钢渣矿渣粉煤灰复掺制备高活性超细矿物掺合料的研究

钢渣矿渣粉煤灰复掺制备高活性超细矿物掺合料的研究

有工业固废资源化利用时低活性废渣难应用这一问题，于是把钢渣、矿渣以及粉煤灰复掺起来进行粉磨，从而制备高活性超细矿物掺合料，还研究了原料的配比、颗粒的细度对超细矿物掺合料性能所产生的影响，运用扫描电镜（SEM）来分析超细矿物掺合料的微观形貌，借助粒度粒形仪分析其粒度粒形，把超细矿物掺合料用来取代水泥，进而研究其流动性和活性。

结果显示，存在这样一种情况。当钢渣、矿渣、粉煤灰的质量比是3比5比2的时候，通过采用球磨这种方式进行粉磨，时长为90分钟，能够制得一种高活性超细矿物掺合料。这种掺合料平均粒径是3.64μm，D0是2.53μm，在28天的时候，其活性指数可以达到104%。超细粉的粒径会随着粉磨时间的增加而降低，当超过90分钟之后，粉磨效率下降，细度趋向于稳定。往浆体中掺入超细粉体后，浆体的流动度会略微有所降低，不过对于浆体硬化之后的结构增强作用是十分明显的。

在我国工业化水平持续提升的进程中，所产生的工业固废体量逐年递增，其种类也日益繁杂，像冶炼金属工业产出的钢渣、锰渣、赤泥、烟道灰、矿渣等便是如此。大量的工业固废大多凭借原始且简单的堆填方式来进行处置，极易对环境造成大面积的污染，还会引发二次污染，无法让工业固废自身所具备的潜在价值得以发挥，这并不契合工业固废资源化发展的时代需求。

这次试验选取了大宗工业固废里的钢渣、矿渣、粉煤灰当作原材料，探究原材料配合比以及细度对工业固废制成高活性超细矿物掺合料所具备性能方面的影响，剖析原料以及超细矿物掺合料的形貌、组成、粒度粒形还有活性指数等情况，并且针对工业固废超细矿物掺合料的制备工艺配方展开优化探索工作，以此为解决大宗工业固废制备艰难、活性较低的问题给予思路以及技术支撑。

1 试验

1.1 原材料

质地坚硬呈块体状且易磨性差的热闷钢渣，如图1(a)所示 ，钢渣如此。由广西区内某钢铁厂水淬工艺处理而产生的矿渣，如图1(b)所示 ，矿渣是块状的玻璃体且表面有尖端边缘带空洞的情况。含有大量微珠的粉煤灰，如图1(c)所示 ，粉煤灰这般。水泥是P.O 42.5普通硅酸盐水泥。水是自来水。运用ZSX ⅡX射线荧光光谱仪即X-ray ，XRF ，所测得的主要原料化学组成在表1呈现。

图1 原料电子显微图像

1.2 粉磨试验方法

把那钢渣、矿渣、粉煤灰采用一元、多元这种方式去配料粉磨，其配料比例被列在表2当中。接着运用试验用的小型球磨机（SM-），把不同配比规格的工业固废予以粉磨，进而制备出超细矿物掺合料。按照钢渣：矿渣：粉煤灰质量比为2：4：4这样的配比，分别粉磨45分钟、60分钟、75分钟、90分钟，依据试验得出的结果去选取最佳粉磨时间，对不同配比的超细粉性能展开研究测试，最终获取最优的钢渣、矿渣以及粉煤灰的质量比。

1.3 性能测试方法

运用场发射扫描电镜之 S - 4800 来测定超细粉微观的形貌结构，借助粒度和粒形分析仪的 4 去剖析超细粉对于粒度粒形的分布情况按照《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》那份如 GB/T 18046 - 2017 的标准去检测超细粉的活性指数以及胶砂流动度呀详细的这些测试流程是这样的呢先依照表 3 所规定的比例用量进而分别制作不同超细粉的水泥胶砂这类试样然后试样要在温度处于(20 士 1)℃湿度为 98%这样的条件之下养护 7d 以及 28d 的龄期以后再去测试抗压强度最后依据式(1)来计算超细粉的活性指数。

2 试验结果与分析

2.1 粒度分布

图2所展示的有关于M7配比的粉磨时间跟颗粒尺寸其间的关系图，粉磨之后的粉体粒度数据呈现于表4里头，从中获得最佳粉磨时间是90min。在前面90min ，颗粒尺寸是一点点变低的，该时段主要就是粗颗粒的破碎细化时期，随着粉磨时间变长开始渐渐抵达球磨机细度极限；到达90min时颗粒尺寸达到最小尺寸D50为29μm ，接着再增加粉磨，对于颗粒尺寸的降低作用不怎么显著，甚至还会有点增大。当粉磨的时间进一步持续增加之际，那些超细的粉体容易产生团聚的现象，没办法仅仅单纯凭借粉磨来持续使粒径降低，球磨的介质在长时间开展工作之后疲劳值会升高，长时间进行粉磨效率会降低。

图3呈现了M7超细矿物掺合料和纯组分样品粒径尺寸的关系，由三元复掺配比粉磨得出的超细粉体，颗粒尺寸比纯钢渣、矿渣更低，超细粉与相同粉磨时间的钢渣颗粒尺寸差距为：D10等于0.46μum、D50等于0.24μm、D90等于0.68μm，超细粉的D10、D50，都比钢渣小。因为三元粉料里的三种材料，它们的易磨型不一样而且质地坚实的钢渣，能起到研磨介质的功效去研磨其他粉料，使得最后超细粉体的小粒径含量比单一组分要好，然而质地坚硬的原料最后的粒径会更大，致使三元超细粉体的D90值比单一组分大。图4是M7配比粉磨得到的超细粉体粒度分布，三元超细矿物掺合料的粒径分布范围小，颗粒粒径集中分布在2至10μm，平均粒径是5.04μm。

2.2 流动度

在所设计的不同配比超细粉体所测试的胶砂浆体流动度方面，情况如下见表5，而图5表现为超细粉体流动度比跟颗粒尺寸的关系图。流动度同粒径的变化之间没存在直接关系，粉煤灰粉磨之后的粒径是最小的。矿渣粉磨之后的流动性呈最优状态，钢渣、矿渣以及粉煤灰三元复掺粉磨的粉体所得到的胶砂浆体流动性相较于空白试样而言有所下降，最大降低幅度是M7配比的7%。其原因在于，超细粉体的颗粒，相较于普通硅酸盐水泥的粒径，是更小的，颗粒尺寸越小的那些颗粒，其有着越大的表面积，如此一来，便会致使用水量出现增加这种情况，进而使得胶砂浆体的流动度有所降低。

2.3 活性指数

经过90分钟粉磨，制得超细矿物掺合料，此掺合料是由不同配比与3种原料纯组分构成的，对养护7d、28d龄期的活性指数进行试验测定，其结果如表6所示。根据图6能够知道，三元复掺配比的超细矿物掺合料活性指数，全都比钢渣、粉煤灰单独的组分要高，随着钢渣掺量的增加，7d活性指数呈现出上升的态势，28d活性指数先是上升，之后缓慢下降，这表明钢渣对早期活性指数的提高有帮助，不过不利于后期的活性指数，矿渣活性高，活性指数随着矿渣掺量的增加而增大，M8配比活性最佳，三元复掺质量比是钢渣：矿渣：粉煤灰=3：5：2，28d活性指数最优达到104%。三元超细矿物掺合料具备高活性，是因发挥原料复合协同效应，矿渣自身有高活性，结合粉煤灰滚珠效应，经粉磨超细活化过程提升钢渣潜在活性，M8粒径分布如图7所示，平均粒径3.64pμm、D50=2.53pμm，颗粒粒径集中于2至10μm区间，致使超细矿物掺合料可填充进孔隙结构，因粒径分布均匀于8μm范围区间，故填充微孔时，不同粒径颗粒能实现紧密堆积。

如图8所示，不同细度的超细矿物掺合料，其对活性指数是有影响的，随着超细粉体粒径变小，7d活性指数的变化并不显著，28d活性指数却呈现出下降的趋势，而在超细粉体平均粒径为3.95μm的时候，活性指数能够达到最大，也就是103%。超细粉体颗粒粒径越小，其具有的比表面积就越大，这能增加水化反应的接触面积，对强度稳定发展以及达到更高的后期强度是有利的。过程里，在工业固废超细化粉磨制备当中，固废颗粒渐渐从粗大不规整形状向细小类球颗粒转变，与此同时，物料有着晶体结构以及表面物理化学性质的改变。粉磨期间，一部分粉磨能量转变成内能和表面能，能够有效提升超细矿物掺合料的活性。

2.4 形貌分析

超细矿物掺合料由工业固废制成，其在形貌以及组成方面和水泥胶凝材料存在类似之处，接着对三元超细矿物掺合料开展扫描电镜微观形貌分析。图9是放大500倍时所观察到的超细矿物掺合料的电子图像，从图9能够看出，粉磨得到的超细粉组分均匀，钢渣、矿渣以及粉煤灰这3种原料充分混合在了一起，从而确保了超细矿物掺合料性质的稳定性。对照图10，经放大3000倍的扫描电镜下超细矿物掺合料微观形貌对比可知，粉煤灰微珠里含有小粒径微珠，小粒径微珠能很好地填充于钢渣以及矿渣微粉之间。图11为此超细矿物掺合料的圆度曲线，圆度0.97的颗粒数量最多，所有颗粒的平均圆度可达到0.85。因粉磨后的超细粉平均粒径约为5μm，粉磨时大于10μm的粉煤灰微珠遭破坏，小粒径微珠依旧维持完整的球体结构，且均匀地散布在超细粉体里。粒径越小的颗粒之中，会致使超细粉体出现吸附团聚的状况，小于10μm的粉煤灰微珠，能够发挥粉煤灰微珠的滚珠效应，以此缓解超细粉体的团聚现象，与此同时还能改善浆体的流动性。

凭借扫描电镜观察胶凝试块微观形貌，从图 12(a)能知道，普通水泥胶砂试块有大量针棒状钙矾石晶体，分布在砂与浆体的界面过渡区位置，致使过渡区黏结薄弱，会破坏水泥石紧密结构，对力学强度产生负面作用；图 12(b)里头，掺入矿粉试件的水化产物比空白组更丰富，能看到浆体中有微裂纹与孔隙，针棒状钙矾石分布于孔隙间，随水化推进，针棒状钙矾石进一步发育产生体积膨胀，会进一步填充结构中的孔隙与微裂纹，不过钙矾石地形成会降低试件耐久性；按照图 12(c)可知，掺入超细矿物掺合料的试件结构紧密，小颗粒发生水化并填充在试件的孔洞中。展现出超细粉掺和进去能够起到物理填充以及火山灰方面的作用，推动水化进程的进展，致使水化产物相互之间、水化产物与物料相互之间均匀且紧密地交织融合在了一起，有益于增添试件的强度。而且超细粉所具备的超细特性，能够极为出色地填充细小的孔隙，让内部结构更趋密实。

3 结语

(1) 钢渣、矿渣、粉煤灰这三种固废采用三元复掺，之后经过了超细粉磨处理，而这样做能够制得一种超细高活性矿物掺合料，这种掺合料平均粒径是3.64μm，D50为2.53μm，其28d活性指数能达到104%，并且，最优的三元复掺质量比是钢渣：矿渣：粉煤灰 = 3：5：2。

(2) 随着粉磨细度不断增加，三元超细掺合料的活性呈现出上升的趋势，运用球磨机进行粉磨时，前90min的粒径是会逐渐下降的，在90min这个时间点会达到最小的粒径，所得到的超细粉体粒径主要是分布在2至10μm的这个区间范围之内。

钢渣 - 矿渣 - 粉煤灰三元固废超细矿物掺合，具有处于小尺寸状态的超细粉所呈现的优势协同效应，借助超细活化这种方式，能够让钢渣潜在活性得以提高，并且超细粉的粒径要比水泥更小一级，它可以紧密地对试件内部微小孔洞予以填充，进而收获到具备更高活性状态的这种超细矿物掺合料。

制备高强度水泥或混凝土制品时，高活性超细矿物掺合料能够替代水泥等胶凝材料，它可以有效解决钢渣活性低、难应用这一问题，并且借助多元固废协同处置理念，能够有效提高低活性工业固废的附加值，从而为推动我国固废资源化进程提供参考。