激发剂对脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料强度的影响
范立瑛，姜伟，王志*
（济南大学材料科学与工程学院，山东济南）
摘要：分析了多种激发剂对脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料强度的影响，通过测试脱硫石膏基试块的抗压强度、抗折强度与扫描电镜分析，探讨激发剂对脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料的强度影响规律。
关键词：脱硫石膏；钢渣；激发剂；强度
烟气脱硫石膏是一种非常好的建材资源，是与天然石膏等效的原材料。伴随国家进一步加大对环保技术及装备自主创新的投入力度和政策支持力度，将快速推动脱硫产业化步伐，保障脱硫石膏资源化利用[1-2]，但我国目前对脱硫石膏的利用率还比较低，还需进一步扩大脱硫石膏的利用。
钢渣是炼钢过程中排出的熔渣。炼钢过程是用空气或纯度较高的氧气（99.5%）去氧化铁水中的碳、钛、锰、硅、磷等元素，以便去除这些杂质元素。钢渣数量约为钢产量的15-20%。从炼钢生产过程我们可以看出，它的组成主要是加入的冶炼熔剂、造渣材料、钢内杂质、铁及其氧化物、金属料带入的泥砂和被侵蚀下来的炉衬料等。全球每年将生产出数亿吨钢渣。不断产生的钢渣只有少量被利用，剩余的大多数被堆积起来，不仅占用大量耕地，同时污染大气和水源，这就带来了越来越多的环境问题。因此，钢渣的综合利用问题已经成为钢铁厂亟需解决的问题[3-7]。
试验研究了激发剂对脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料力学性能的影响，采用多种激发剂：硅酸钠、高岭土、硫酸铝钾、硫酸铝研究其对复合胶凝材料的性能影响。
1、试验原料与方法
1.1试验用原料
脱硫石膏：采用泰山石膏股份有限公司生产的快速煅烧的脱硫石膏；
钢渣：采用济南钢铁集团公司生产的转炉钢渣；
1.2试样的制备与性能测试
根据试验配比称量原料，用水量按标准稠度用水量进行量取，将水和原料在搅拌锅内搅拌均匀，然后浇注尺寸为mm×40mm×40mm的模具内，轻微震动后，手工刮平，然后放入空气中自然养护2-3h脱模，随后自然养护至规定时间。
参照《建筑石膏》GB-88进行强度测试。
2、结果与分析
加入激发剂的目的是激发钢渣的活性，使其能够与脱硫石膏充分反应形成新的胶凝材料，从而达到利用脱硫石膏与钢渣两种废弃物的目的，同时也能有效的改善环境并能满足人们对石膏制品的需求。本试验通过加入以下几种激发剂来改善脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料的性能。
2.1硅酸钠对复合胶凝材料的活性激发
用硅酸钠作为脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料的碱激发剂，能提高硬化体的强度，但是会出现严重的泛霜现象。如图1。试样在自然养护条件下7天后便会出现泛霜现象，而后泛霜现象逐渐严重。
从图1可以看出，掺加硅酸钠后试样泛霜比较严重，改变硅酸钠的掺量后，掺加硅酸钠为0.1%-0.3%（文中所提掺量均为质量百分掺量）时，试样还是有泛霜的迹象，只是泛霜现象没那么严重。掺加硅酸钠之后脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料的强度变化如图2所示。
如图2所示，抗折强度随硅酸钠掺量的增加而增加，抗压强度随硅酸钠掺量的增加而减小。若只考虑强度，那么硅酸钠掺量为0.2%时试样的性能比较优异。
掺加硅酸钠之后试样的扫描电镜照片如图3所示。
从图3可以看出硅酸钠掺量为0.2%时，脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料的晶体除有棱柱状晶体外，还有小颗粒状的晶体附着在棱柱状晶体的空隙与表面，晶体间的搭接密实程度要比掺量为0.3%时好，而且试样的孔隙较小。硅酸钠的掺量为0.3%时，脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料的晶体粘结在一起呈大块状分布，而且孔隙率较大。
2.2高岭土对复合胶凝材料的活性激发
高岭土对脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料自然养护7天力学强度的影响如图4所示。
从图4可以看出随着高岭土掺量的增加脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料的抗折强度有逐渐增加的趋势，在掺量为3%时，复合胶凝材料的抗折强度达到了最大值，而复合胶凝材料的抗压强度则呈现不规则的变化，在掺量分别为2%和4%时，试样的抗压强度有所降低，但是掺量为3%时，复合胶凝材料的抗压强度最大。
加入高岭土之后试样的扫描电镜照片如图5所示。
从图5可以看出，试样的晶体主要呈棱柱状分布，并有少量小颗粒状晶体分布于棱柱状晶体的空隙中。高岭土掺量为3%时，试样晶体间的搭接密实程度较好，表现为较好的抗压、抗折强度。而高岭土掺量为1%和5%时试样的孔隙率较大，试样总体孔隙率较大，而且在掺量为5%时硬化体的棱柱状晶体与针状晶体都呈簇状分布，簇与簇之间孔隙率较大，导致其强度较低。
2.3硫酸铝钾对复合胶凝材料的活性激发
硫酸铝钾对脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料自然养护7天力学强度见图6。
从图6可以看出，随着硫酸铝钾掺量的增多试样的强度呈现出先减小后增大的趋势，当硫酸铝钾掺量为3%与4%时，试样的强度基本达到最低。
掺加硫酸铝钾后试样的扫描电镜照片如图7所示。
从图7可以看出，硫酸铝钾掺量为1%时晶体呈小簇状分布，每一小簇都由棱柱状与针状晶体组成，且每一小簇都呈放射状分布。随着掺量的增加，晶体的形状越发的不规则，棱柱状、针状晶体交错搭接，并有少量板状晶体出现。因此硫酸铝钾掺量为1%时复合胶凝材料的性能较优。
2.4硫酸铝对复合胶凝材料的活性激发
硫酸铝掺量对脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料自然养护7天力学强度的影响如图8所示。
从图8可以看出随硫酸铝掺量的增加，复合胶凝材料的抗折强度先是增大后又降低，而这种趋势比较微弱。而抗压强度随硫酸铝掺量的增加先增大后减小的趋势比较明显。掺量为3%时试样的强度最优。
掺加硫酸铝后试样的扫描电镜照片如图9所示。
从图9可以看出，掺加硫酸铝作为激发剂时，石膏硬化体呈棱柱状与板状分布，棱柱状晶体与板状晶体交错搭接，并有少量小颗粒状晶体分布其中。硫酸铝掺量为3%时小颗粒状晶体要比掺量为1%时少的多，在强度上表现为较好的抗折、抗压强度，掺量为5%时板状晶体比掺量为3%时增多，石膏硬化体随硫酸铝掺量的增加呈现横向尺寸增大的趋势。
3、结语
（1）掺加硅酸钠做激发剂时，掺量为0.2%时试样性能较为优异，但是掺加硅酸钠时复合胶凝材料容易出现泛霜现象，这在实际生产中要尽量避免的现象，因此，硅酸钠不易单独掺加作为激发剂。
（2）高岭土作为激发剂，对复合胶凝材料的激发效果不是太明显，试验表明，掺量为3%时，试样的性能比较优异。
（3）硫酸铝钾作为激发剂，随其掺量的增加，试样的力学强度有下降的趋势，综合考虑硫酸铝钾掺量为1%时，脱硫石膏基钢渣复合胶凝材料的力学强度最优。
（4）掺加硫酸铝作激发剂时，试样的力学强度有上升的趋势，但是上升到一定程度后便会下降，其掺量在3%时，试样表现出较优的力学强度。
（5）四种激发剂中，综合考虑试样抗压、抗折强度，则掺加硫酸铝时，复合胶凝材料的力学性能较为优异。
文章来源：中国建筑材料联合会石膏建材分会第五届年会暨第九届全国石膏技术交流大会及展览会
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