第五章高炉矿渣和矿渣水泥

第五章高炉矿渣和矿渣水泥高炉矿渣是冶铁工业的副产品，其中每生产1吨生铁，将排除0.3-1.0吨废渣。目前，已广泛应用在水泥及混凝土中作为混合材或矿物掺合料以改善它们的性能。凡是高炉炼铁时，所得以硅酸盐和铝酸盐为主的熔融物，经急冷后，即为粒化高炉矿渣，其主要成分是玻璃体第一节高炉矿渣一、粒化高炉矿渣的形成高炉炼铁是在高温下将氧化铁还原成金属铁，但是在冶炼过程中，还需加入一定数量的溶剂矿物（如石灰石），这些溶剂矿物分解出的CaO和MgO与铁矿石的杂质和燃料中的灰分熔为一体，组成以硅酸盐和铝酸盐为主的熔融体，然后以废渣的形式排出。为了限制矿渣结晶并发生粒化，一般采取水等急冷措施，如直接排放到水中。二、高炉矿渣的化学组成和矿物组成（一）化学组成由于铁矿石的成分、溶剂类型等不同，矿渣的成分变化较大高炉矿渣的化学组成成分CaOSiO2Al2O3MgOFeOMnOS含量％30-5026-427-201-180.2-10.1-11-2高炉矿渣的化学组成来源矿渣类型SiO2Al2O3FeO/Fe2O3CaOMgOSMnOTiO2质量系数K中国中国中国中国中国中国中国中国中国英国德国德国苏联美国铸铁矿渣铸铁矿渣铸铁矿渣铸铁矿渣炼钢生铁渣炼钢生铁渣炼钢生铁渣锰铁渣含钛矿渣铸铁矿渣铸铁矿渣碱性转炉渣铸铁矿渣铸铁矿渣40.3038.2933.3631.5037.1925.8232.5027.5512.7030-3830-4029-3534-3533-426.938.1417.0515.8511.4819.9314.5018.6215.5115-2311-1610-165-2310-160.230.610.300.330.810.680.590.420.480.1-1.00.2-1.30.2-1.00.3-2.40.3-2.042.1746.3740.4142.4040.0345.253836.6524.0738-4435-4338-4629-4836-455.806.049.039.437.7710.5410.205.658.933-85-114-120-183-121.121.551.061.970.972.210.75--0.281.4-2.50.9-1.80.6-1.91.1--0.140.610.160.670.200.36--11.900.650.2-0.70.4-2.00.1-1.30.1-2.10.2-1.6----------------24.95----------1.351.561.992.101.582.901.931.541.26----------2232TiO＋MnO＋SiOOAl＋MgO＋CaO＝K质量系数矿渣中SiO2含量高，CaO含量低矿渣中各氧化物的作用1.CaO在熔体冷却中，能与氧化硅、氧化铝结合形成具有水硬性的硅酸钙和铝酸钙。同时降低了急冷时玻璃的聚合度，但是含量过高会造成，粘度降低，促使结晶能力增强易使C2S又β转化γ型，而使活性降低。2.氧化铝形成铝酸盐或铝硅酸钙玻璃体。3.氧化硅形成硅酸钙，当氧化硅含量高，粘度大，冷却易形成玻璃体4.氧化镁可以减低熔体粘度，便于提高矿渣的粒化质量，增加矿渣的活性。5.氧化钛TiO2含量高，炉渣的活性降低。一般优质矿渣有求低于2.0％根据矿渣的碱性系数或质量系数，把矿渣分为三类2232TiO＋MnO＋SiOOAl＋MgO＋CaO＝K质量系数322OAl＋SiOMgO＋CaO＝M碱性系数M1为碱性矿渣；M＝1为中性矿渣；M1为酸性矿渣（二）矿物组成熔融矿渣冷却后，析出的矿物有钙长石、硅酸二钙、硅酸一钙等，含MgO高的矿渣还有镁方柱石、镁橄榄石；含硫多时，则有CaS、FeS等。上述矿物仅有C2S具有胶凝性，但如果冷却速度慢，以γ型存在，胶凝性就失去。急冷三、粒化高炉矿渣的玻璃体结构矿渣在淬冷中由熔融体变成了玻璃体。玻璃体是以[SiO4]4-四面体为基本结构单元，以[AlO4]5-参与玻璃网的形成，Ca2+、Mg2+以及六配位的Al3+等调整网络结构。四、矿渣的结构与水化活性的关系在实际生产中得到的矿渣是一个玻璃相和结晶相的复合体玻晶比：玻璃相和晶体相的比值，玻晶比越高，矿渣的水化活性越高。12＃明显析晶，6＃也析晶（1）玻璃相的含量矿渣的矿物组成对其水化活性也有影响13＃、8＃和11＃主要矿物组成是黄长石（C2AS），13＃还含有C2S，11＃还含有C3S25＃和9＃主要是硅灰石（βCS）析晶相组成对强度的影响编号5911813矿物组成βCSβCSC2AS-C3S2C2ASC2AS-C2S28的抗压强度19.522.630.031.434.2C2SC2ASC3S2CS在粒化高炉矿渣中玻璃化程度在80%以上，玻璃相的结构对水化活性也有影响矿渣玻璃相的活性化学成分摩尔分数编号CaOFe2O3Al2O3SiO2CaOFe2O3Al2O3SiO2玻璃相含量28d强度2122232410.025.435.040.05.654.704.103.7829.324.321.219.545.655.039.736.70.200.600.941.170.040.040.040.040.320.320.320.341.01.01.01.097-9996-9895-9795-979.8218.6524.3327.74网络形成剂SiO2越多，网络调整剂（如CaO）则连网的[SiO4]4-四面体多，玻璃结构的稳定性增大，而水化活性减小Ca/S比越大，活性越高（2）网络调整剂与形成剂的比例（3）玻璃网的聚合度玻璃网络的聚合度用平均桥氧数来衡量，桥氧越小，则[SiO4]4-、[AlO4]5-链的聚合度越低，矿渣的水化活性提高。由于[AlO4]5-四面体的键强低于[SiO4]4-，在聚合度相同的情况下，[AlO4]5-增多，网络稳定性降低，矿渣水化活性提高潜在水硬性在一般情况下，矿渣在水中不具有水硬性，即矿渣的胶凝能力不能自动发挥出来。然而，在激发剂存在的条件下，可以形成胶凝性物质，而具有水硬性（3）玻璃网的聚合度在PH值大于12时才具有胶凝性PH值大于2或小于12时，矿渣的溶解度明显提高PH12时，矿渣才表现出胶凝性，PH值大于13，可使矿渣的胶凝性充分发挥出来PH值大于12的碱性环境既有利于矿渣溶解，也有利于潜在胶凝性的发挥六、矿渣质量评定用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣的质量应满足GB/T18046-2008的要求（1）活性指数试验（2）玻璃体含量测定第二节矿渣硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥代号PS，是由硅酸盐水泥熟料、石膏和20%到70%的矿渣磨细而成一、矿渣硅酸盐水泥的生产水淬矿渣先在烘干机内烘干，再与硅酸盐水泥熟料和石膏，以一定比例进行粉磨。矿渣水泥的缺点是早期强度较低，因此，可以适当提高熟料中C3S和C3A的含量，选用质量系数大、水淬质量好、细度大的矿渣。二、矿渣水泥的水化硬化过程加水后，首先水泥熟料矿物水化，生成的Ca(OH)2是矿渣的碱性激发剂，使玻璃体中的Ca2+、Al2O3、Al3+、SiO44-离子进入溶液，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙。由于部分Ca(OH)2与矿渣作用，使水化产物的碱度要低一些。由于矿渣水泥中，水泥熟料相对减少，使其早期硬化较慢，表现出3d和7d强度较低。采用湿热处理，可以促进早期强度的发展。三、矿渣水泥的性质和用途1.性质凝结时间长——初凝时间一般在2-5h，终凝在5-9h保水能力差、泌水性较大早期强度低，但后期可以赶上硅酸盐水泥，需注意冬季保温抗淡水、海水、硫酸盐、氯盐侵蚀性好2.用途可以用于地面、地下、海港、大体积等工程中，以及蒸养构件，但不宜用于受冻融或干湿交替的部位。第三节无熟料及低熟料矿渣水泥主要利用矿渣的潜在水硬性，与激发剂或少量熟料复合而成一、石膏矿渣水泥主要由粒化矿渣（一般在80％左右）、石膏（15％左右）和少量熟料磨制而成产物主要是钙矾石和低碱水化硅酸钙。在配制石膏矿渣水泥时，正确确定激发剂的种类和掺量是关键。若液相中CaO浓度低，不但使矿渣分散和溶解比较难，也达不到钙矾石所需要的碱度范围（PH＝10.8-12.5，最适宜是11.8），所以凝结慢、水化产物少，强度增长慢若碱性激发剂掺多了，形成细小的钙矾石，易产生膨胀应力，使强度显著降低因此，碱度对石膏矿渣水泥性能相当敏感，必须妥善选择。通常采用硅酸盐水泥熟料（3-6％）作为碱性激发剂。石膏矿渣水泥的细度对其早期强度影响较大，一般控制在5％以下。石膏矿渣水泥水化热低，抗硫酸盐侵蚀能力强，体积收缩小。石膏矿渣水泥储存期短，一般在一个月内。可用于地下、水下、大体积等工程，但不适宜有早强要求的部位二、低熟料矿渣水泥由15－25％的水泥熟料、矿渣及适量石膏研磨而成的一种水硬性胶凝材料在配制低熟料水泥时，参与反应的各种氧化物应满足下列条件1%%%%3322CaOSOOAlSiO即CaO为50％左右，SO3达到一个适当的值，其目的是使主要水化产物为钙矾石和水化硅酸钙。三、钢渣矿渣水泥钢渣是炼钢行业生产中的废渣，约占钢产量的20％。用于水泥中主要是平炉精炼渣、后期渣和转炉后期渣CaO含量高的平炉渣中常含有C3S、C2S和铁铝酸盐；转炉渣中C3S含量更高些；电炉还原渣中常含有C2S、CA、C12A7，CaO含量高时还会形成C3S和C3A。GB/T20491-2006用于水泥混凝土的钢渣粉钢渣矿渣水泥以平炉、转炉渣为主要组成，加入一定量粒化高炉矿渣和适量石膏磨细而成的水硬性胶凝材料一般以50－55％的钢渣、40－50％的粒化矿渣和5－8％的石膏，有时也掺入少量的熟料质量要求钢渣矿渣水泥早期强度较低，但后期强度不断增长，具有矿渣硅酸盐水泥相似的性能