王長龍, 李鑫, 陳敬亮, 張岳文*, 張?zhí)K花,, 荊牮霖,馬錦濤, 平浩巖, 齊洋, 鄭永超, 翟玉新, 劉楓

(1. 河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院, 邯鄲 056038; 2. 邯鄲市建業(yè)建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司, 邯鄲 056000; 3. 北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司/固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室, 北京 100041; 4. 中鐵建設(shè)集團有限公司, 北京 100040; 5. 中鐵建設(shè)集團建筑發(fā)展有限公司, 保定 074207)

“碳達(dá)峰”與“碳中和”是世界各國發(fā)展的主要目標(biāo)[1-2],而水泥和混凝土行業(yè)所排放CO2量占全球的7%,如何實現(xiàn)其綠色轉(zhuǎn)型是當(dāng)今建筑工業(yè)發(fā)展面臨的主要問題[3]。同時,鋼渣、煤氣化殘渣、硅鈣渣、煤田區(qū)域水庫底泥等工業(yè)固體廢棄物,也亟需得到有效資源化、減量化和無害化利用[4]。大量研究發(fā)現(xiàn),使用工業(yè)固體廢棄物作為礦物摻合料不僅能減少水泥的用量,減輕水泥混凝土的應(yīng)用對環(huán)境造成的碳負(fù)荷影響,還能改善混凝土的綜合性能和微觀微結(jié)構(gòu)[5]。

鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣,其排放量約為粗鋼產(chǎn)量的12%～20%[6-7]。中國鋼渣年產(chǎn)生量約0.8億t,累積堆存約5億t,綜合利用率不足30%[8-9]。通常鋼渣的化學(xué)成分中含CaO(45%～60%)、SiO2(10%～15%)、Al2O3(1%～5%)、Fe2O3(3%～9%)、FeO(7%～20%)、MgO(7%～20%)及少量的P2O5、MnO等[10-11]。鋼渣中C3S(3CaO·SiO2)、C2S(2CaO·SiO2)、C4AF(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和C2F(2CaO·Fe2O3)礦物的存在[12-14],使鋼渣成為具有潛在活性的膠凝材料。鋼渣與水反應(yīng),生成C-S-H凝膠(3CaO·2SiO2·3H2O)、C-A-H晶體(CaO·Al2O3·10H2O)、Ca(OH)2、C-S-A-H(CaO·Al2O3·4SiO2·5H2O)凝膠等水化產(chǎn)物[15-16]。鋼渣主要應(yīng)用于瀝青混凝土集料、工程回填料和路基工程等[17-19]。由于鋼渣中C3S和C2S含量僅為水泥熟料中的兩種礦物含量的50%～70%,摻入鋼渣的水泥通常具有凝結(jié)時間長和早期強度低的特性,并且鋼渣中游離氧化鈣(f-CaO)的含量較高,有時會表現(xiàn)出較大的體積膨脹[20-22]。為了促進鋼渣在水泥和混凝土中的廣泛應(yīng)用,研究者們采用“后端改性技術(shù)”[23],如機械力活化[24-26]、熱活化[23,27-28]或化學(xué)活化[29-31],改善鋼渣的膠凝性能并緩解安定性問題。但這些技術(shù)通常需要額外的能量和化學(xué)活化劑,且改性效果因鋼渣的化學(xué)組分和礦物成分而異。煉鋼終期排放的熔渣含熱量大且流動性好,1 600 ℃的1 kg熔渣的熱量達(dá)2 000 kJ[32],通過向熔渣中添加一些礦物外加劑,通過向熔渣中添加一些礦物外加劑,可以增加熔渣中的水泥礦物含量,從而改善冷卻后產(chǎn)品鋼渣的膠凝活性和體積穩(wěn)定性。在實驗室模擬這一過程,基于以廢治廢的思路,在熔渣排放過程中,添加煤基固廢(煤氣化殘渣-硅鈣渣-煤礦區(qū)域水庫底泥)作為復(fù)合改性劑(CMCSR),通過多組分原料改善鋼渣的化學(xué)組成和礦物組成,提升鋼渣中膠凝物相C3S、C2S、C3A(3CaO·Al2O3)和玻璃相含量,以揭示高溫重構(gòu)鋼渣(SHTM)的機理,實現(xiàn)鋼渣中不安定組分穩(wěn)質(zhì)化、膠凝性能增強、有價組分再利用,為鋼渣和煤基固廢在水泥混凝土中大量無害化應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

試驗用原料有鋼渣、煤氣化殘渣、硅鈣渣、水庫底泥,其化學(xué)成分及礦物組成分別如表1和圖1所示。

θ為衍射角;Quartz為石英;Calcite為方解石;Magnesian Calcite為鎂方解石;Biotite為黑云母;Berlinite為柏林石;CPS為相對強度圖1 原料的XRD圖譜 Fig.1 XRD patterns of raw materials

表1 原材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of raw materials

采用的鋼渣堿度值為2.20[33],鋼渣中f-CaO含量4.98%,其主要礦物組成為C3S、C2S、RO相(FeO-MgO-MnO固熔體)。試驗選用的磨細(xì)加工后鋼渣粉的比表面積為420 m2/kg,其7、28 d活性指數(shù)分別達(dá)到67.3%、69.6%。試驗用煤氣化殘渣的密度為2.75 g/cm3,比表面積為325 m2/kg,屬于低碳?xì)堅黐34]。硅鈣渣為粉煤灰采用石灰石燒結(jié)工藝提鋁后產(chǎn)生的廢棄物。原狀硅鈣渣含水率高達(dá)34.6%,烘干后的硅鈣渣的化學(xué)成分如表1所示,其堿含量(Na2O+0.658K2O)達(dá)4.08%,其主要礦物組成為石英、方解石、莫來石和C2S。水庫底泥取自煤礦區(qū)的水庫,原狀物為灰色,含水量約為70%。將沉淀脫水后的水庫底泥風(fēng)干,再干燥,而后輥壓碾碎至2 mm以下。將混勻樣品烘干24 h,再研磨至0.074 mm備用。水庫底泥有機質(zhì)含量約為14.43%,表明熱解的水庫底泥具有良好的產(chǎn)氣性能。水庫底泥主要由塊鋁磷石、石英、方解石、鎂方解石和黑云母等礦物組成。所用水泥是為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗方法

1.2.1 鋼渣高溫重構(gòu)試樣的制備

鋼渣經(jīng)預(yù)處理后得到鋼渣粉,其比表面積約420 m2/kg。根據(jù)原料(煤氣化殘渣、硅鈣渣和水庫底泥)中Ca、Si、Al化學(xué)成分的比例,將烘干至恒重的原料按比例(9∶7∶4)混合均勻,球磨后得到粉狀CMCSR,復(fù)合改性劑比表面積約440 m2/kg。將鋼渣粉和復(fù)合粉狀改性劑,按表2比例混合,加適量水性結(jié)合劑,放于模具內(nèi),在≤30 MPa壓力下壓制成Φ5 cm×3 cm料餅。將料餅裝入剛玉坩堝內(nèi),置于CD-1700X型馬弗爐內(nèi)進行鋼渣高溫重構(gòu)試驗。設(shè)定處理溫度為1 150、1 250、1 350 ℃,升溫速率為10 ℃/min,達(dá)設(shè)定溫度后保溫25 min后取出,利用鼓風(fēng)機進行風(fēng)急冷。實驗室鋼渣高溫重構(gòu)工藝流程如圖2所示。

圖2 高溫重構(gòu)鋼渣工藝流程Fig.2 Process of SHTM

表2 高溫重構(gòu)鋼渣配合比設(shè)計Table 2 Mix proportion design of SHTM

1.2.2 鋼渣活性試樣的制備級檢測

將重構(gòu)鋼渣破碎后,球磨至比表面積約420 m2/kg,得到重構(gòu)鋼渣粉,依據(jù)《用于水泥和混凝土的鋼渣粉》(GB/T 20491—2006)來測定重構(gòu)鋼渣的活性指數(shù)。計算公式為

(1)

式(1)中:A為鋼渣粉的活性指數(shù),%;Rt為鋼渣試樣膠砂相應(yīng)齡期的強度,MPa;R0為對比純水泥試樣膠砂相應(yīng)齡期的強度,MPa。

根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)測試鋼渣的膠凝活性。將水泥和鋼渣粉(420 m2/kg)按照質(zhì)量比為7∶3(總質(zhì)量450 g)混勻后置于攪拌鍋中,按水灰比(W/C)0.5加入225 g水,采用水泥攪拌機攪拌。將攪拌后的砂漿澆注到40 mm(長)×40 mm(寬)×160 mm(高)標(biāo)準(zhǔn)試模中,振動臺成型后,24 h后拆模,拆模后的試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護,直到所需齡期,進行膠砂強度等測試。

1.3 分析方法

粒度分析采用馬爾文2000激光粒度分析儀(測試范圍為0.02～2 000.00 μm),乙醇做分散劑,參照《粒度分析-激光衍射法》(GB/T 19077.1—2008)對粉料的粒度分布進行測試;比表面積測定采用SSA-3200型動態(tài)法比表面積分析儀;不同齡期試樣的抗壓強度測試參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)法》(GB/T 17671—1999);試樣的力學(xué)性能測試用YES-300型數(shù)顯液壓壓力試驗機,試驗機的加荷速率為(2.0±0.5) kN/s,最大負(fù)荷為300 kN。X射線衍射分析采用日本理學(xué)Rigaku D/MAX-RC 12 kW旋轉(zhuǎn)陽極衍射儀,Cu靶,工作電流150 mA,工作電壓40 kV,波長1.541 4 nm。掃描電鏡分析采用美國AMRAY1820 型電子顯微鏡,分辨率6 nm,最大放大倍數(shù)為300 000倍,最大加速電壓為30 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 重構(gòu)鋼渣的膠凝性能

2.1.1 重構(gòu)鋼渣的活性分析

為了研究重構(gòu)鋼渣的膠凝性能,將粉磨后高溫重構(gòu)鋼渣SHTM1～SHTM9、原始鋼渣M0與P·O 42.5水泥進行膠砂強度試驗,分析鋼渣的活性指數(shù)。由圖3可知,水泥中0.1～15 μm顆粒含量略低于鋼渣粉,在粒徑大于15 μm范圍內(nèi),但總體相差不大,鋼渣粉的比表面積為420 m2/kg。將原始鋼渣粉和重構(gòu)鋼渣粉為分別替代P·O 42.5水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%,進行水泥膠砂強度試驗,測試膠砂塊7、28 d強度,并與純水泥樣品C0抗壓強度對比,測試結(jié)果如表3所示。

圖3 重構(gòu)鋼渣粉和水泥的粒度分布Fig.3 Particle distribution of reconstituted SHTM powder and cement

表3 重構(gòu)鋼渣膠砂試樣力學(xué)性能和活性指數(shù)Table 3 Mechanical properties and activity index of mortar blacks with SHTM

從表3可以看出, M0膠砂試樣的流動度較小,說明M0與實驗用的水泥的是適應(yīng)性較差;SHTM1～SHTM9試樣的膠砂流動度較大,說明重構(gòu)后鋼渣與水泥的適應(yīng)性較好。與純水泥相比,摻入原始鋼渣粉的膠砂試樣7 d抗折強度低33.8%,抗壓強度低32.7%。摻入SHTM的膠砂試件與摻入M0試件相比,抗壓和抗折強度均有所提高。摻入高溫重構(gòu)鋼渣粉膠砂試件SHTM1～SHTM9的7 d和28 d抗壓強度較摻入M0的試件增長幅度在3.5%～17.8%和3.9%～25.3%。在CMCSR摻入量為15%～35%的條件下,隨著重構(gòu)溫度的升高,SHTM的活性指數(shù)也相應(yīng)提高。當(dāng)重構(gòu)溫度為1 150 ℃,CMCSR摻入量為15%～35%時,SHTM的28 d的活性指數(shù)較M0的活性指數(shù)提高了2.7%～9.5%。當(dāng)CMCSR摻入量為25%時,SHTM的28 d活性指數(shù)達(dá)到85.7%。當(dāng)重構(gòu)溫度為1 250 ℃,CMCSR摻入量為15%和25%時,SHTM的活性指數(shù)較原始鋼渣提高了13.6%和16.1%,達(dá)到《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》(GB/T 20491—2017)中的技術(shù)要求。當(dāng)重構(gòu)溫度提高到1 350 ℃,CMCSR摻入量為15%和25%時,SHTM的活性指數(shù)分別為84.5%和87.2%。但是當(dāng)CMCSR提高到35%時,經(jīng)1 250 ℃和1 350 ℃重構(gòu)后的鋼渣,其膠凝活性與摻入25%CMCSR重構(gòu)鋼渣相比有所下降。與P·O 42.5水泥相比,重構(gòu)鋼渣中的膠凝物相C3S、C2S、C3A的含量還是較低,因此重構(gòu)鋼渣的試件的抗折強度和抗壓強度測試值相比純水泥的測試值要低。本研究采用復(fù)合改性劑的方法為增強鋼渣的膠凝活性提供了基本設(shè)計思路,通過選擇廉價的煤基固廢制備復(fù)合改性劑,提高體系的Ca/Si比,可使體系的膠凝性能得到有效的提升。

2.1.2 重構(gòu)鋼渣水化產(chǎn)物的組成及結(jié)構(gòu)

圖4為CMCSR摻量為25%,重構(gòu)溫度為1 250 ℃條件下制備的SHTM5凈漿試樣不同齡期時的X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)圖譜。養(yǎng)護3、7、28 d 的SHTM5試樣中主要產(chǎn)物產(chǎn)物為Ca(OH)2,C-S-H 凝膠,C-A-S-H 凝膠。此外,還生成了礦物包括透輝石(CaO·MgO·2SiO2,CMS2)、鎂鐵尖晶石(MgO·Fe2O3,MgFe2O4)、鈣鋁黃長石(2CaO·Al2O3·SiO2,C2AS)、石英,C6AF2(6CaO·Al2O3·2Fe2O3)和Fe3O4。C2S和C3S的存在說明SHTM5凈漿體系未完全水化[35]。SHTM類似于水泥熟料,其中的活性礦物C3S、C2S發(fā)生水化反應(yīng)生成Ca(OH)2和C-S-H凝膠[式(2)]。

a為C2S;b為C3S;c為C-S-H;d為MgFe2O4;e為Fe3O4;f為C-A-S-H;g為C2AS;h為Ca(OH)2;m為CMS2;q為Quartz;n為C3A;p為C6AF2圖4 不同齡期SHTM5凈漿水化產(chǎn)物XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of hydration products of SHTM5 paste at different ages

(2)

(CaO)m(SiO2)n(Al2O3)k+Ca(OH)2+

(3)

SHTM5中還存在無定型玻璃體[(CaO)m(SiO2)n(Al2O3)k],圖4中25o～40o區(qū)間的饅頭峰能說明這一點,玻璃體具有火山灰活性[36-37][式(3)]。SHTM中C2S、C3S水化生成的Ca(OH)2會被玻璃相消耗, C3S、C2S礦物含量會影響水化速度,進而影響SHTM的活性指數(shù)。C2AS多以玻璃體存在,它可以在堿性環(huán)境下參與式(3)反應(yīng),這說明水化產(chǎn)物中出現(xiàn)C-A-S-H晶體的原因。隨著養(yǎng)護齡期的延長,C2S、C3S水化生成的Ca(OH)2和無定型玻璃體持續(xù)反應(yīng),因此圖4中Ca(OH)2衍射峰的強度減弱。

養(yǎng)護3、7、28 d的SHTM5凈漿試樣SEM圖如圖5所示。可以看出,3 d齡期的SHTM5試樣中出現(xiàn)大塊板片狀的水化產(chǎn)物Ca(OH)2,以及松散蜂窩狀的C-S-H凝膠,部分Ca(OH)2晶體嵌布在C-S-H凝膠中,此時的結(jié)構(gòu)之間的密實度較低,圖5中的右上部視域內(nèi)還可見板片狀Ca(OH)2晶體。由圖5(b)可知,養(yǎng)護7 d出現(xiàn)量兩端較細(xì)中間較粗狀的C-S-H凝膠,呈發(fā)射狀分布,同時視域中有5～15 μm的孔洞存在。28 d齡期的圖中C-S-H凝膠的整體結(jié)構(gòu)密實,孔洞數(shù)量呈零星分布,中心區(qū)域有5～10 μm板片狀的Ca(OH)2晶體,其尺寸明顯小于養(yǎng)護3 d圖中的Ca(OH)2晶體。圖5的水化產(chǎn)物發(fā)展規(guī)律和圖4XRD的規(guī)律基本一致。

圖5 SHTM5凈漿水化產(chǎn)物的SEM圖Fig.5 SEM images of hydration products of SHTM5 paste at different ages

2.2 重構(gòu)鋼渣的體積穩(wěn)定性

高溫重構(gòu)可以促進f-CaO與礦物外加劑中SiO2、Al2O3等成分發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng),從而降低鋼渣中f-CaO含量,增加熔渣中的水泥礦物含量,從而改善冷卻后產(chǎn)品鋼渣的膠凝活性和體積穩(wěn)定性。利用多組分煤基固廢制備富含硅鋁礦物的特性,在高溫條件下通過式(4)～式(8)的化學(xué)反應(yīng),降低鋼渣中f-CaO的含量[32]。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

圖6為原始鋼渣粉分別與15%～35%的CMCSR混合粉末作為對比樣?？梢钥闯? CMCSR作為復(fù)合改性劑高溫下能將鋼渣中的f-CaO含量降低,且f-CaO含量受重構(gòu)溫度和CMCSR的摻加量影響較大。當(dāng)CSCSR的摻量越大,重構(gòu)溫度越高,重構(gòu)鋼渣中f-CaO含量越低。當(dāng)CMCSR摻量為25%時,f-CaO的含量分別降低至3.47%、2.56%和1.90%,降幅分別達(dá)到14.11%、36.63%和52.97%。當(dāng)重構(gòu)溫度高于1 250 ℃,CMCSR摻量為15%～35%時,重構(gòu)鋼渣中f-CaO含量均小于3%,達(dá)到《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》(GB/T 20491—2017)中f-CaO含量規(guī)定要求。

圖6 重構(gòu)鋼渣中f-CaO含量變化規(guī)律Fig.6 Variation law of f-CaO content in SHTM

利用CMCSR對鋼渣進行高溫重構(gòu),得到的重構(gòu)鋼渣可較好的消除f-CaO導(dǎo)致的體積不穩(wěn)定。同時重構(gòu)鋼渣不需要再進行陳化,可以在水泥混凝土中直接應(yīng)用。但是,經(jīng)過高溫重構(gòu)的鋼渣,其結(jié)構(gòu)致密,晶粒粗大,并有固熔體RO相的存在,因此在鋼渣的高溫重構(gòu)中f-CaO與CMCSR中化學(xué)成分未能完全反應(yīng),故f-CaO去除不徹底。

2.3 重構(gòu)鋼渣的礦物組成及結(jié)構(gòu)

2.3.1 重構(gòu)鋼渣的物相組成

圖7對比了CMCSR摻量為15%時不同溫度下重構(gòu)鋼渣試樣的XRD圖譜。高溫重構(gòu)后鋼渣所含礦物相為C3S、C2S、CMS2、MgFe2O4、C2AS、C3A、石英、Fe3O4和C6AF2,Fe3O4和MgFe2O4所對應(yīng)衍射峰的衍射角度非常接近,在XRD圖譜中很難將二者進行區(qū)分,且Fe3O4和MgFe2O4衍射峰強度隨著重構(gòu)溫度上升明顯增強。圖7未觀察到f-CaO的衍射峰。通過對C2S和C3S礦物相進行對比發(fā)現(xiàn),重構(gòu)溫度對于最終所形成C2S和C3S礦物相影響較大。隨著重構(gòu)溫度從1 150 ℃上升至1 250 ℃,C2S和C3S衍射峰強度顯著增強,并變得尖銳化,而當(dāng)重構(gòu)溫度上升至1 250 ℃,C2S和C3S衍射峰呈減弱趨勢[圖7(b)],且變得寬化。經(jīng)高溫重構(gòu)鋼渣中RO相衍射峰消失。高溫條件下,RO相的固熔體分離,與CMCSR中的礦物發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng),RO相中的FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镸gFe2O4和Fe3O4,部分RO相分解產(chǎn)生f-MgO,但由于含量較少,故圖7中f-MgO的衍射峰不明顯。鋼渣在高溫重構(gòu)過程中,CMCSR以及鋼渣中含鋁組分[C12A7(12CaO·7Al2O3)、Ca2Al2Si3O12]的鋁相和鐵相的固溶,析出C6AF2,當(dāng)鋁相有剩余時,析出了C3A。石英為CMCSR原料中SiO2參與體系反應(yīng)后的殘余顆粒。CMCSR組成原料中方解石(CaCO3),鎂方解石(CaMg(CO3)2),黑云母[K(Mg,Fe)3AlSi3O(F,OH)],塊鋁磷石(AlPO4)等參與了高溫條件下的重構(gòu)反應(yīng),因此在XRD圖中未見衍射峰的存在。圖7中生成硅鋁基礦物C3S,C2S,CMS2,C2AS,C3A,其中C3S、C2S、C3A和C2AS為膠凝物相。重構(gòu)鋼渣中的礦物組成中的膠凝物相較原始鋼渣中膠凝物相顯著增多。生成的CMS2、C2AS礦物相,增加了高溫重構(gòu)鋼渣中的玻璃體含量。結(jié)合重構(gòu)鋼渣礦物組成的XRD分析結(jié)果,重構(gòu)鋼渣MS在析晶過程中可能發(fā)生式(4)～式(9)所示的反應(yīng)。

(1)為SHTM1;(2)為 SHTM4;(3)為SHTM7;a為C2S;b為C3S;c為C3A;d為MgFe2O4;e為Fe3O4;f為C2AS;q為Quartz;h為CMS2;n為C6AF2圖7 不同溫度下重構(gòu)鋼渣的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of SHTM at various temperatures

(9)

2.3.2 重構(gòu)鋼渣的微觀結(jié)構(gòu)

為進一步說明CMCSR作為改性劑的作用,選擇重構(gòu)溫度為1 150～1 300℃條件下、CMCSR摻入量為15%～35%的重構(gòu)鋼渣樣品即SHTM1、SHTM5、SHTM9進行微觀結(jié)構(gòu)分析,并結(jié)合能譜分析對重構(gòu)鋼渣礦物進行分析。如圖8(a)所示,重構(gòu)鋼渣樣品SHTM1中主要以C2AS為基體(點1所示)。生成的礦物表面光滑,較多礦物呈現(xiàn)正三角形、六邊形及少量的棱柱體礦物,其分布無明顯規(guī)律,數(shù)量較多。如圖8(b)所示,SHTM5圖中結(jié)晶較好的C2S集中生長(點2所示)。橢圓形的C2S顆粒粒徑可達(dá)10 μm以上,顆粒結(jié)合更為緊密,礦物顆粒表面光滑、邊界清晰,便于解離,其比表面積相對較大,膠凝活性優(yōu)良。如圖8(c)所示,主要以MgFe2O4為基體(點3所示)?？梢钥闯?此時的晶體結(jié)構(gòu)更為規(guī)則化,晶體結(jié)構(gòu)較為完整,晶粒較大,多為正四面體的堆砌結(jié)構(gòu),晶體之間的界限較為明顯。

圖8 重構(gòu)鋼渣的SEM圖Fig.8 SEM images of SHTM

圖9為重構(gòu)鋼渣的能譜儀(energy dispersive spectrometer, EDS)圖。重構(gòu)鋼渣點1的礦物表面光滑,無明顯的界限,所示顆粒的Ca、Si、Al的比例接近于C2AS。點2的礦物晶形發(fā)育良好,呈橢圓顆粒分布,其Ca/Si比例圖C2S相近。點3的礦物比例接近于MgFe2O4。摻加了CMCSR的鋼渣在1 350 ℃時RO相分解出的MgO逐漸轉(zhuǎn)化為MgFe2O4。由于CMCSR的摻入,改善了體系中Ca/Si,在高溫的作用下液相量增多,利于擴散和晶體生產(chǎn),為MgO與鐵氧化物的反應(yīng)生成MgFe2O4提供了反應(yīng)條件,但MgFe2O4在重構(gòu)鋼渣中以惰性礦物存在,不發(fā)生水化反應(yīng),其水化速度與硅酸鹽水泥相比仍有一定差距,進而SHTM9試樣的膠凝活性和活性指數(shù)低于水泥。

圖9 重構(gòu)鋼渣EDS圖Fig.9 EDS images of SHTM

3 結(jié)論

(1)煤基固廢煤氣化殘渣、硅鈣渣和煤田區(qū)域水庫底泥可作為廉價的重構(gòu)鋼渣材料。當(dāng)CMCSR摻量為15%～25%時,原鋼渣28 d活性指數(shù)提高16.1%,重構(gòu)鋼渣中f-CaO的含量最低至1.90%,滿足《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》(GB/T 20491—2017)中f-CaO含量≤3%的要求。

(2)經(jīng)過高溫重構(gòu)處理的鋼渣其礦物組成被改變,新生成了膠凝物相C3A、C2AS,以及CMS2、MgFe2O4、Fe3O4物相; 重構(gòu)后鋼渣中C3S、C2S含量增多,原鋼渣中C12A7、Ca2Al2Si3O12的分解促進了C3A的生成,RO轉(zhuǎn)化為MgFe2O4和Fe3O4。

(3)重構(gòu)溫度1 150 ℃,摻15%CMCSR的重構(gòu)鋼渣,形成以正三角形、六邊形及少量的棱柱體為基體的C2AS礦物。重構(gòu)溫度為1 250 ℃,摻25%CMCSR的重構(gòu)鋼渣形成結(jié)晶良好、粒徑可達(dá)10 μm以上橢圓形的C2S顆粒。重構(gòu)溫度1 350 ℃、CMCSR摻量35%時重構(gòu)鋼渣形成以正四面體、堆砌結(jié)構(gòu)為基的MgFe2O4礦物。