高炉水渣的应用.docx

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、05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型硅酸盐水泥，代号P。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型硅酸盐水泥，代号P。 2.1.2普通硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料、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P0。 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PS。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按重量百分比计为2070。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PP。水泥中火山灰质混合材料掺加量按重量百分比计为2050。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PF。水泥中粉煤灰掺加量按重量百分比计为2040。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0.155mm，常见的就是黄沙。粗集料的粒径为520mm，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3050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720，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3040，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118，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 %M 1为碱性矿渣M909595比表面积 m2/kg580480380活性指数是受检胶砂与基准胶砂标准养护至规定龄期的抗压强度比，用百分数表示。活性指数反映了矿渣微粉对硬化混凝土力学性能的影响。在标准中规定的胶砂配合比为：基准胶砂：水泥54og、标准砂1350g、水238g受检胶砂： 水泥27og、矿渣微粉27og、标准砂1350g、水238g基准水泥为425强度等级的I型硅酸盐水泥3、流动度比流动度比是受检胶砂与基准胶砂流动度之比值用百分数表示。流动度比反映了矿渣微粉对新拌混凝土工作性的影响。胶砂配合比同活性指数。4、比表面积比表面积按勃氏法检验，矿渣微粉的细度对其活性有显著的影响。关于用作混凝土掺合料的矿渣微粉的最佳细度问题， 国内外的学者和工程技术人员众说纷纭，有认为比表面积400m2kg500m2kg为好，也有认为600m2kg800m2kg为好。对此需进行综合分析：首先，要考虑矿渣微粉参与水化反应的能力。矿渣是属于前言中所述的第一类活性矿物掺合料，矿渣在水淬时除形成大量玻璃体外还含有钙铝镁黄长石和少量的硅酸一钙或硅酸二钙等组分，因此具有微弱的自身水硬性。但当其粒径大于45m时，矿渣颗粒很难参与水化反应。因此，矿渣微粉的勃氏比表面积应超过400m2kg，才能比较充分地发挥其活性，以改善并提高混凝土的性能。其次，要考虑混凝土的温升。矿渣微粉越细，其活性越高，掺人混凝土后，早期产生的水化热越大，不利于降低混凝土的温升。有资料 表明：矿渣微粉等量取代水泥用量30 的混凝土，细度为6O0 m2kg800 m2kg 的矿渣微粉其混凝土的绝热温升比细度为499 nfk 的矿渣微粉混凝土有十分显著的提高。其三，在配制低水胶比并掺有较大量的矿渣微粉的高强混凝土或高性能混凝土时，要考虑矿渣微粉的细度越细，混凝土产生早期的自收缩将更严重 。最后，还不得不考虑矿渣微粉磨得越细，所耗电能也越大，成本将大幅度提高。此外，近期的研究工作发现矿渣微粉的活性指数与性能不仅仅取决于细度(比表面积)，还和矿渣微粉的颗群形态诸如级配、粒形和粒径分布等有密切的关系 。因此，矿渣微粉的细度应该在能充分发挥其活性和水化反应能力的基础上综合考虑所应用的工程的性质、对混凝土性能的要求以及经济分析等因素来确定，不能笼统地认为矿渣微粉越细越好。三、矿渣微粉混凝土的性能特征简介混凝土技术进步的重要标志就是要对普通混凝土无论是在新拌状态还是硬化后的性能有较大的改善和提高。矿渣微粉作为混凝土的活性矿物掺合料并等量取代水泥所配制的矿渣微粉混凝土，经过较大量的试验研究，反映出它对混凝土性能的改进和提高具有显著的作用。因此，在国际上被认为是新世纪结构材料的高性能混凝土将矿渣微粉作为其主要组分之。根据笔者所见的一些国内的试验研究资料 。 将有关矿渣微粉混凝土的性能特征简介如下：31 新拌混凝土性能3.1.1矿渣微粉混凝土的初凝与终凝时间比普通混凝土有所延缓，但幅度不大。3.1.2在掺用同样的减水剂和同样的混凝土配合比的情况下，矿渣微粉混凝土的坍落度得到明显的提高且坍落度经时损失也得到有效的缓解。此一流动性的改善是由于矿渣微粉的存在延缓了水泥水化初期水化产物的相互搭接。还由于C，A矿物相的含量有所降低而与减水剂有更好的相容性。而且在达到相当细度的矿渣微粉也能具有一定的减水作用。3.1.3矿渣微粉混凝土具有良好的粘聚性，因而显著地改善了混凝土的泌水性。32 硬化混凝土性能3.2.1强度发展规律在相同的混凝土配合比、强度等级与自然养护的条件下，矿渣微粉混凝土的早期强度比普通混凝土略低，但28d以及90d与180d的强度增长十分显著地高于普通混凝土。3.2.2耐久性由于矿渣微粉混凝土的浆体结构较致密，且矿渣微粉能吸收水泥水化生成的Ca(0H)：晶体而改善了混凝土的界面结构。因此，矿渣微粉混凝土的抗渗性十分显著地优于不掺矿渣微粉的普通混凝土，对一系列混凝土耐久性带来了有利的影响。由于矿渣微粉混凝土的高抗渗性而且矿渣微粉还具有较强的吸附Cl一的能力，因此能有效地阻止Cl渗透或扩散进入混凝土，提高混凝土抗Cl一渗透能力，使矿渣微粉混凝土比普通混凝土在有Cl一环境中十分显著地提高了护筋性。混凝土的抗硫酸盐侵蚀主要取决于混凝土的抗渗性和水泥胶凝材料中C3A矿物相含量和碱度，而矿渣微粉混凝土材料中的C3A矿物相与碱度均较低，且又具有高抗渗性。因此，矿渣微粉混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能十分显著地得到了提高。试验表明，在浓度为10 的Na2SO4溶液中浸泡30d后，强度没有丝毫降低。由于矿渣微粉混凝土的密实性提高了，因此，在同样混凝土配合比与强度等级的情况下，矿渣微粉混凝土的抗冻性也优于普通混凝土。矿渣微粉混凝土的抗碳化性能：在矿渣微粉替代水泥的置换量低于50时，其碳化性能不低于普通混凝土。由于矿渣微粉混凝土中的碱含量明显降低了，因此，对预防和抑制混凝土的碱 集料反应是十分有利的。3.2.3 混凝土硬化过程中的热学性能对于大体积混凝土而言，要求混凝土的水化热低，并希望推迟水化热峰值的出现时间， 以协调温度应力与混凝土的初始结构强度，不至于出现温差产生的裂缝。矿渣微粉混凝土中的水泥用量比普通混凝土降低了，因此，混凝土硬化过程的热学性能得到了显著的改善。四、矿渣微粉作用机理浅析矿渣微粉用作水泥的混合材或混凝土的掺合料均能改善或提高混凝土的综合性能，其作用机理在于矿渣微粉在混凝土中具有微集料效应和微晶核效应而且改善了混凝土界面区的结构并减少了水泥初期水化产物的相互搭接。4.1微集料效应混凝土可视为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料的间隙由细集料填充，细集料的间隙由水泥颗粒填充，而水泥颗粒之间的间隙则需要更细的颗粒来填充。矿渣微粉的细度比水泥颗粒细，在混凝土中起到了更细颗粒的作用，因而改善了混凝土的孔结构，降低了孔隙率并减小了最可几孔径的尺寸，使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系。从而有效地改善并提高了混凝土的综合性能，使混凝土不仅具有较好的物理力学性能还提高了耐久性的某些性能。4.2微晶核效应矿渣微粉的胶凝性虽然与硅酸盐水泥相比是较弱的，但它能为水泥水化体系起到微晶核效应的作用，能加速水泥水化反应的进程并为水化产物提供了充裕的空间，改善了水泥水化产物分布的均匀性，使水泥石结构比较致密，从而使混凝土具有较好的力学性能。4.3改善了混凝土中水泥浆体与集料间的界面结构混凝土中水泥浆体与集料问的界面区由于富集了Ca(OH) 晶体而成为混凝土性能的薄弱环节。矿渣微粉掺人混凝土中能吸收部分Ca(OH) 产生二次水化反应，从而改善了界而区Ca(OH)：的取向度，降低了Ca(OH)：的含量，还减小了Ca(0H)：晶体的尺寸。不仅有利于混凝土力学性能的提高，对某些耐久性也能得到改善。4.4减少了水泥初期水化产物的相互搭接H在水泥水化初期，矿渣微粉分布并包裹在水泥颗粒的表面，起到了延缓和减少水泥初期水化产物相互搭接的隔离作用。因此也具有一些减水作用而增大混凝土的坍落度，并且使坍落度经时损失也有所改善。矿渣微粉还具有一定的保水性，能改善混凝土的粘聚性和泌水性。因此，矿渣微粉混凝土具有良好的和易性。五、矿渣微粉应在混凝土制品的生产中得到开发应用水泥工业是消耗能源大而且对环境污染严重的工业。因此如何在混凝土工程和混凝土制品生产中，在保证、改善、提高混凝土的质量和性能的前提下，减少水泥用量是混凝土科技工作者当前的一个重要任务。高炉矿渣是钢铁工业生产中的一项废渣，经过磨细到适当细度作为混凝土的掺合料等量取代水泥能配制出性能良好、质量稳定的混凝土国内已有研究、生产与应用的实践经验，不仅具有良好的技术效果，而且也取得了良好的经济效益。目前市场供应的商品矿渣微粉的价格已大幅度低于水泥的价格。生产矿渣微粉的企业仅上海就有数家，年产矿渣微粉已达数十万吨。近年来，我国一些大城市的建筑工程应用矿渣微粉混凝土已在逐步展开，而且还在不断扩大，发展前景十分良好。但是，在混凝土制品的生产上却还处于待开发的状态。其实，矿渣微粉作为混凝土掺合料在混凝土制品上的应用可能是更为适当的。因为混凝土制品在生产中一般都有蒸汽养护工艺过程。众所周知，在我国生产的水泥品种中都认为矿渣硅酸盐水泥对蒸汽养护有更好的适应性，不仅促进了混凝土的早期强度，还提高了混凝土的后期强度。矿渣微粉掺人混凝土中经过蒸汽养护后的效果应该比矿渣硅酸盐水泥更好。目前所见到的有关矿渣微粉混凝土的技术资料， 因其用途是建筑工程所以都局限在自然养护的条件。希望在蒸汽养护条件下对矿渣微粉混凝土开展系统、全面的试验研究工作，取得在混凝土制品生产应用中所需要的性能资料，使矿渣微粉混凝土能在混凝土制品生产中得到开发应用，从而取得良好的社会、经济、技术效益第四节 矿渣微粉生产过程中的质量控制一、取样1.高炉渣1.1渣船上平均样在高炉渣船上取平均样，每一船取约2kg左右，取回后置于桶内。1.2堆场上平均样在高炉渣堆场上取平均样，每一小时取约2kg左右，取回后置于桶内。1.3在原料皮带上的平均样在运输高炉渣的皮带上，在进磨机之前，去掉表层，每小时取约2kg左右，取回后置于桶内。2、矿渣微粉中间过程2.1在粉磨矿粉的过程中，应每小时取样约1.5kg左右，取回后置于器皿内。3矿渣微粉3.1在矿粉成品的取样点，每次在20个不同点，均匀样，取约20kg左右，取回后置于桶内，并且密封试样。4注意事项4.1在高炉渣船上或高炉渣堆场上取样时，应去调表层，在料堆周围顶、腰、底等部位均匀取样，然后混合成样品。4.2矿粉成品的取样点，应把几个点取回的样品均匀混合，然后置于留样桶内，密封。4.3在皮带运输过程中取样时，一定要将皮带整个横截面上的所有物料取下来，作为样品。4.4遇到大块物料，应用榔头敲开后取样，以保证试样具有代表性。4.5遇到取样器发生故障不能正常取样时，一方面抓紧取瞬时样代替，另一方面应通知有关人员尽快修复，并在记录上注明该样品是瞬时样。4.6取样时若遇到反常情况，应及时通知车间操作人员。4.7如遇雨雪天取样，应及时加盖桶盖，防止试样遇水受潮，影响测定结果。二、矿渣含水率1取样1.1试样倒在硬塑料板上用小铁铲充分混合。1.2四分法缩分，成对角线地废弃、保留、缩分到保留的对角线的两份试样各约重500g以上并分别盛在两个干燥的长方盘内。2：试样称重在电子天平上称含水试样重并记录。3：试样干燥在热风循环式干燥箱内进行干燥。4：清扫场地、整理工具。5：绝干试样称重从烘箱内取出试样冷至室温。称绝干试样重并记录。6：含水率的计算与报告6.1计算：Z=W-Wd/W100%W：干燥前料的质量Wd：干燥以后试料的质量6.2报告，修整到小数点后一位报告。三、比表面积1：勃氏透气仪基本原理：采用一定量的空气，透过具有一定空隙率和一定厚度的压实粉层所受的助力不同而引起流速的变化，来测定矿粉的比表面积，在一定空隙率的料层中，孔隙的大小和数量是颗粒尺寸的函数，同时也决定了通过料层的气流速度。2：勃氏透气仪的操作方法：21漏气检查：将透气圆筒上口用橡皮塞塞紧，连接到压力计上，用抽气装置