣粉10wt%、硅灰7wt%、固体激发剂2.5wt%。

所述固体粉料与水的质量比为100:40。

所述磨细钢渣粉为转炉钢渣磨细粉，平均粒径为48微米，平均比表面积为680 m2/kg，其主要化学成分为CaO：42.64%、SiO2:15.19%、MgO:5.05%、Fe2O3:27.54%、Al2O3:2.52%、其它：7.06%。

所述磨细铝灰渣粉，平均粒径为50μm，主要成分为Al2O3:86.10%、MgO:7.90%、SiO2:4.80%、其它：1.20%。

所选用粉煤灰的主要化学成分为Al2O3：29.74%、SiO2:50.11%、MgO:2.10%、Fe2O3:7.74%、CaO:3.93%、其它：6.38%。

所选用矿渣为S95矿渣，其主要化学成分为CaO：38.45%、SiO2：37.42%、Al2O3:13.11%、Fe2O3:1.32%、MgO:4.78%、其它：4.92%。

所选用硅灰的主要化学成分为SiO2:94.5%、CaO:0.54%、Al2O3:0.27%、Fe2O3:0.83%、MgO:1.43%、其它:2.43%。

所选用的固体激发剂为氢氧化钠。

上述钢渣基碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将磨细钢渣粉、粉煤灰、矿渣粉、硅灰充分混合，得到混合料A；

（2）将氢氧化钠溶解于水中，得到碱激发溶液B，并等待溶液冷却；

（3）将步骤（1）中所得到混合料A与步骤（2）所得的冷却后的溶液B充分混合均匀，得到钢渣基碱激发胶凝材料浆体。

根据国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(IOS法)，将实施例1中制备的胶凝材料按照规定的水灰比与IOS标准砂搅拌成型，加水搅拌后，制备成40mm× 40mm×160mm的试块，试块放在标准养护箱内养护48小时拆模，拆模后试块放置于20± 1℃养护箱内水养，检测复合胶凝材料3d、7d、28d的抗折强度和单轴抗压强度，得到复合胶凝材料抗折强度及抗压强度的试验结果为：

抗折强度：3d为1 .26MPa；7d为1 .52MPa；28d为1 .97MPa；

抗压强度：3d为2.01MPa；7d为5.79MPa；28d为17.37MPa。

实施例2

一种钢渣基碱激发胶凝材料，包括固体粉料和水；其中，按照质量百分数计，所述固体粉料包括以下组分：磨细钢渣粉55wt%、磨细铝灰渣粉0.8wt%、粉煤灰20wt%、矿渣粉15wt%、硅灰5wt%、固体激发剂4.2wt%。

所述固体粉料与水的质量比为100:40。

所述磨细钢渣粉为转炉钢渣磨细粉，平均粒径为48微米，平均比表面积为680 m2/kg，其主要化学成分为CaO：42.64%、SiO2:15.19%、MgO:5.05%、Fe2O3:27.54%、Al2O3:2.52%、其它：7.06%。

所述磨细铝灰渣粉，平均粒径为52μm，主要成分为Al2O3:88%、MgO:7%、SiO2:3%、其它：2%。

所选用粉煤灰的主要化学成分为Al2O3：29.74%、SiO2:50.11%、MgO:2.10%、Fe2O3:7.74%、CaO:3.93%、其它：6.38%。

所选用矿渣为S95矿渣，其主要化学成分为CaO：38.45%、SiO2：37.42%、Al2O3:13.11%、Fe2O3:1.32%、MgO:4.78%、其它：4.92%。

所选用硅灰的主要化学成分为SiO2:94.5%、CaO:0.54%、Al2O3:0.27%、Fe2O3:0.83%、MgO:1.43%、其它:2.43%。

所选用的固体激发剂为模数为2.3的硅酸钠。

上述钢渣基碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将磨细钢渣粉、磨细铝灰渣粉、粉煤灰、矿渣粉、硅灰充分混合，得到混合料A；

（2）将氢氧化钠溶解于水中，得到碱激发溶液B，并等待溶液冷却；

（3）将步骤（1）中所得到混合料A与步骤（2）所得的冷却后的溶液B充分混合均匀，得到钢渣基碱激发胶凝材料浆体。

根据国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(IOS法)，将实施例1中制备的胶凝材料按照规定的水灰比与IOS标准砂搅拌成型，加水搅拌后，制备成40mm× 40mm×160mm的试块，试块放在标准养护箱内养护48小时拆模，拆模后试块放置于20± 1℃养护箱内水养，检测复合胶凝材料3d、7d、28d的抗折强度和单轴抗压强度，得到复合胶凝材料抗折强度及抗压强度的试验结果为：

抗折强度：3d为1 .26MPa；7d为1 .48MPa；28d为1 .99MPa；

抗压强度：3d为2.57MPa；7d为6.42MPa；28d为17.44MPa。

实施例3

一种钢渣基碱激发胶凝材料，包括固体粉料和水；其中，按照质量百分数计，所述固体粉料包括以下组分：磨细钢渣粉55wt%、磨细铝灰渣粉1wt%、粉煤灰20wt%、矿渣粉15wt%、硅灰5wt%、固体激发剂4wt%。

所述固体粉料与水的质量比为100:45。

所述磨细钢渣粉为转炉钢渣磨细粉，平均粒径为48微米，平均比表面积为680 m2/kg，其主要化学成分为CaO：42.64%、SiO2:15.19%、MgO:5.05%、Fe2O3:27.54%、Al2O3:2.52%、其它：7.06%。

所述磨细铝灰渣粉，平均粒径为45 μm，主要成分为Al2O3:85.21%、MgO:7.32%、SiO2:5.89%、其它：1.58%。

所选用粉煤灰的主要化学成分为Al2O3：29.74%、SiO2:50.11%、MgO:2.10%、Fe2O3:7.74%、CaO:3.93%、其它：6.38%。

所选用矿渣为S105矿渣，其主要化学成分为CaO：40.52%、SiO2：33.68%、Al2O3:14.22%、MgO:5.34%、Fe2O3：1.32%、其它：4.92%。

所选用硅灰的主要化学成分为SiO2:94.5%、CaO:0.54%、Al2O3:0.27%、Fe2O3:0.83%、MgO:1.43%、其它:2.43%。

所选用的固体激发剂氢氧化钠与硅酸钠组合，其中氢氧化钠占固体激发剂重量的60%，硅酸钠占固体质量的40%。

上述钢渣基碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将磨细钢渣粉、铝灰渣粉、粉煤灰、矿渣粉、硅灰充分混合，得到混合料A；

（2）将硅酸钠与氢氧化钠溶解于水中，得到碱激发溶液B，并等待溶液冷却；

（3）将步骤（1）中所得到混合料A与步骤（2）所得的冷却后的溶液B充分混合均匀，得到钢渣基碱激发胶凝材料浆体。

根据国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(IOS法)，将实施例1中制备的胶凝材料按照规定的水灰比与IOS标准砂搅拌成型，加水搅拌后，制备成40mm× 40mm×160mm的试块，试块放在标准养护箱内养护48小时拆模，拆模后试块放置于20± 1℃养护箱内水养，检测复合胶凝材料3d、7d、28d的抗折强度和单轴抗压强度，得到复合胶凝材料抗折强度及抗压强度的试验结果为：

抗折强度：3d为1 .10MPa；7d为1 .23MPa；28d为1 .76MPa；

抗压强度：3d为2.55MPa；7d为5.99MPa；28d为15.42MPa。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。