一种化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的方法及其应用与流程

1.本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。


背景技术：

2.钢渣是一种炼钢的副产品，占粗钢产量的15～20wt％。据统计，当今全球每年生产近2亿吨钢渣，我国的钢渣年产量高达1亿吨以上。然而，只有约20％～30％的钢渣被有效利用。大部分钢渣被随意丢弃，这不仅是严重的资源浪费，还会侵占大量土地、造成环境污染。因此，钢渣的资源化利用是国内外学者讨论的热点问题。钢渣中含有一定量的c3s、c2s(水泥熟料的两种主要矿物相)，使其具有部分水化活性，从而也常被称为“劣质”水泥熟料。将钢渣作为辅助胶凝材料应用于建材领域不仅是大量消纳钢渣的重要途径之一，也有利于推动建筑材料行业和钢铁冶炼行业的可持续发展，助力“2030年碳达峰、2060年碳中和”这一战略目标的达成。
3.由于矿石来源、冶炼工艺、造渣制度的差异，钢渣的化学成分和矿物组成较为复杂、波动较大。其中，水化活性相对较低是制约钢渣在建材领域应用的一个重要原因。钢渣中惰性或水化活性较差的矿物相含量较多(约占40％～55％)，如ro相、c2f等，且其中具有水化活性的c2s常以活性较弱的β型为主。因此，为提高钢渣水化活性，采用单纯的物理激发或化学激发等方式对钢渣进行预处理。但仍存在处理方法单一、激发效果较差、成本较高等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服上述技术背景中技术难题，提出了一种化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的方法及其应用。该化学-物理耦合激发钢渣粉具有高比表面积、高活性等特点，可实现钢渣在建筑行业的大范围应用，为钢渣的高资源化利用提供新途径。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
6.1)、将钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，使钢渣颗粒尺寸满足入磨细度；
7.2)、将活性激发剂喷洒至钢渣颗粒上，并均化；
8.3)、将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于磨机中粉磨，对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发，粉磨至钢渣粉比表面积为350～550m2/kg，即制得化学-物理耦合激发钢渣粉。
9.所述钢渣主要化学组成按质量百分比计：
10.cao 32.24％～45.96％，
11.sio
2 14.05％～22.84％，
12.fe2o
3 22.91％～33.69％，
13.mgo 2.1％～11.23％，和
14.al2o
3 1.52％～6.24％。
15.所述钢渣为a地区-热闷钢渣、a地区-风淬钢渣、b地区-热泼钢渣、b地区-滚筒钢渣、c地区-热闷钢渣、c地区-热泼钢渣、d地区-滚筒钢渣或e地区-滚筒钢渣。
16.所述活性激发剂由5-20质量份的无机类活化组分和80-95质量份的有机类活化组分组成；
17.所述无机类活化组分为硫酸钠、硫酸铝和碳酸钠的混合物，
18.所述有机类活化组分为三乙醇胺、乙二醇、谷氨酸二乙酸四钠和糖蜜的混合物。
19.所述无机类活化组分中硫酸钠、硫酸铝和碳酸钠的质量比为2-4：2-3:3-5；
20.所述有机类活化组分中三乙醇胺、乙二醇、谷氨酸二乙酸四钠和糖蜜的质量比为2-4：1-2:0.5-1：2～5。
21.所述活性激发剂的加入量为钢渣质量的0.05％～0.6％。
22.步骤3)中，所述的化学-物理耦合激发时间为20～78min。
23.利用化学-物理耦合激发钢渣粉应用于制备钢渣水泥，所述钢渣粉的掺入量为总质量的30-35％。
24.本发明中活性激发剂的无机类活化组分——硫酸钠、硫酸铝和碳酸钠，均可以有效促进钢渣水化，丰富体系中水化产物数量与种类。硫酸钠与硫酸铝，为体系提供额外的so
42-、al
3
离子，加速与促进水泥体系中c3a的反应与钙矾石、水化铝酸钙的生成，形成较为致密的微观结构。另一方面，硫酸钠和碳酸钠水解后，可与体系中水化产生的ca(oh)2反应，提升体系碱度，加速钢渣的进一步水化。此外，碳酸钠与ca(oh)2反应后生成的细小碳酸钙沉积在未水化颗粒表面，使其形成较多空隙，使得水和离子的传输加快，有利于水化产物的形成。
25.本发明中活性激发剂的有机类活化组分——三乙醇胺、乙二醇、谷氨酸二乙酸四钠和糖蜜。其中，三乙醇胺、乙二醇和糖蜜不仅可以作为外来分子满足物理激发时钢渣颗粒表面未饱和的电价键，降低团聚现象的出现，还可以促进钢渣矿物相的水解，加速水化产物的形成。水化产物的大量形成必然会降低液相中ca
2
的浓度，为钢渣中含铁矿物相的的溶解创造有利条件。谷氨酸二乙酸四钠作为金属螯合剂极易与ca
2
、fe
2 /3
等离子发生络合，形成较为稳定的络合物，加速钢渣矿物相的溶解，促进钢渣水化反应的进行。
26.本发明方案的实施，至少具有以下优势：
27.①
、相比于目前已经公开的激发钢渣胶凝活性技术，本发明方法的实施，可有效提高钢渣胶凝活性，解决钢渣活性较低的问题。
28.②
、本发明方法制备的化学-物理耦合激发钢渣粉比表面积大、活性高，可提高钢渣在水泥中的用量，满足力学性能指标。
29.③
、本发明方法适用于不同地区、不同造渣制度所获得的钢渣。
30.④
、本发明方法具有工艺简单、能耗较低，且对加工设备要求低等优点，方便操作。
31.本发明提出的物理-化学耦合激发钢渣粉胶凝材料，基于物理-化学耦合激发作用协同改善颗粒表面性质、提升钢渣粉的胶凝活性的特点。物理-化学耦合激发技术在物理激发作用使钢渣粉料颗粒表面矿物相晶体出现晶格畸变、晶粒尺寸变小及位错等现象、粉料中微米及以下粒径颗粒的比例增加的同时，增加了化学激发的有效作用面积与标靶数量，为化学激发的实施奠定基础，而化学激发作用在提高物理激发效率的同时还可直接作用于钢渣粉颗粒表面，降低其表面的反应活化能，从而进一步达到降低钢渣粉细度、改善其表面
性质、提升水化活性的目的。
32.本发明提出的物理-化学耦合激发钢渣粉胶凝材料，基于钢渣粉水化时，钢渣粉中ca
2
、fe
3
、mg
2
等离子溶出参与水泥水化反应的特征，物理-化学耦合激发钢渣粉的粉体表面得到改善，其表面的反应活化能降低，离子溶出更加容易，致使孔隙中ph值快速增加，在与石膏作用下，促进体系中c-s-h凝胶和aft的生成，进一步促使钢渣粉体颗粒不断水解，体系水化程度持续增长，改善体系微观结构。
附图说明
33.图1为水泥-钢渣(a地区-热闷钢渣)净浆7d龄期的扫描电镜图，
34.图2为水泥-钢渣(a地区-风淬钢渣)净浆7d龄期的扫描电镜图，
35.图3为水泥-钢渣(b地区-热泼钢渣)净浆7d龄期的扫描电镜图，
36.图4为水泥-钢渣(b地区-滚筒钢渣)净浆7d龄期的扫描电镜图，
37.图5为水泥-钢渣(c地区-热泼钢渣)净浆7d龄期的扫描电镜图，
38.图6为水泥-钢渣(c地区-热闷钢渣)净浆7d龄期的扫描电镜图，
39.图7为水泥-钢渣(d地区-滚筒钢渣)净浆7d龄期的扫描电镜图，
40.图8为水泥-钢渣(e地区-滚筒钢渣)净浆7d龄期的扫描电镜图，
41.各图中a为物理激发，b为物理激发后掺入化学激发剂，c为物理-化学耦合激发。
具体实施方式
42.本发明的技术方案包括如下步骤：
43.1)、将钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，使钢渣颗粒尺寸满足入磨细度；在具体实施中，我们控制钢渣粒径小于2.36mm，在该尺寸下，利于后续工序中活性激发剂的合理分布；
44.2)、将活性激发剂喷洒至钢渣颗粒上，并均化；在均化过程中，可以进行翻拌，但需维持一定时间使活性激发剂被颗粒“吸收”，从而固化在颗粒上；具体的均化时间控制，本领域技术人员可以根据实际操作环境的温度、湿度进行调整，在本案中不做赘述；
45.3)、将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于磨机中粉磨，粉磨至钢渣粉比表面积为350～550m2/kg，即制得化学-物理耦合激发钢渣粉。这一步骤实质就是对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发，而耦合激发效应的本质在于化学激发可改变颗粒表面的物理、化学形态，从而改善颗粒的物理激发效率；而物理激发过程中颗粒表面形态的改变又会增加活性激发剂与颗粒的接触面积，促进化学激发程度的加深。在步骤中，化学-物理耦合激发时间为20～78min。以比表面积指标为准，如时间过短，会导致反应不重复；时间过长，则严重降低生产效率。
46.鉴于本发明采用化学-物理耦合激发，对于原料钢渣需进行控制，主要化学组成按质量百分比计：
47.cao 32.24％～45.96％，
48.sio
2 14.05％～22.84％，
49.fe2o
3 22.91％～33.69％，
50.mgo 2.1％～11.23％，和
51.al2o
3 1.52％～6.24％。
52.本发明的钢渣不限于特定环境，如可以采用以下多种：钢渣为a地区-热闷钢渣、a地区-风淬钢渣、b地区-热泼钢渣、b地区-滚筒钢渣、c地区-热闷钢渣、c地区-热泼钢渣、d地区-滚筒钢渣或e地区-滚筒钢渣。
53.本发明的活性激发剂由5-20质量份的无机类活化组分和80-95质量份的有机类活化组分组成；
54.无机类活化组分为硫酸钠、硫酸铝和碳酸钠的混合物，无机类活化组分中硫酸钠、硫酸铝和碳酸钠的质量比为2-4：2-3:3-5；
55.有机类活化组分为三乙醇胺、乙二醇、谷氨酸二乙酸四钠和糖蜜的混合物。有机类活化组分中三乙醇胺、乙二醇、谷氨酸二乙酸四钠和糖蜜的质量比为2-4：1-2:0.5-1：2～5。
56.活性激发剂的加入量为钢渣质量的0.05％～0.6％。
57.利用化学-物理耦合激发钢渣粉应用于制备钢渣水泥，所述钢渣粉的掺入量为总质量的30-35％。
58.以下结合具体实施例对本发明进一步详细说明。
59.实施例1：
60.本实施例提供化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。具体制备过程包括以下步骤：a地区-热闷钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，制得粒径小于2.36mm的颗粒。在钢渣颗粒上，喷洒活性激发剂(用量为钢渣质量的0.1％)，并均化一定时间。将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于球磨机中，对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发68min，得到化学-物理耦合激发钢渣粉，其比表面积为550m2/kg。化学-物理耦合激发钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。
61.对比例1-1：
62.a地区-热闷钢渣仅对其进行物理激发，经82min可制得与实施例1中的化学-物理耦合激发钢渣粉表面积相同的钢渣粉。将钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例1的对比结果见下表1。
63.对比例1-2：
64.将对比例1-1中的钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，并掺入钢渣质量0.1％的活性激发剂，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例1的对比结果见下表1。
65.表1实施例1与对比例1-1、1-2的对比结果：
[0066][0067]
实施例2：
[0068]
本实施例提供化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。具体制备过程包括以下步骤：a地区-风淬钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，制得粒径小于2.36mm的颗粒。在钢渣颗粒上，喷洒活性激发剂(用量为钢渣质量的0.3％)，并均化一定时间。将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于球磨机中，对钢渣颗粒进行化学-物理耦
合激发38min，得到化学-物理耦合激发钢渣粉，其比表面积为370m2/kg。化学-物理耦合激发钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。
[0069]
对比例2-1：
[0070]
a地区-风淬钢渣仅对其进行物理激发，经48min可制得与实施例2中的化学-物理耦合激发钢渣粉表面积相同的钢渣粉。将钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例2的对比结果见下表2。
[0071]
对比例2-2：
[0072]
将对比例2-1中的钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，并掺入钢渣质量0.3％的活性激发剂，按gb17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例2的对比结果见下表2。
[0073]
表2实施例2与对比例2-1、2-2的对比结果：
[0074][0075]
实施例3：
[0076]
本实施例提供化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。具体制备过程包括以下步骤：b地区-热泼钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，制得粒径小于2.36mm的颗粒。在钢渣颗粒上，喷洒活性激发剂(用量为钢渣质量的0.2％)，并均化一定时间。将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于球磨机中，对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发46min，得到化学-物理耦合激发钢渣粉，其比表面积为440m2/kg。化学-物理耦合激发钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。
[0077]
对比例3-1：
[0078]
b地区-热泼钢渣仅对其进行物理激发，经54min可制得与实施例3中的化学-物理耦合激发钢渣粉表面积相同的钢渣粉。将钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例3的对比结果见下表3。
[0079]
对比例3-2：
[0080]
将对比例3-1中的钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，并掺入钢渣质量0.2％的活性激发剂，按gb17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例3的对比结果见下表3。
[0081]
表3实施例3与对比例3-1、3-2的对比结果：
[0082][0083]
实施例4：
[0084]
本实施例提供化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。具体制备过程包括以下步骤：b地区-滚筒钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，制
得粒径小于2.36mm的颗粒。在钢渣颗粒上，喷洒活性激发剂(用量为钢渣质量的0.3％)，并均化一定时间。将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于球磨机中，对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发44min，得到化学-物理耦合激发钢渣粉，其比表面积为360m2/kg。化学-物理耦合激发钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。
[0085]
对比例4-1：
[0086]
b地区-滚筒钢渣仅对其进行物理激发，经53min可制得与实施例3中的化学-物理耦合激发钢渣粉表面积相同的钢渣粉。将钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例4的对比结果见下表4。
[0087]
对比例4-2：
[0088]
将对比例4-1中的钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，并掺入钢渣质量0.3％的活性激发剂，按gb17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例4的对比结果见下表4。
[0089]
表4实施例4与对比例4-1、4-2的对比结果：
[0090][0091]
实施例5：
[0092]
本实施例提供化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。具体制备过程包括以下步骤：c地区-热泼钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，制得粒径小于2.36mm的颗粒。在钢渣颗粒上，喷洒活性激发剂(用量为钢渣质量的0.05％)，并均化一定时间。将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于球磨机中，对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发32min，得到化学-物理耦合激发钢渣粉，其比表面积为420m2/kg。化学-物理耦合激发钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。
[0093]
对比例5-1：
[0094]
c地区-热泼钢渣仅对其进行物理激发，经35min可制得与实施例3中的化学-物理耦合激发钢渣粉表面积相同的钢渣粉。将钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例5的对比结果见下表5。
[0095]
对比例5-2：
[0096]
将对比例5-1中的钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，并掺入钢渣质量0.05％的活性激发剂，按gb17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例5的对比结果见下表5。
[0097]
表5实施例5与对比例5-1、5-2的对比结果：
[0098][0099]
实施例6：
[0100]
本实施例提供化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。具体制备过程包括以下步骤：c地区-热闷钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，制得粒径小于2.36mm的颗粒。在钢渣颗粒上，喷洒活性激发剂(用量为钢渣质量的0.1％)，并均化一定时间。将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于球磨机中，对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发45min，得到化学-物理耦合激发钢渣粉，其比表面积为500m2/kg。化学-物理耦合激发钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。
[0101]
对比例6-1：
[0102]
c地区-热闷钢渣仅对其进行物理激发，经52min可制得与实施例3中的化学-物理耦合激发钢渣粉表面积相同的钢渣粉。将钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例6的对比结果见下表6。
[0103]
对比例6-2：
[0104]
将对比例6-1中的钢渣粉与p.i水泥以35:65比例混合，并掺入钢渣质量0.1％的活性激发剂，按gb17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例6的对比结果见下表6。
[0105]
表6实施例6与对比例6-1、6-2的对比结果：
[0106][0107]
实施例7：
[0108]
本实施例提供化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。具体制备过程包括以下步骤：d地区-滚筒钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，制得粒径小于2.36mm的颗粒。在钢渣颗粒上，喷洒活性激发剂(用量为钢渣质量的0.6％)，并均化一定时间。将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于球磨机中，对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发28min，得到化学-物理耦合激发钢渣粉，其比表面积为380m2/kg。化学-物理耦合激发钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。
[0109]
对比例7-1：
[0110]
d地区-滚筒钢渣仅对其进行物理激发，经38min可制得与实施例3中的化学-物理耦合激发钢渣粉表面积相同的钢渣粉。将钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例7的对比结果见下表7。
[0111]
对比例7-2：
[0112]
将对比例7-2中的钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，并掺入钢渣质量0.4％的活性激发剂，按gb17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例7的对比结果见下表7。
[0113]
表7实施例7与对比例7-1、7-2的对比结果：
[0114][0115]
实施例8：
[0116]
本实施例提供化学-物理耦合激发钢渣粉胶凝材料的制备方法及其应用。具体制备过程包括以下步骤：e地区-滚筒钢渣用颚式破碎机或反击式破碎机进行破碎预处理，制得粒径小于2.36mm的颗粒。在钢渣颗粒上，喷洒活性激发剂(用量为钢渣质量的0.2％)，并均化一定时间。将含有活性激发剂的钢渣颗粒置于球磨机中，对钢渣颗粒进行化学-物理耦合激发65min，得到化学-物理耦合激发钢渣粉，其比表面积为470m2/kg。化学-物理耦合激发钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。
[0117]
对比例8-1：
[0118]
e地区-滚筒钢渣仅对其进行物理激发，经85min可制得与实施例3中的化学-物理耦合激发钢渣粉表面积相同的钢渣粉。将钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例8的对比结果见下表8。
[0119]
对比例8-2：
[0120]
将对比例8-2中的钢渣粉与p.i水泥以30:70比例混合，并掺入钢渣质量0.2％的活性激发剂替代钢渣粉，按gb 17671制备水泥胶砂，检测其7d、28d抗压强度。与实施例8的对比结果见下表8。
[0121]
表8实施例8与对比例8-1、8-2的对比结果：
[0122][0123]
将实施例1～8与对比例1-1～8-1、1-2～8-2中钢渣粉与水泥按上述比例进行充分混合，制备水泥-钢渣净浆，在标准养护箱中养护至7d后制成检测样。
[0124]
将检测样喷金处理后，在扫面电子显微镜下观察其微观结构。
[0125]
对比检测的结果如图1-8所示。(a)组检测样均为仅物理激发钢渣粉的对比例，可以看出，硬化浆体中钢渣颗粒边界较为明显，且其表面罕见水化产物存在，部分钢渣颗粒在其中仅起到惰性填充作用；(b)组检测样均为成型时掺入活性剂的对比例，钢渣颗粒周围存在较为丰富的水化产物，且水化产物紧密包裹住钢渣颗粒，从而优化水泥-钢渣基胶凝材料中的薄弱环节，提高试样的强度，但钢渣颗粒表面仍未发现水化产物的踪迹，；而(c)组检测样为物理-化学耦合激发钢渣粉的实施例，样品空隙中存在大量针棒状钙矾石晶体，且钢渣颗粒周围或表面存在大量水化产物，浆体密实度得到提升，说明物理-化学耦合激发钢渣粉后钢渣粉水化程度提升，钢渣中部分活性较差的矿物相亦会参与水泥的水化反应，促进钢渣胶凝活性的提升，改善水泥-钢渣基胶凝材料的宏观性能。
[0126]
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一
些替换和重新选择，这些替换和重新选择均在本发明的保护范围内。