第１９卷第６期 上洛戈 彳盂（自然科学版） Ｖｏ１．１９ ＮＯ．６ Ｄｅｃ．２０１３ ２０１３年１２月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ） ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７・２８６１ ２０１３．０６．０１３ 高炉渣颗粒粒径对矿渣水泥水化的影响 严丽君 ， 葛潭潭 ， 闰潇娟 ，何陈 ， 李 堤 ， 胡雪峰 （１．上海大学环境与化学工程学院，上海２００４４４；２．上海大学循环经济研究院，上海２ｏｏｏ７２） 摘要：高炉渣是钢铁行业生产过程中的必然产物，随着我国经济不断高速增长，钢铁产量逐年提高，高炉渣的堆积 量也在不断上升．完善矿渣水泥的理论研究，提高高炉渣的利用率，既能够减少固体废弃物的数量、保护环境，又能 够为企业带来更好的经济效益．实验结果表明，减小高炉渣颗粒粒径能够加快水化反应的进程，提高抗压强度．另 外，高炉渣颗粒的粒径分布对混凝土抗压强度也会产生显著影响． 关键词：高炉渣；混凝土；水化：ｐＨ值 中图分类号：Ｘ ７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２８６１（２０１３）０６—０６１９—０４ Ｉｎｆ１ｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｓｌａｇ Ｃｅｍｅｎｔ ＹＡＮ Ｌｉ－ｊｕｎ ，一，ＧＥ Ｔａｎ—ｔａｎ ，ＹＡＮ Ｘｉａｏ－ｊｕａｎ ，ＨＥ Ｃｈｅｎ ，ＬＩ Ｄｉ ，ＨＵ Ｘｕｅ—ｆｅｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ Ｅｃｏｎｏｍｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａｎ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ ｂｙ—ｐｒｏｄｕｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｒａｐｉｄｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｒｅａｔ ｍｏｒｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ，ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｓｌａｇ ｃｅｍｅｎｔ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｈｙｒｄｒａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ ｐｏｗｄｅｒ．Ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ ｈａｓ ａ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｌｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａａｇ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｈｙｄｒａｔｉｏｎ；ｐＨ ｖａｌｕｅ 近年来，随着经济的快速增长，我国钢铁行业发展 迅速，钢铁产量己连续多年位居世界第一【１Ｊ＿根据国家 统计局生产统计数据显示，２０１１年我国生铁产量达到 ６．３亿ｔ，按照每生产１ ｔ生铁产生０．３５ ｔ高炉渣计算， 仅２０１１年一年就新增２．２亿ｔ高炉渣． 高炉渣作为生铁冶炼过程中的一种附加产物，含 有Ｃ３Ｓ，Ｃ２Ｓ等活性矿物，具有一定的水硬胶凝性，可 作为混凝土细骨料，其优势是成本低廉［２－８］．目前，国 外发达国家对高炉渣的回收利用进行了大量的研究和 实践，如德国的高炉渣回收利用率已经达到近９９％，日 本也达到了９７％，而我国的高炉渣回收利用率则相对 较低－９】．国内仅上海宝钢集团公司等少数几家大型钢 铁企业拥有较为先进的高炉渣处理技术，大多数钢铁 收稿日期：２０１３ ０４—０３ 企业尚不能有效处理此类矿渣，因此我国高炉渣资源 的循环利用任重道远． 混凝土的水化性能是衡量混凝土整体性能和质量 的重要参数，其水化进行的程度和速度直接影响了混 凝土的早期抗压强度和混凝土最终抗压强度的大小． 影响高炉渣混凝土水化性能的因素有很多，例如高炉 渣本身的化学组成、高炉渣粉末的粒径大小和粒径分 布以及一些外部因素，包括温度、养护条件等．在混凝 土的水化过程中，孔溶液的碱度也会影响水泥的水化 机理和水化反应历程，以及水泥硬化体中各水化产物 的稳定性，从而影响到材料的工程性能［１０－１１］．水泥在 水化过程中会产生大量的Ｃａ（ＯＨ）２，造成混凝土浸出 液碱性的增强．通过观察混凝土浸出液ｐＨ值的变化， 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１１３０５２６）；上海市教委科研创新基金资助项目（１２ＹＺ０１９）；上海市重点学科纳米材料开放基金资助 项目（Ｂ１３０１０１０７０１０）；上海市重点学科建设资助项目（８３０１０９）；上海市大学生创新创业训练计划资助项目（Ｂ０５０１１１１２０１１） 通信作者：￣（１９７０ｉ），女，副教授，博士，研究方向为资源综合利用及环境材料开发．Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｊｙａｎ＠ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ６２０ 上海天 报（自然科学版） 碎石． 第１９卷 可以分析混凝土水化反应的进行程度．本实验主要研 究高炉渣颗粒粒径大小及粒径分布对混凝土抗压强度 和浸出液ｐＨ值的影响． （４）高炉渣．在本实验中，掺入混凝土中的高炉渣 选取的是南京某钢厂的高炉渣样品．通过ｘ射线荧 １ 实验材料 （１１水泥．目前在建材市场上常见的水泥标号是 ３２．５级和４２．５级．为了适应经济发展对于相关产业 质量高标准的需要，本实验最终采用太仓海螺水泥有 限公司生产的４２．５级普通硅酸盐水泥，执行标准为 ＧＢ １７５—２００７，主要的化学矿物组成和物理力学性能 如表ｌ和２所示． 表１水泥的化学矿物组成 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ ｍｉｎｅｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ 光（ｘ—ｒａｙ ｌｆｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ，ＸＲＦ）光谱测得实验用高炉渣 样品的成分如表３所示． 表３高炉渣的化学成分 Ｔａｂｌｅ ３ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ ％ ２ 实验方法 （１）根据《普通混凝土力学性能试验方法标 ｃｅｍｅｎｔ ％ 准》（ＧＢ／Ｔ ５００８１－－２００２）的要求与规范方法，本实验 使用ＹＥ一２０００液压式压力试验机对已经养护完毕的掺 高炉渣混凝土进行抗压性能测试，试件大小为１０ ｃｍＸ １０ Ｃｒｕｘ １０ ａｍ，试件加载为连续均匀加载，加载速度为 ０．５￣－，０．８ ＭＰａ／ｓ．混凝土立方体试件的抗压强度按照 下式计算： ，ｃ。＝ ， 式中，Ｆ为试件破坏荷载（Ｎ），Ａ为试件承压面积 表２水泥的物理力学性能 Ｔａｂｌｅ ２ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ （ｍｌＴｌ。）． （２）将不同高炉渣掺入量的成型混凝土试件 （１０ ｍｍｘ１０ ＩｌｉｍＸ１０ ｍｍ１浸泡在装有２．５ Ｌ去离子 密度／ （ｇ．ｃｍ ）ｍ。・ｋｇ ）ｍｉｎ ｍｉｎ ，比搴面干只／初凝／终凝／Ｎ抗：／压Ｍ强Ｐａ ３３１．２ １５４ 抗折强ＭＰａ ￣／水的容器中，用Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ酸度计定期检测浸泡 水体的ｐＨ值 ３．１５ １９４ ４２．６ ６９．６ ６．４ ９．７ ３ 实验结果及分析 ３．１ 高炉渣颗粒粒径分布及混凝土试件抗压性能 测试 （２）河砂．本实验采用表观密度为２ ６８５ ｋｇ／ｍ。，堆 积密度为ｌ ５１０ ｋｇ／ｍ。，含水率为４％的河砂． （３）石子．本实验采用表观密度为２ ２６４ ｋｇ／ｍ。， 堆积密度为１ ４９３ ｋｇ／ｍ。，平均粒径为２０￣３０ ｍｍ的 高炉渣颗粒粒径分布特征如表４所示．不同粒径 的高炉渣掺入对混凝土试件抗压性能影响的测试结果 如图１所示． 表４高炉渣颗粒粒径分布 Ｔａｂｌｅ ４ Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ ％ 第６期 严丽君，等：高炉渣颗粒粒径对矿渣水泥水化的影响 ６２１ 慝 如 如 加 ｍ ０ 养护３ ｄ 养护７ ｄ 养护２８ ｄ 图１混凝土试件的抗压强度 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓａｍｐｌｅｓ 从图１可以看出，随着高炉渣粒径的减小，比表 面积增大，无论是养护３ ７ ｄ还是２８ ｄ，系列２的抗 压强度均比系列１有明显的提高，这意味着粉磨的 过程可能不仅仅是颗粒减小的过程，同时也伴随着物 料晶体结构及表面物理化学性能的变化．由于物料 比表面积的增大，粉磨中的一部分能量转化为新颗 粒的表面能和内能，使晶格快速减小，晶体的键能也 随之发生改变．这时，损失了品格能的位置会产生晶 格的位错、缺陷以及重结晶，从而在表面形成易溶于 水的非晶态结构．晶体结构的变化表现为晶格应变 增大和晶格尺寸减小：应变增大能提高矿物与水的 作用力，从而加速水化反应：尺寸的减小使得高炉渣 中矿物与水的接触面积增大，有助于水泥机械强度的 提高． 对比系列２与系列３可以发现 利用更小粒径的 系列３制各的混凝土试件的抗压强度反而有所下降， 原因可能是由于系列３的高炉渣颗粒粒径分布不均 匀，多种粒径混杂在一起，最终影响了混凝土试件的力 学性质．同时由于最小粒径小于１０ ｇｍ，造成掺杂后的 混凝土孔隙率较高，也降低了系列３的混凝土试件的 抗压强度． ３．２ 养护时间对浸出液ｐＨ值的影响 本工作主要研究了高炉渣粉末的粒径分布对于混 凝土水化性能的影响．已有学者采用液相分析或分析 孔液组成的方式［１２］对混凝土水化性能进行了研究．本 工作通过观察不同养护天数的混凝土试件浸出液ｐＨ 值的变化，来分析高炉渣颗粒粒径大小及粒径分布 对混凝土试件水化性能的影响，实验测试结果如图２ 所示． 从图２可以看出，混凝土试件浸出液ｐＨ值的变化 具有显著特征，即先升高后降低 即经过一段时间后， ｐＨ值会有所下降．这是因为水化反应产生Ｃａ（ＯＨ）２ 的速率小于空气中ＣＯ２与水中Ｃａ（ＯＨ）２反应的速率， 进而引起浸出液ｐＨ值的降低，其反应机理如下： 系列１养护ｌ ｄ 系列２养护１ ｄ 系列３养护ｌ ｄ 系列ｌ养护３ ｄ 系Ｎ２养护３ ｄ 系列３养护３ ｄ 系列１养护７ ｄ 系列２养护７ ｄ 系列３养护７ ｄ 浸泡天数，ｄ 图２养护１，３，７ ｄ后的混凝土试件浸泡在去离子水中２０ ｄ 内ｐＨ值的变化趋势 Ｆｉｇ．２ ｐＨ ｖａｌｕｅ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ２０ ｄａｙｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓａｍｐｌｅｓ ａｆｔｅｒ １．３ ａｎｄ ７ ｄａｙｓ ｏｆ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ２Ｃａ０－Ｓｉ０２—Ｌ ４Ｈ２Ｏ＝ Ｃａ（ＯＨ）２＋ＣａＯ・Ｓｉ０２・３Ｈ２０， ２（３ＣＡＯ・Ｓｉ０２１＋６Ｈ２０＝３Ｃａ（ＯＨ）２＋ ３ＣａＯ・２Ｓｉ０２・３Ｈ２Ｏ， （２） Ｃａ（ＯＨ）２＋ＣＯ２＝ＣａＣＯ３＋Ｈ２０． （３） 另一方面，系列１浸出液ｐＨ值的变化幅度最为 平缓，而且其整体粒径最大，说明相对应的水化进程较 缓慢．这是由于在较大粒径下，高炉渣颗粒的活性激 发程度相对较弱 造成混凝土试件水化后的抗压强度 不高．系列２浸出液ｐＨ值的变化幅度居中，相对比较 平稳，说明其既具有良好的水化活性同时又能够平稳 有序地进行反应．混凝土试件的抗压强度测试结果（见 图１）也说明，系列２的混凝土试件具有相对较高的抗 压强度．系列３浸出液ｐＨ值的变化幅度很大，表明相 应的水化反应进程较为激烈，但是从各系列混凝土试 件抗压强度的测试结果（见图１）可以看出，这种激烈的 水化反应对混凝土试件的抗压强度会产生不利影响 可能的原因是水化反应过快，易使产生的各种胶凝材 料不能有效地凝聚到一起，导致混凝土试件内部胶凝 物质分布不均匀． ３．３ 碳化时间对浸出液ｐＨ值的影响 高炉渣混凝土试件在空气中经不同碳化天数后对 浸出液ｐＨ值的影响如图３所示．可以看出，相同粒径 的高炉渣混凝土试件在空气中碳化的天数越多，其浸 出液ｐＨ值的波动就越大．这是因为混凝土试件在水 化的初期产生了大量的Ｃａ（ＯＨ）２，使得混凝土试件的 空隙中充满了饱和Ｃａ（ＯＨ）２溶液，其碱性介质在混凝 土试件表面生成一种保护膜，所以在空气中碳化的天 数越少 保护膜就越难被破坏 混凝土试件在水中整体 的ｐＨ值变化也相对较为稳定．而随着试件在空气中 ６２２ 上海戈 报（自然科学版） 第１９卷 浸泡天数／ｄ 图３各种混凝土试件经过不同碳化时间后再浸泡２０ ｄ内 的ｐＨ值变化趋势 Ｆｉｇ．３ ｐＨ ｖａｌｕｅ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ２０ ｄａｙｓ ｆｏｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓａｍｐｌｅｓ 另外，碳化１４ ｄ之后放入水中的高炉渣混凝土试 件的浸出液ｐＨ值波动最大，说明混凝土试件中颗粒 物质的活性已经得到激发，使得水化反应更为剧烈，不 断地产生新的水化产物．而且由于系列３所用高炉渣 颗粒的粒径分布不均，也会对混凝土试件内部胶凝材 料的分布造成不利影响，导致混凝土试件抗压强度的 下降．根据混凝土试件抗压强度的测试结果ｆ见图１）， 显然水化反应维持在较为合适的速度更有利于混凝土 试件抗压强度的提高：过于缓慢的水化反应会导致胶 凝物质的产生也较缓慢：水化反应进行过快则会使新 产生的各种胶凝材料不能有效地凝聚到一起，导致混 凝土内部胶凝物质分布不均匀，从而降低了混凝土试 件的抗压强度． ４ 结 论 （１）与纯水泥相比，掺杂３种粒径高炉渣颗粒的混 凝土试件的抗压强度与硅酸盐水泥的抗压强度接近． （２）随着高炉渣颗粒粒径的减小，高炉渣混凝土试 件的抗压强度有所提升，但并不是粒径越小越好． （３）随着高炉渣颗粒粒径的减小，各系列混凝土试 件浸出液的ｐＨ值波动幅度加大，混凝土试件水化过 程的激烈程度加剧，但是ｐＨ值变化幅度的大小并没 有与混凝土试件的抗压强度形成正比关系．实验结果 表明，采用粒径分布均匀的高炉渣料有助于混凝土抗 压强度的提高． 致谢本文得到了上海大学土木工程系高俊丽老师及 上海大学分析测试中心ＸＲＤ实验室鲁波老师的大力支持， 谨致谢意！ 参考文献： …王婷婷．２０１１中国与世界钢产量及消费分析－Ｊ＿．冶金 管理，２０１２（２）：２３—２５． 『２］蒋伟锋．高炉水渣综合利用——用高比例高炉水渣制 造微晶玻璃［Ｊ］．中国资源综合利用，２００３（３）：２８—２９． 『３１张明涛，谭克锋，赵敏．无熟料高炉矿渣水泥的物料配 比与性能的关系［Ｊ］．西南科技大学学报，２０１１，２６（２）： ３２—３５。 ［４］吴中伟，薛君开．膨胀和白应力水泥及其应用［Ｍ１．北 京：中国建筑工业出版社，１９８５：３４０—３８５． 【５］聂丽华，冯辉荣，蒋晓峰，等．轻质绿化混凝土ｐＨ值 优化的正交试验研究＿Ｊ＿．上海大学学报：自然科学版， ２００６，１２（６）：６５６—６６０． 【６】王纪曾．掺粒化高炉渣微粉混凝土的性能【Ｊ］．粉煤灰， ２００１，１２（２）：１９—２６． ［７］ＺＨＡＮＧ Ｔ Ｓ，Ｙｕ Ｑ Ｊ，ＷＥＩ Ｊ Ｘ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｌｅｎｄｅｄ ｃｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｒｅｃｌａｍａ－ ｔｉｏｎ ｏｆ ｉｒｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ ｆｒｏｍ ｂａｓｉｃ ｏｘｙｇｅｎ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ［Ｊ］．Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ， ２０１１，５６：４８—５５． ｆ８］杨南如．碱胶凝材料形成的物理化学基础［Ｊ］．硅酸盐学 报 １９９６，２４（２）：２０９—２１５． ［９］于翠兰，郭心明．对包钢高炉渣综合利用的思考［Ｊ］．包 钢科技，２０１１，３７（２）：８７－８９． ｆ１０１朱洪波，王培铭，张继东．矿物材料对水泥可溶离子浓度 及ｐＨ值的影响［Ｊ］．武汉理工大学学报，２０１０，３２（１０）： ６—１０． ｒ１１１许远辉，陆文雄，王秀娟，等．钢渣活性激发的研究现状 与发展『Ｊ］．上海大学学报：自然科学版，２００４，１０（１）： ９１—９５． 『１２１吕林女，何永佳，王晓，等．掺合料复掺对水泥基材料孔 溶液碱度的影响＿Ｊ＿．河南建材，２００４（３）：３－５．
