作者
张蕊田鑫陈梦真张宇笈李梦娇张炎冰
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为使钢渣能在建筑领域得到充分的利用，使钢渣中的游离氧化钙含量降低到国家标准以下，并保证处理后的钢渣具有较高的胶凝活性，采用各种改性方法对钢渣改性进行研究。本实验分别用pH=3的硫酸、二氧化碳、水蒸气和矿粉对原钢渣进行了改性实验，并对改性后的钢渣分别进行了衍射图谱分析，经过对比分析，进一步验证增大Al2O3含量可提高钢渣的凝胶活性，水蒸气可加速游离氧化钙的水化反应。综合考各项指标得出用水蒸气和矿粉对钢渣进行改性效果最好。
引言
钢渣是炼钢过程中产生的，以硅酸盐、铁酸盐为主的固体废弃物，目前很多国家将钢渣作为骨料广泛用于道路工程中。钢渣的活性取决于氧化钙的含量，在一定的碱度下，钙铁橄榄石结合氧化钙生成胶凝物硅酸二钙C2S，当碱度增加，硅酸二钙C2S和氧化钙进一步结合生成凝胶物硅酸三钙C3S。其中硅酸二钙C2S和硅酸三钙C3S具有与水泥熟料相似的且较高的潜在胶凝活性，磨细后可作为建筑材料资源开发利用。但因钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁遇水后会在很长时间内持续水化使建筑
材料发生体积膨胀，进一步导致建筑材料发生断裂，造成严重后果。所以目前在国内钢渣的利用率低，如何提高钢渣的利用附加值是目前该领域的一个热点。为使钢渣能在建筑领域得到充分的利用，必须要降低钢渣中的游离氧化含量，本实验通过采用各种改性方法，通过X衍射图谱对比分析，研究其改性后钢渣物相的变化，以期找到最理想和最经济的改性条件。
1实验方案
实验药品为：钢渣（河北省首钢迁安有限公司）；二氧化碳气体（西安气体公司）；矿粉（河北省首钢迁安有限公司）；碳酸钠分析纯，国药集团化学试剂有限公司；硫酸分析纯（国药集团化学试剂有限公司）；碳粉分析纯（国药集团化学试剂有限公司）。
实验仪器为：SHB-3真空泵（北京海诚中仪表有限公司）；D-MAX/型XRD日本理学公司；SWC-RJ磁力搅拌器；KQ-50E型超声波清洗仪（昆山市超声仪器有限公司）；SK-2-13管式高温定碳炉（南京桑力电子设备厂）；高速万能粉碎机（上海四瑞仪器有限公司）；-3型电热鼓风干燥箱南京桑力电子设备厂。
实验方法：
（1）原料制备。
称取经研磨后目钢渣g各3份置于烧杯中，加入mL去离子水并均匀搅拌，使钢渣充分润湿，在常温常压下浸泡22.5h，随后放入烘箱中，于℃下抽风干燥3h，将烘干后的3份钢渣分别置于试样1，试样2，试样3的3个干燥好的烧杯中备用。同时用硫酸溶液配制pH=3，酸性溶液mL置于烧杯中备用。
（2）钢渣改性实验。将pH=3酸性溶液缓慢加入放置有试样1钢渣的烧杯中，常温常压下搅拌2后，静置15h，随后将试样1烧杯中充分反应钢渣的上清液倒掉，并用去离子水清洗钢渣3次后，将其放入烘箱在℃下抽风烘干2h后，冷却并装入标有试样1的广口瓶中备用。
另将试样2中的钢渣分别放入数个小瓷舟中，随后将小瓷舟放入定碳炉中，并通入二氧化碳气体，使其在℃左右下反应3小时20分钟后，通气自然冷却，将冷却后的小瓷舟取出，随后把小瓷舟内的钢渣混合装入标有试样2的广口瓶中备用。
最后将试样3中钢渣按照质量比为8：2混入矿粉，使其混合均匀后，也分别放入数个小瓷舟中，随后将小瓷舟放入定碳炉中，并通入水蒸气，使其在℃左右下反应3小时20分钟后，通气自然冷却，将冷却后的小瓷舟取出，随后把小瓷舟内的钢渣混合装入标有试样3的广口瓶中备用。
2试样表征与分析
原钢渣与矿粉的化学成分如表1所示。
表1试验用合成钢渣高炉渣成分（质量分数）/%
钢渣的碱度决定了钢渣的矿物组成，当钢渣的碱度在0.78~1.8时，钢渣的矿物主要为镁橄榄石和镁蔷薇辉石；但碱度在1.8~2.5之间时，钢渣矿物的组成主要为RO相，当碱度大于2.5，矿物的组成主要为C2S、C3S和RO相。根据表1中钢渣的质量分数可以计算出试验用钢渣的碱度为1.8，所以该钢渣的物相组成非常复杂，原钢渣的X衍射图谱如图1所示，由图1可得到原钢渣的物相主要有C2S、C3S、游离氧化钙（f-CaO）、RO相（MgO、FeO、MnO等固溶相）、钙铁橄榄石、Ca（OH）2和铝酸三钙等。
图1原钢渣X衍射图谱
图1中出现了较强的C2S、C3S和C3A衍射峰，说明原钢渣具有良好的胶凝性；在图中还出现了多处明显的钙铝黄长石（C2AS）衍射峰，C2AS属于非胶凝相。钢渣中主要物相的变化可以通过衍射峰对比得到。试样1的X衍射图谱如图2所示，与图1对比可看出，RO相峰值有很大幅度的减低，同时C2AS相的衍射峰也明显减少和降低，C2AS是造岩相，它的含量不宜过多；在图2中游离氧化钙的衍射峰值降低较大，说明硫酸与游离氧化钙发生反应，进一步降低了钢渣中游离氧化钙的含量。
图2经pH=3硫酸改性后钢渣的X衍射图谱
试样2的X衍射图谱如图3所示，经过二氧化碳改性的钢渣物相组成与原矿渣基本相同，相较于图1C2S、C3S、C3A、RO相和f-CaO的衍射峰都有所降低，但幅度不大；本实验二氧化碳改性钢渣是在左右完成的，由此可得出在该反应条件下，二氧化碳对钢渣的的改性没有充分的进行。
图3经二氧化碳改性后钢渣的X衍射图谱
试样3的X衍射图谱如图4所示，对比其他3个图，游离氧化钙的衍射峰值降低最大，说明水蒸气和矿粉对钢渣的改性在降低游离氧化钙方面最有效，也进一步验证了增大Al2O3含量可提高钢渣的凝胶活性这一理论，同时也说明水蒸气加速了游离氧化钙的水化反应；在该改性条件下胶凝相C2S衍射峰增多，说明胶凝相含量增多。综合考虑各项指标，通过本次实验可得到用水蒸气和矿粉对钢渣进行改性后钢渣物相变化最为理想。
图4经水蒸气和矿粉改性后钢渣的X衍射图谱
3结语
通过上述实验，经过X衍射图谱对比分析，得出增大Al2O3含量可提高钢渣的凝胶活性，水蒸气可加速游离氧化钙的水化反应。综合考虑各项指标用水蒸气和矿粉对钢渣进行改性后钢渣物相变化最为理想。
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