高炉水渣的应用

第一节基础知识一、胶凝材料的定义与分类胶凝材料一般分为无机和有机两大类。本书讨论的胶凝材料是指这样一类无机粉末材料，当其与水或水溶液拌和后所形成的浆体，经过一系列物理、化学作用后，能够逐渐硬化并形成具有强度的人造石。无机胶凝材料一般可分为水硬性胶凝材料和气硬性胶凝材料两大类。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化、而不能在水中硬化，如石灰、石膏、镁质胶凝材料等。水硬性胶凝材料既能在空气中硬化，又能在水中硬化，这类胶凝材料常统称为水泥。二、水泥的品种与标号2.1水泥的品种根据混合材的掺量和种类水泥可分为如下几种2.1.1硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、0—5％石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥）。硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅰ。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥重量5％石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅱ。2.1.2普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、６％￣15％混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号P·0。掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15％，其中允许用不超过水泥重量５％的窑灰或不超过水泥重量10％的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时最大掺量不得超过水泥重量10％。2.1.3矿渣硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥（简称故渣水泥），代号P·S。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按重量百分比计为20％￣70％。允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过过水泥重量的8％，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20％。2.1.4火山灰质硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号P·P。水泥中火山灰质混合材料掺加量按重量百分比计为20％—50％。2.1.5粉煤灰硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥），代号P·F。水泥中粉煤灰掺加量按重量百分比计为20％—40％。2.1.6复合硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥）。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比应大于15％，不超过50％。水泥中允许用不超过8％的窑灰代替部分混合材料；掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。2.2水泥的强度等级根据水泥胶砂28天强度值，水泥强度可分为如下等级，即28天强度不低于32.5的我们称为32.5水泥，不低于42.5的称为42.5水泥，依次类推，强度等级中的R表示快硬水泥，通常快硬水泥的3天强度比普通水泥高一个等级。各种水泥的强度等级如下：硅酸盐水泥42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R普通硅酸盐水泥32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R矿渣硅酸盐水泥32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R火山灰质硅酸盐水泥32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R粉煤灰硅酸盐水泥32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R复合硅酸盐水泥32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R各种等级水泥的强度如表一品种强度等级抗压强度抗折强度硅酸盐水泥42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0普硅水泥32.511.032.52.55.532.5R16.032.53.55.542.516.042.53.56.542.5R21.042.54.06.552.522.052.54.07.052.5R26.052.55.07.0矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥32.510.032.52.55.532.5R15.032.53.55.542.515.042.53.56.542.5R19.042.54.06.552.521.052.54.07.052.5R23.052.54.57.0复合水泥32.511.032.52.55.532.5R16.032.53.55.542.516.042.53.56.542.5R21.042.54.06.552.522.052.54.07.052.5R26.052.55.07.0表一：水泥的品种和强度等级三、混凝土基本知识（一）概述由胶凝材料（有机的、无机的、有机无机复合的）、颗粒状集料以及必要时加入化学外加剂和矿物掺和料等组分的混合料，经硬化后形成具有堆聚结构的复合材料称为混凝土。目前应用最广的仍然是由无机胶凝材料制成的混凝土。这类混凝土的组织结构类似与某些天然岩石，故又称混凝土人造石。日常最常见的混凝土为：水泥混凝土和沥青混凝土。（二）普通混凝土组成材料1、水泥：水你是混凝土的胶结材料。2、集料：集料是混凝土的重要组成材料，他占混凝土总组成的3/4以上。集料在混凝土中既有技术上的作用，又有技术上的意义，在技术上，集料的存在使混凝土比单纯水泥浆具有更高的体积稳定性和耐久性；经济上，它比水泥便宜的多，作为水泥浆体的廉价的填充材料，大大降低了混凝土成本。通常情况下，集料分为细集料和粗集料，细集料的粒径为0.15～5mm，常见的就是黄沙。粗集料的粒径为5～20mm，常见的就是碎石。3、磨细矿物掺和料有时为了节约高标号的水泥和保证混凝土具有必要的工作性，在混凝土中掺入一定量的磨细矿物掺和料。这些矿物掺和料可在粉磨水泥时加入，也可在配制混凝土时加入，可作掺和料的材料有如下几种：（1）具有弱自硬性的材料，如钢渣和某些炉渣。（2）具有活性水硬性材料，这些材料不能自行硬化，但能够与水泥水化析出的氢氧化钙或者与加入的石灰相互作用而具有较高的强度。如水淬粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等（3）微活性掺和料（填充料），如磨细沙、粘土等作为活性掺和料的矿物掺和料，其活性指标不得低于有关规定，细度不大于水泥的细度。对混凝土活性有害的杂质含量不得高于有关规定。并且，掺和料的加入最好不要提高需水量。4、混凝土拌和水混凝土拌和水可以是自来水也可以是天然水，用天然水时，水中的盐含量不可过量，特别是硫酸盐和氯化物，同时PH值不可小于4。5、混凝土外加剂混凝土外加剂是现代混凝土不可缺少的组分之一，是混凝土改性的的一种重要方法和技术。掺少量的外加剂可以改善新拌混凝土的工作性能，提高硬化混凝土的物理力学性能和耐久性。同时，外加剂的研究和应用促进了混凝土的混凝土的生产和施工工艺，以及新型混凝土的品的发展，90年代初出出现的高性能混凝土就是新型复合超塑化剂与混凝土材料科学结合的成功范例。常用的外加剂包括减水剂、早强剂、缓凝剂、引气剂、膨胀剂、着色剂、泵送剂等6、混凝土的基本性质流动性：是指混凝土拌和物在本身自重或外力作用下是否易于流动的能力，混凝土的流动性通常以坍落度来表示。流动性是混凝土的重要性质，在混凝土的实际使用中体现为混凝土的可泵送性。强度：混凝土强度是混凝土的重要力学性能，混凝土的强度有抗压、抗拉、弯曲、剪切和与钢筋粘结强度等性能，其强度的设计等级通常由C＋数字来表示，C表示混凝土，数字表示混凝土的28天强度。耐久性：混凝土在硬化后除要求具有设计的强度外，还应在周围的自然规律及工作条件下常年使用，具体表现为耐久性。在水工、海工等建筑，耐久性显的更为重要。第二节高炉水渣及其应用一、高炉水渣高炉炼铁的基本原理是在高温下浆氧化铁还原成金属铁，并将矿石中的SiO2，Al2O3等杂质与石灰等溶剂化合成矿渣使之与铁水分离。所以矿渣的化学成分，主要是CaO、SiO2、Al2O3和MgO、FeO等氧化物及一些硫化物（CaS和MnS、FeS等）。个别情况下可能还有TiO2、P2O5等。在一般矿渣中CaO、SiO2、Al2O3的成分总是主要的，他们通常占90％以上。与硅酸盐水泥熟料相比，矿渣中CaO含量较低，而SiO的含量偏高。矿渣的活性不仅取决于化学成分，而且很大程度上取决于内部结构，在一般情况下，矿渣的SiO2含量偏高，如果由熔融状态下慢慢冷却而结晶，就成为坚硬的块状“硬矿渣”，活性极小；但热熔融矿渣经过急速冷却，形成以玻璃体为主的结构时，就可获得活性粒化高炉矿渣。并且，冷却越迅速、越充分，矿渣的活性也越高。急冷措施一般是水，冲渣过程如下图一：二、矿渣的化学成分1、氧化钙含量30～50％是矿渣的主要成分之一。通常含量越高，活性越大。但如果氧化钙含量过高，矿渣活性反而变小，熔融矿渣粘度下降，矿渣结晶能力增大，容易析出晶体，影响活性。2、氧化铝含量为7％～20％，也是决定矿渣活性的主要成分。氧化铝的含量增加，矿渣的活性增大，尤其在配制石膏矿渣水泥等无熟料水泥时更为明显。但有研究表明，Al2O3含量增高倒13％以上时，只能提高所配水泥的早期强度，如图3所示，91天强度在Al2O3含量增高时甚至有所下降。3、氧化硅含量30％～40％，对促进玻璃体结构的形成有一定帮助。但是矿渣中SiO2的含量一般都过多，得不到足够的CaO、MgO来与其复合，因此SiO含量较多时，矿渣的活性一般都差。4、氧化镁含量1％～18％，在矿渣中大多数都呈稳定的化合态存在。因而不会使水泥的体积安定性不好。除少数特殊情况外，其作用可认为与CaO相同。5、氧化亚锰在矿渣中的含量不会超过3％，是有害成分，会使矿渣的活性降低，这是因为MnO与硫化物反应生成的MnS，会与水作用引起体积膨胀，影响强度。另一方面，矿渣中的硫化物如果以CaS形式存在，可以发生如下水化：2CaS+2H20----Ca(OH)2+Ca(SH)2所析出的Ca(OH)2，有利于对矿渣活性的激发。所以MnO的存在，不但使硫化物生成有害的MnS，而且会使有益的CaS相应减少。同时，MnS还能使熔融矿渣的粘度下降，增加结晶程度。而且含锰化合物的玻璃体，大部分只具有很低的反应能力。应此矿渣中的MnO的含量应有所限制，一般不得超过4％。除以上氧化物外，根据所用原料及所炼生铁的品种，矿渣中可能还含有少量的FeO、TiO2、BaO、K2O、Na2O、Cr2O3及V2O5等，这些氧化物对矿渣的活性的作用也与存在的形式和含量有关。各钢铁企业的高炉矿渣，其化学成分虽大致相同，但各氧化物的含量并不一致，因此矿渣有碱性、中性、酸性之分，以矿渣中碱性氧化物和酸性氧化物含量的比值M大小来区分：(CaO+MgO+Al2O3)%M=SiO2%M1为碱性矿渣M1为酸性矿渣M=1为中性矿渣酸性矿渣中性矿渣和酸性矿渣的胶凝性差，而碱性矿渣的胶凝性好。因此，矿渣微粉应选用碱性矿渣，其M值愈大，反映其活性愈好。三、矿渣的活性及其激发磨细的粒化矿渣单独与水拌和时，反应极慢，基本上没有强度。但在Ca(OH)2溶液中，就会发生显著的水化作用，而且Ca(OH)2浓度越高反应越快。同一矿渣粉在不同条件下的强度如下：编号配比（％）28天强度矿渣石灰水泥熟料石膏（Mpa）11000000292.5007.50380200018.8447.7047.74.647.7574.501510.564.0粒化矿渣在不同配比时的强度表中数据表明，矿渣在不同条件下的强度相差很大。也就是说矿渣的活性是潜在的，而这重潜在活性的挥发，则与石灰等物料的存在为必要条件。这类物料起着激发活性、促使凝结硬化的作用，因而被称为激发剂。常用的激发剂有两类：碱性激发剂和硫酸盐激发剂。碱性激发剂一般为石灰和水化时能够析出Ca(OH)2的硅酸盐水泥熟料。硫酸盐激发剂则有：二水石膏、半水石膏、无水石膏或以CaSO4为主要成分的化学废料。但是只加入石膏时，矿渣的活性并不能很好的激发，只能具有较低的强度。只有在一定的碱性环境中，再加入一定量的石膏，矿渣的活性才能较为充分的发挥出来。