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温度和碳化养护对钢渣水泥结合材料机械性能的影响
摘要：在本研究中，30％的水泥被钢渣替代以制备水泥基材料，另外，研究了高温和碳化养护及其条件对钢渣水泥粘结材料力学性能的影响。通过XRD和TG-DTG分析钢渣胶凝材料的水化程度，使用SEM和EDS研究水化产物的表征和胶凝材料形态的变化。结果表明，最佳固化条件为60℃，碳化7h。与标准固化相比，3 d，7 d，28 d弯曲抗压强度更大。抗压强度在第3天增63.94％，在第7天增加25.55％，在第28天增加11.79％。水泥质材料表面在碳化养护后产生致密的CaCO3壳层，并且CaCO3的粒度为1-8lm。致密壳可有效防止水泥基材料溶蚀侵蚀的发生，生成的CaCO3壳可提高水泥基材料的耐久性。细小的CaCO3颗粒为C3S的水化提供成核点，加速C3S的水化，并产生微团聚效应，这增强了胶凝材料的致密性。
- 背景
碱性氧气炉钢渣(SS)是钢铁生产的副产品，占钢产量的15-20％[1,2]。2013年，中国粗钢产量达到7.82亿吨，占世界钢铁产量的50.84％，同时中国钢铁产量首次占世界钢铁产量的绝大部分。作为副产品的钢渣产量已超过1亿吨[1,2]。大量的钢渣存储不仅占用了土地资源，而且污染了环境。因此，必须找到有效的方法来利用钢渣。研究表明，SS和波特兰水泥熟料具有相似的化学和矿物组成，可用作水泥掺合料。但是，如果钢渣添加量达到30％，混凝土的早期强度会急剧下降[3-5]，并且还会出现其他问题，例如稳定性差[6-8]。因此，SS的添加量最好小于30％。到目前为止，用于提高钢渣水泥胶凝材料早期强度的激发模式可分为三类：1.物理激发，即利用物理方法改善钢渣的细度[9,10] 2.化学激发，即添加一些化学激发成分以提高早期强度[11-14] 3.热力学激发，提高钢渣水化温度，提高水泥性能。
2013年全球化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量增加至360亿吨[15]，二氧化碳减排已成为一个热门话题。在本文中，通过高温碳化固化，CO2可以快速固化并永久储存在SS中，同时二氧化碳也可以刺激SS的活动。通过CO2固化，大量SS的胶凝材料的早期和晚期强度显着增加，达到PO42.5水泥强度水平。该策略不仅解决了大量SS的胶结材料早期强度低的问题，而且还储存了气态CO2，有助于缓解温室效应。该研究方面很少报道。本课题研究了高温碳化固化后SS胶凝材料的组成和微观结构变化。揭示了高温碳化固化后SS胶凝材料的水化过程。
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实验
- 原材料
水泥：使用强度等级为PI42.5的波特兰水泥，符合中国国家标准GB175-2007，28d的弯曲和压缩强度分别为9.1MPa和51MPa。
钢渣：BOF钢是从中国新宇钢铁公司获得的，是经过热处理的钢渣。水泥和钢渣的化学成分列于表1。
二氧化碳：来自中国河北省香河瑞龙天然气厂的天然气，纯度为99.9％。
2.2实验方法
2.2.1制备钢渣粉
用颚式破碎机将SS压碎至粒径小于5mm。在除铁后，用球磨机进行研磨至比表面积为450-500m2/kg。
2.2.2制备砂浆
为了制备水泥质材料，30％的水泥用SS代替。水胶比为0.5(质量比)，砂率为3.0。磨具尺寸为40毫米times;40毫米times;160毫米。将成型砂浆在(20plusmn;1)℃的恒湿室中固化，相对湿度大于95％。在用于砂浆样品的固化后24小时将模具拆除。
2.2.3对砂浆制品进行更高的温度和碳化养护
对砂浆制品施加以不同的养护条件。砂浆试样在标准水泥水保存罐中固化。样品养护条件列于表2中。标准水保存罐的编号为S0。仅在较高温度下固化的样品编号为H1-H6。在不同温度下固化的样品与碳化养护一起编号为C1-C16。 在第3,7和28天，根据中国国家标准GB/T17671-1999测定样品的抗弯强度和抗压强度。
表1原材料化学成分含量
表2砂浆养护条件
- 结果与讨论
3.1新宇钢渣的矿物成分
如图1所示，新宇SS的活性矿物组成如下：C3S，C2S，C3A，C4AF等。这个结果是SS具有水泥基性质的主要原因。另外，SS含有更大的RO相(CaO-MgO-FeO-MnO固溶体)。这是SS稳定性差的原因之一。在实验中，胶凝材料的抗弯强度和抗压强度具有相同的变化趋势。因此，此课题仅详细描述抗压强度的变化。
图1 新宇热处理炉渣XRD图
3.2养护条件对钢渣水泥基材料强度的影响
在实验中，胶凝材料的抗弯强度和抗压强度具有相同的变化趋势。因此，此课题仅详细描述抗压强度的变化。
图2(a)-(d)显示了在不同时间在20-80℃下碳化养护的抗压强度变化。如图2所示，与标准养护相比，不同温度下的碳化养护可以提高不同试验时的抗压强度。但是，较高温度的养护化、只能提高早期强度，28 d强度下降。并且当养护温度相同时，与仅在较高温度下养护相比，碳化养护时的抗压强度更大。
通过分析在各种温度下的碳化结果，确定碳化养护7小时可以最多地增加抗压强度。图2(e)显示了当碳化养护时间为7小时时在不同养护温度和不同时间的强度。如图2(e)所示，碳化养护可以在20℃下提高试样的强度。然而，与在较高温度下的增加相比，增加较少。当温度过高时，CO2在水中的溶解度会降低，这会削弱碳化。在所有碳化养护条件中，C10碳化样品在所有固化时间内具有最高强度。与标准硫化(S0)相比，当固化时间为3天，7天，28天时，抗压强度分别增加了63.94％，25.55％和11.79％。在60℃下碳化7小时是最佳的固化条件。
图2 养护条件与钢渣水泥基材料抗压强度的关系
3.3 钢渣胶凝材料不同养护条件的水化机理
图3是经受不同养护条件的3d砂浆样品表面的XRD图。
在图3中，C-7h是在60℃下碳化养护7小时的样品.H-7h是在60℃下养护7小时而没有碳化的样品。S是符合标准养护条件的样品。
如图3所示，标准固化试样中C3S和C2S的XRD特征峰显著大于碳化固化和高温固化试样中的XRD特征峰。该图表明在养护3天后存在大量的C3S和C2S，这表明SS水泥中几乎没有发生水化，这是SS水泥早期强度低的主要原因。另外，在相同温度下，碳化养护的效果更好。该结果反映在碳化养护样品中C3S和C2S的XRD特征峰中，其小于未经碳化养护的高温固化样品中的峰。在碳化养护试样中，单硫型水合硫铝酸盐(AFm，即水泥基材料早期水化的主要水化产物)的XRD特征峰是明显的。这些结果一起表明，碳化养护可以加速SS胶凝材料的水化速率。
图3 不同养护条件下3d砂浆试样表面的XRD图
热重分析是进行水泥水化机理分析的常用方法之一。该方法不仅提供了水泥水化产物的定性分析，还可以提供特定水合产物的定量分析。一般来说，水泥粘合剂的水化产物在1000℃以下有三个主要的吸热峰：CSH凝胶和AFt晶体的早期脱水(50-200℃)，Ca(OH)2脱水(450-550℃)，后来脱水CSH凝胶和AFt晶体(550-750℃)。
根据TG曲线，可以计算出以下结果：在养护后3天，一般化学结合水在碳化养护试样中为13.99％，在高温养护试样中为12.99％，在标准养护试样中为12.48％。该结果表明碳化养护试样的水合度大于高温养护和标准养护试样。另外，如图4所示，碳化养护样品中各种类型的水合产物的量大于高温养护和标准养护样品中的水合产物的量。因此，碳化养护可以提高SS胶凝材料的水化速率。
图4 不同养护条件下3d砂浆试样表面TG-DTG图
如图5所示，28d试样的结果与3d试样相似，标准养护试样中C3S和C2S的XRD特征峰显着大于碳化养护和高温养护中的峰。这表明在28天，碳酸化固化样品的水合度大于高温养护和标准养护样品。
对标准养护试样中Ca(OH)2的两个主要特征峰(18和34)的比较表明，18处的特征峰显着大于34处的峰，因为Ca(OH)2晶体生长是主要集中在特定的晶面上，这导致Ca(OH)2具有通常的层状结构。这种结构不稳定，容易破碎。然而，碳化养护后两个特征峰的强度相似。该结果意味着Ca(OH)2晶体生长方向更加多样化，因此晶体结构将更致密，这提高了SS胶凝材料的机械强度。
图5 不同养护条件下28d砂浆试样表面 XRD图
图6是经受不同养护条件的28d砂浆试样表面的TG-DTG图。
如图6所示，在28天时，碳化养护样品中各种类型的水合产物的量大于高温固化和标准固化样品中的水合产物的量。另外，一般化学结合水在碳化养护试样中为18.95％，在高温养护试样中为17.38％，在标准养护试样中为17.74％。该结果表明，与其他两种固化样品相比，碳化养护样品在此后的时间点的水合度更大。
结合XRD和TG-DTG的分析，可以得出碳化养护可以加快早期水化速率，提高SS胶凝材料后期水化程度的结论。同时，碳化养护可以改善Ca(OH)2的晶体结构，这导致SS胶凝材料更致密并且提高SS胶凝材料的机械强度。
高温固化可以加快早期水化速率，但这会阻碍后来的水合反应，这会导致水泥材料的后期水化程度低于标准固化。因此，高温固化会在固化过程后期对材料性能产生有害影响[16]。
图6 不同养护条件下28d砂浆试样表面TG-DTG图
如图7中，经受高温养护和标准养护的样品的样品表面具有许多裂缝，并且结构松散。与标准养护试样相比，高温养护试样有更多裂纹。这是因为高温养护可以加快早期水合速率，但是当水合速度太快时，在养护的砂浆成型块中更容易引入大孔并且将产生更多的裂缝。高温固化会阻碍后来的水化反应，因此高温养护试样的后期强度将低于标准养护试样[17]。这些结果与实验数据一致。然而，经过碳化养护的试样表面几乎没有裂缝并且具有致密的碳酸化壳。
图7 不同养护条件下3d砂浆试样SEM图
图8是在60℃下7小时的碳化养护3d砂浆试样的EDS图。
如图8所示，碳化养护后的胶结材料表面具有致密的CaCO3壳层。CaCO3由CO2气体与SS水泥中的CaO和Ca(OH)2反应形成。CaCO3的结构是易碎的，CaCO3的颗粒尺寸是1-8lm。与Ca(OH)2相比，这种类型的结构更致密并且导致更好的机械性能。
图8 在60℃下碳化养护3d砂浆试样7h EDS图
水泥会逐渐被淡水，酸和酸性水，硫酸盐和镁盐溶液，碱等侵蚀。这种侵蚀降低了水泥的耐久性。溶解侵蚀发生在淡水中，并且是更常见的侵蚀形式之一。具体地说，水泥中的一些组分，如Ca(OH)2，C-S-H凝胶等，将是可溶的并逐渐溶解在水中，然后会发生溶解侵蚀。在所有类型的水合产物中，Ca(OH)2的溶解度最大(约1.2g/L)。因此，Ca(OH)2将首先溶解[18]。然而，在碳酸化固化之后，存在含有致密的CaCO3壳层的胶结材料表面，并且CaCO3的溶解度为约4times;103g/L，这使其实际上不溶。因此，碳化固化可有效防止溶蚀侵蚀的发生，提高胶凝材料的耐久性。
水泥会逐渐被淡水，酸和酸性水，硫酸盐和镁盐溶液，碱等侵蚀。这种侵蚀降低了水泥的耐久性。溶解侵蚀发生在淡水中，并且是更常见的侵蚀形式之一。具体地说，水泥中的一些组分，如Ca(OH)2，C-S-H凝胶等，将是可溶的并逐渐溶解在水中，然后会发生溶解侵蚀。在所有类型的水合产物中，Ca(OH)2的溶解度最大(约1.2g/L)。因此，Ca(OH)2将首先溶解[18]。然而，在碳酸化固化之后，存在含有致密的CaCO3壳层的胶结材料表面，并且CaCO3的溶解度为约4times;103g/L，这使其实际上不溶。因此，碳化养护可有效防止溶蚀侵蚀的发生，提高胶凝材料的耐久性。
图9经受不同养护条件的28d砂浆试样的SEM图
如图9所示，来自碳化养护的样品产生更多的水合产物，其看起来像花簇。来自高温养护和标准养护的样品具有很少的水化产物。该结果是因为碳化养护过程产生许多粒径为1-8mu;m的CaCO3颗粒。细小的CaCO3颗粒为C3 全文共8983字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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