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冶金类论文 冶金渣在混凝土空心隔墙板中的应用研究

2018-12-19 13:25:43来源:组稿人论文网作者:婷婷

  1 绪论

  1.1 研究背景及意义

  1.1.1社会发展必须可持续

  当今社会,科技革命以及产业变革都倾向于绿色环保低碳可循环这一方向发展,并且这一方向的前途也是很可观的。作为正在兴起的产业,节能环保这一产业有着很大的发展潜力,并能够为我国经济发展做出巨大贡献。在企业的发展方面,我国应不断提倡绿色发展体系,实现企业从低成本、高生态投入到创新、绿色共同发展结构的转变,在能源和资源的利用上,要摒弃传统的高排放、低效率模式,积极、快速的形成绿色、无污染、高效率的资源利用链,最终使得环保节能产业得到发展,循环型经济得到推进,进尽快的实现产业集群的绿色化升级,在这种转型之下,绿色技术和智慧技术会得到广泛的应用,由此会使得绿色服务业及制造业迅速发展,最终实现环境与经济的共同发展、共同提高。所以,要加大可持续经济的推广力度,运用科学技术对一些废弃物进行最完整的利用,这样可以实现对现存的无法再生资源的保护,进而实现社会的长久进步与发展。

  1.1.2 应用工业废渣是可持续发展的必然要求

  冶金渣是固体废弃物的一种,是在冶炼过程中产生的。同时在炼铁炉中所形成的钢渣、高炉渣以及一些有色金属渣(包括铅渣、镍渣以及锌渣等)是冶金渣的主要组成成分,除此之外,在氧化铝的提炼过程中所排放出的赤泥和轧钢所形成的一部分氧化铁渣也属于冶金渣。随着工业时代的到来,产生的大量冶金渣存在着资源化利用的问题。用好了就是“变废为宝”,实现资源的再循环利用。同时能减少渣占地和环境污染、节能降耗、减少CO2排放等环境问题。

  1.2 国内外研究应用现状

  1.2.1 国外研究应用现状

  上个世纪中期,许多国家就已经认识到了冶金污染的严重性,并开始致力于解决其“渣害”问题,经过30年的不断研究和努力,在1970年左右,钢渣实现了生产和使用上的平衡,并且在工业以及建筑方面的使用广泛。美国利用钢渣的途径也不断增多,一方面,钢铁公司对钢渣进行循环使用、利用钢渣代替做溶剂以及返回高炉等方式达到钢渣二次利用的目的,另一方面,钢渣也被投入到筑路工程之中,在美国,有8条主要铁路主要使用了钢渣做铁路道渣,其钢渣使用率达到了98%。而欧盟国家的钢渣利用率也在94%以上,2010年由于金融危机影响降低到90%。譬如德国,起钢渣利用率亦在98%以上,大致有三层用于烧结和高炉再利用,有一半的钢渣用于土建,近两层用于农肥。日本的钢渣利用率1996年已经超过95%,现在几乎可以达到100%利用,其钢渣的利用方式主要有筑路、水泥熟料和农肥及利用钢渣中石灰成分来改善封闭性海域的海底水质和底质。

  1.2.2 国内研究应用现状

  在冶金矿渣的利用上,相比其他国家,我国起步比较晚,当前对于高炉矿渣的利用率达到了90%至95%,而钢渣的利用率却只有35%。

  高炉矿渣由多种化学成分构成,主要包括氧化钙、二氧化硅、氧化铝以及氧化镁等。在混凝土制品、矿渣水泥以及矿渣砖等方面,高炉矿渣都有应用,还可以用来代替普通砂以及碎石,除此之外,也可以用来生产矿渣棉,矿渣棉主要是作为工程建设上的保温隔音材料。

  传统的水淬工业处理法是高炉矿渣的主要处理方法,延续使用至今。在高温熔融状态下,高炉矿渣经过用水急速冷却而成为粒化泡沫形状,乳白色,其质轻而松脆、多孔、易磨成细粉。水渣的脱水方式有如下几种:转鼓脱水法、渣池过滤法、脱水槽法等。通常利用冷却、破碎以及磁选和筛分等步骤对高炉重矿渣进行处理,最后将其加工处理为碎石。

  一般根据冶炼方式、碱度以及形式状态不同对钢渣进行分类。根据冶炼方式的不同,钢渣可以分成电炉钢渣、平炉钢渣以及炉钢渣三种。根据氧化还原反应的进行程度,电炉钢渣可以分为还原渣和氧化渣两种。平炉钢渣可以分为四种,分别是浇钢余渣、出钢渣以及精炼渣和初期渣。将钢渣主要成分中的碱、酸性氧化物含量进行比较所得的数值就是其碱度,通常用M来比较。低碱度钢渣的碱度小于1.8,而碱度1.8至2.5的钢渣为中碱度钢渣,碱度大于2.5的就是高碱度钢渣。处理钢渣时,钢渣的形式状态会因为使用的方法和工艺不同而有所区别,依据钢渣的形式状态不同,可将其分成块状钢渣、粉状钢渣以及水淬粒状钢渣三种。

  当代,我国和其他国家采用的钢渣处理技术包括热泼技术和粉化技术、水淬技术以及热闷技术等。

  通过更加深层次的加工制造就可以把钢渣处理成能在建设施工中进行使用的达标建材。机械破碎方法、筛分方法以及利用磁铁选择的方法是目前中国以及其他国家最常使用的技术方法。钢渣的处理技术主要是自磨机处理技术以及干破碎处理技术。在钢渣的筛分时筛出的较大钢块,使用传送带运输到自磨机里,利用不同钢渣放在一起产生的削磨、刮擦力量,从而使得大块钢渣变成小块钢渣的处理技术就叫做自磨机处理技术。不同大小的钢渣通过不同的分离孔分离出来,并且进行磁选。自磨机技术的生产比较平稳,且回收效率较高,处理之后的金属所含渣量很少,其中铁元素的含量在百分之六十到八十之间,而且还可以采用不同大小的排量孔来把控钢渣产物的大小[18]-[20]。氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化锰、二氧化硫、三氧化二铝以及五氧化二磷和游离氧化钙都是钢渣的重要构成部分,甚至有的还具有五氧化二钒和二氧化钛。每一种化学成分的含有量根据熔炉的型号和钢材材质的不同而存在差异。

  每种炉型生产出来的钢渣化学成分具有其各自的特点。我国的钢铁冶炼厂中的转炉钢渣几乎都是含有2CaO•SiO2、3CaO·SiO2的钢渣。在碱性比较低时,CaO•RO•SiO2 和3CaO•RO•2SiO2以及RO相是普遍会产生的钢渣产物。在碱性比较高时,2CaO•SiO2和3CaO•SiO2是普遍会产生的钢渣产物。平炉最初产生的渣滓含有的CaO•RO•SiO2 和3CaO•RO•2SiO2以及RO相。在精炼的渣滓和出钢渣滓以及浇钢余下的渣滓中不光含有2CaO•SiO2、3CaO·SiO2以及RO相,还含有2CaO•Fe2O3和CaO•Fe2O3以及7CaO•P2O5•2SiO2等化学成分,也有的会出现黄长石和镁铝氧化物组成的矿物。

  利用电炉氧化形成的渣滓中含有α–2CaO•SiO2和β–2CaO•SiO2和以FeO、MgO为主及MnO等其他二价的金属氧化物形成的广泛固溶体、蔷薇辉石等化学成分。除此之外,也会产生化学原料里的CaAl2(SiO3)4或者钙铬镁矿。在炼钢还原期,当渣中氧位极低时形成的会使金属相脱氧的熔渣中含有的化学成分为CaO•Al2O3和α–2CaO•SiO2和β–2CaO•SiO2和氧化镁等,同时也含有很少的3CaO·3Al2O3·CaF2和CaC2。

  含有不同化学组成的钢渣具有不同的功能。到现在,人类已经研究出了许多对于钢渣综合使用的办法,以冶金产业、建材行业和农业行业为主。

  钢渣在冶金方面具有多种用途,既可以是高炉溶剂,也可以是化铁炉溶剂,还能作为炼钢返回渣。如果使用钢渣做为原料来冶炼金属时,需要关注磷产生的聚集对冶金的干扰,应该严格控制不同成分的比例,利用开路使用的办法,同时不能使用磷含量比较多的钢渣来冶金。

  钢渣可以当成烧结熔剂使用。烧结矿最好搭配二十分之一到十分之一粒度比八毫米小的钢渣使用,这样既可以对钢渣中的钢粒进行二次使用,也能够对钢渣里的氧化钙、氧化镁以及氧化锰等有利化学组成进行使用。钢渣变软熔化所需要的温度不高,而且物相的存在比较平均,有利于形成烧结矿液相,从而增加粘结相并且其存在也很平均,同时又减少2CaO•SiO2的相变,把粉化率变得很低,对于烧结矿来说,实现了其质量以及产量的质的飞跃。把利用钢渣的烧结矿与高炉生产进行结合,因为烧结矿搭配了钢渣,其强度上升了一个层次,钢渣粒度成分构成也产生了有利变化,即使铁的纯度有所下降,产生的渣滓变得比之前多,如果高炉的使用正确,也是能够增加产量和减少焦比的。钢渣也可以当做高炉熔剂来使用。用来作为碳酸钙替代品的是直径在8到30毫米之间通过热泼处理工艺得到的钢渣碎石等下脚料,通过提取废渣中含有的石灰石以及白云石等物质可以极大地减少能源的消耗并且使反应更加充分,大大提高了出产铁水的效率。但这也不是完全没有缺点的工艺,该类工艺的不足之处也是显而易见的,因为钢渣具有很容易在这种环境下粉化,而且颗粒的直径也极其不易控制。所以在有些高炉中,比如高碱度或者溶剂性的烧结矿上基本不被采用,显示了该类工艺的局限性。

  钢渣作为替代品,在化铁炉中其特性不受温度、酸碱度等外界因素变化的影响,这个优势使得部分机械铸件厂和钢铁厂用钢渣作化铁炉溶剂。炼钢时作为返回渣,在一吨的原料中加入二十五千克的钢渣进行生产的效果最好,不仅能够减少对转炉炉衬的磨损,还能极大的提高耐火材料的使用效率。

  钢渣由于他的特性稳定,是建筑行业常用的建筑材料,由于钢渣中的氧化钙含量低所以对于作为溶剂来说意义不大,但是由于钢渣经过了在熔炉中的一系列反应已经含有了硅酸盐等成分,这些成分都是生产水泥以及水泥混合产品的原料,而且在物理上的性能极其稳定,超越了我们一般建筑用的碎石的力学稳定性,是建筑过程中优良的材料。但需要注意的是在修筑路基等需要稳定性极好材料的部位,要对钢渣进行处理来去除钢渣内的游离状态的氧化钙成分,使钢渣性能更加稳定,也就是一般所说的纯钢渣,科学的配料比为石灰混合料:钢渣:粉煤灰=8:72:20。对于钢渣的要求是直径不能超过5cm,而且压碎值小于35%为宜,在建筑成型的路基上采用洒水进行潮湿养生的办法,周期应该维持在一周及以上。

  铁路道渣之前一直是以碎石作为主材料,但随着钢渣产量的增多,正被广泛加以利用,除了跟碎石块共有的稳定性、持久性、以及耐腐蚀的特点外,还不会干扰到正常的铁路方面的电讯工作,用钢渣铺过的地方也不生长杂草,铁路更稳定火车运行更加安全。

  钢渣矿渣水泥的制作工艺是在钢渣中加入颗粒的高炉矿渣和一定量的灰膏进行工业打磨,磨细后整个流程完工。具体的含量钢渣应为三分之一左右始终,为了某些方面的性能更加完善也可以加入五分之一的硅酸盐水泥。对于所制得的水泥是否合格,一般用以下几个指标进行衡量,碱度要高于1.8,还要控制游离氧化钙的含量不应高于0.05,在制造水泥过程中使用的耐火材料以及产生的工业废品不应掺杂其中。钢渣矿渣水泥分为少熟料和无熟料两种,这两种性能不同用途也不同,由于少熟料钢渣矿渣水泥的强度很高,所以在水利工程的项目中常被使用,这充分利用了它的抗渗、水化热低的特性,而无熟料的钢渣矿渣水泥使用后期的强度就会变低,因而应用在农田水利、墙体材料方面。

  钢渣砖也是常用的建筑材料,其制作流程为在钢渣中掺杂粉煤灰和适量的石灰加水后充分搅拌使之均匀,然后依次经过碾压,压制成砖块形状、进行自然养护最终成型。

  钢渣最为回填材料,不管是工业上还是其他领域都是很好的选择,具有很强的承载能力而且回填后的效果很好。用于回填材料时应该注意直径控制在20cm到30cm最为合适。

  土壤显现的酸性一般使用呈碱性的CaO进行中和。钢渣中具有丰富的磷、硅和钙元素,在适宜的条件下会对植物具有明显的促进效果。在不使用萤石造渣的前提下,通过中、高磷铁水炼钢所获得的初次回收液虽然含有磷渣,但经过破碎一磁选一再破碎的方法,就能使磷渣转化为我们想要的磷肥。其中的P2O5在枸溶性性质的影响下,通过加入2%柠檬酸或柠檬酸的铵溶液进行溶解,形成的基肥具有每亩50~200kg的效力。

  从煤燃烧后所形成的烟中过滤的微小固体颗粒就是粉煤灰。其主要来源是燃煤发电厂。它主要是由SiO2、Al2O3和少量的含铁氧合物以及其它微量的钙镁化合物组成。SiO2和Al2O3所占的含量比重可高达60%。粉煤灰作为混合材和掺合料,最开始在水泥、砂浆、混凝土中应用,然后在建材制品、筑路等领域也不断地发展应用,随着社会的发展,生产技术的提高,利用率在不断上升。粉煤灰在水泥及混凝土中应用较多,因为它是一种烧黏除了能代替部分黏土作为烧制水泥的原料,同时还具备作为水泥混合材的条件。快硬、大坝和无熟料水泥等特种水泥也可以用粉煤灰制作。粉煤灰可以生产的建材制品有粉煤灰烧结砖、蒸压或者蒸养粉煤灰砖、加气混凝土、粉煤灰硅酸盐砌块。在道路铺设中,也有粉煤灰的用武之地,并且这是一种可使用的重要应用途径。部分传统筑路材料被粉煤灰替代,广泛被应用在路面、基层、填筑路堤及结构回填中。粉煤灰在农业中使用可以改善土壤、生产复合肥。粉煤灰还在污水处理、烟气脱硫、噪声防治等环境保护方面有应用。

  粉煤灰炉底渣主要化学成分是二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等。粉煤灰炉底渣是煤燃烧过后的产生的剩余废渣。根据成分的不同,活性不同,在制造水泥、砖和耐火材料中常常被应用。由于稀有金属镓、锗等含在其中,可以进行提炼这些贵还可用于氧化铝的制取。

  镍铁合金渣的成份不可一概而论,不同的冶炼方法和镍来源使得成分也并不相同。主要化学成分是SiO2和Fe2O3。镍冶炼厂和不锈钢冶炼厂把镍渣作为工业废渣排放出来,最终形成的粒化炉渣是把熔融态的镍铁渣进行水淬急冷得到的。这种镍铁合金渣具有一定的活性。

  镍渣近阶段在井下填充、实体建筑和回收利用金属方面应用颇丰。在建筑上主要用来制作混凝土、水泥以及建筑砌块等建筑材料。对于金属的回收处理,主要是通过酸溶解的方法进行的,但大量的酸处理却极为不便,这是回收过程中产生的新问题。使用镍渣作为井下充填材料、建筑材料与金属回收方式相比,是比较环保的使用方法。

  1.3 研究目的及内容

  本课题的目的是将冶金渣应用于可大量消纳废物的建材领域,以解决其综合利用的难题。本项目属于废物再利用课题,可解决大量冶金渣的出路。将各类冶金渣作为主要原料开发新型建材,突出了冶金渣的资源综合利用,实现真正意义上的资源再生、变废为宝。这既解决了长期以来废渣的排放与处理问题,又可以节约有效资源,减少水泥的使用,开发适合现代建筑发展的新型建材产品符合国家循环经济利用政策。

  该项目旨在充分利用冶金渣的潜在活性作为各类特性水泥混凝土凝材料的主要辅助、调准、补充掺合料,此外,冶金渣中比重较轻的矿渣,可以作为混凝土材料的轻质骨料,降低混凝土制品的自身重量。

  主要研究内容如下:

  (1)通过技术调研确定了研究的基础方向,进行了各类冶金渣(钢渣、粉煤灰、低活性矿渣、镍铁合金渣和粉煤灰炉底渣等工业固废)的基础性能选择研究,初步判定项目技术上的可行性;

  (2)研究冶金渣对混凝土砌块性能的影响,确定使用冶金渣的混凝土配合比;

  (3)冶金渣在混凝土空心隔墙板中的应用研究。

  2 冶金渣的性能研究

  2.1 钢渣

  该项目选取的两种钢渣粉为上海中冶环境工程科技有限公司产品,按不同处理工艺,分为1#渣、2#渣。对其化学组成进行分析,如表2.1所示,其细度和活性指标如表2.2所示。

  表2.1 钢渣化学全分析 %

  SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOf.CaOMFeFeOSP1#渣10.26 10.11 2.70 43.69 10.37 5.61 7.30 11.45 0.051 0.69 2#渣8.44 9.86 1.88 41.68 8.61 8.79 3.82 14.42 0.035 0.70  表2.2钢渣粉的技术指标

  指标比表面积/m2/kg45um筛筛余/ %安定性/mm活性/ %7d28d1#渣486.31.11.265.374.32#渣456.71.11.265.373.0从表2.1,2.2中,我们可以看出1#渣粉和2#渣粉的化学组成相差不大,在粉磨过程中,经过除铁已经去除了原料中大部分的铁。钢渣粉的化学组成中CaO、SiO2含量较高。尽管在1#渣中含有明显例如f-CaO的有害物质,但采取合适的方法如研磨可以使害处降到最低,从而影响降到最小。

  2.2 粉煤灰炉底渣

  粉煤灰炉底渣为华能上海石洞口第二发电厂产品,比重1.90g/cm3,作为混凝土空心隔墙板轻质骨料,如图2.1所示。经过研究,粉煤灰炉底渣的化学组成和粒径分布如表2.3和表2.4所示。

  表2.3 粉煤灰炉底渣主要要化学成分 %

  SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOFeOMFeSPf.CaO56.256.3216.218.561.452.010.450.160.080.00表2.4 粉煤炉底渣粒径分布

  粒径/mm>15-103-50.5-3<0.5含量/%5.967.6413.9820.4252.00

  图2.1 粉煤灰炉底渣 图2.2 镍铁合金渣

  2.3 镍铁合金渣

  镍铁合金渣取自福建德胜钢铁公司,它的比重约为2.92g/cm3,纤维是其微观状态的主要结构,如图2.2所示。通过研究所得,合金渣可以用于混凝土隔墙板的骨料,这可以有效的增加其强度,防止其有干裂和脱落的现象产生。当比表面积为425 m2/kg时,其7d和28d活性指数分别为68%和69%,其化学组成和粒径分布如表2.5和表2.6所示。

  表2.5 镍铁合金渣主要要化学成分 %

  SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOFeOMFeSPf.CaO48.920.101.6618.6819.096.060.570.0160.050.00表2.6 镍铁合金渣粒径分布

  粒径/mm>10mm5-10mm3-5mm0.5-3mm<0.5mm含量/%0.677.1819.5567.355.252.4 低活性水渣

  低活性水渣取自山东沾化炜烨镍业有限公司,比重2.28 g/cm3,比表面积402 m2/kg,7d和28d活性指数均为65%,如图2.3所示。由于活性较低,因此用其作为混凝土空心隔墙板和饰面砂浆的轻质骨料进行使用。其化学组成和粒径分布如表2.7和表2.8所示。

  表2.7 低活性水渣主要要化学组成 %

  SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOFeOMFeSPf.CaO32.803.0611.3936.778.560.780.430.550.010.00 表2.8 低活性水渣粒径分布 %

  粒径/mm>105-103-50.5-3<0.5含量/%00.8114.5969.2515.35

  图2.3 低活性水渣

  2.5 干渣

  干渣渣取自贵州六盘水钢铁(简称贵州干渣),比重2.90 g/cm3,比表面积426 m2/kg,7d和28d活性指数分别为62%和63%,如图2.4所示。大颗粒中充满众多小孔,其可以用来作为轻骨料在隔墙板进行使用,可以增加强度。其化学组成和粒径分布如表2.9和表2.10所示。

  表2.9 贵州干渣主要要化学成分 %

  SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOFeOMFeSPf.CaO39.450.316.5336.5612.020.580.780.440.010.00 表2.10 贵州干渣粒径分布 %

  粒径/mm>10mm5-10mm3-5mm0.5-3mm<0.5mm含量/%1.4323.0024.2031.6919.68

  图2.4 干渣

  2.6 本章小结

  经过研究,钢渣、粉煤灰炉底渣、镍铁合金渣、低活性水渣和干渣作为建筑材料的原料使用在技术上具有可行性。

  3冶金渣对混凝土力学性能的影响

  以不同掺量的冶金渣为骨料,水泥(或钢渣粉)为胶凝材制备胶砂试块,测试其7天抗折强度;制备100 mm×100 mm×100 mm的混凝土砌块,测试其28天抗压强度和28天烘干后的重量。水泥为42.5级普通硅酸盐水泥,购南方水泥公司生产。水是自来水。

  3.1 镍铁合金渣对混凝土力学性能的影响

  目前,市场上生产混凝土空心隔墙板主要以粉煤灰炉底渣轻质骨料。为处理消化镍铁合金渣,以镍铁合金渣复掺粉煤灰炉底渣为骨料制备混凝土试块。试验结果如表3.1所示。

  表3.1 镍铁合金渣对混凝土力学性能的影响

  编号水泥粉煤灰炉底渣镍铁合金渣7天抗折强度/MPa28天抗压强度/MPa28天烘干后重量/kg120%80%01.43.51.484220%080%2.78.92.046320%60%20%2.05.41.574420%50%30%2.15.51.613520%40%40%2.96.21.715620%30%50%3.07.11.763从表3.1中可以看出,以水泥为胶凝材,且保持掺量不变,然后改变粉煤灰炉底渣和镍铁合金渣的掺量,其结果是:随着镍铁合金渣的掺量增加,混凝土砌块的抗压、抗折强度和重量均逐渐增加。这是由于镍铁合金渣(2.92g/m3)比重较粉煤灰炉底渣(1.90g/m3)大,所以造成砌块的重量随镍铁渣掺量增加而增大;另一方面镍铁渣的颗粒强度也较粉煤灰渣的高,并且破碎后的镍铁渣为玻璃纤维状,因此造成砌块的强度随着镍铁渣掺量增加也增大。但是由于混凝土空心隔墙板是用作轻质隔墙条板,对重量有严格的要求,因此镍铁渣在混凝土空心隔墙板中的掺量不宜过大。

  3.2 钢渣粉对混凝土力学性能的影响

  钢渣粉由于具有潜在活性,因此在混凝土水泥行业常将其作为水泥掺和料替代部分水泥熟料。同样在混凝土空心隔墙板行业,本项目也尝试利用部分钢渣粉替代部分水泥,降低生产成本。以不同掺量的钢渣粉(比表面积400 m2/kg左右)替代部分水泥,且保持骨料的掺量不变,制备胶砂试块然后检测其重量抗压和抗折强度,结果如表3.2所示。

  表3.2 不同掺量的钢渣粉对混凝土力学性能的影响

  编号水泥钢渣粉粉煤灰炉底渣水灰比抗压强度/MPa抗折强度/MPa重量/kg7天28天7天28天120%080%0.44.68.41.32.30.390218%2%80%0.44.18.11.22.30.391316%4%80%0.43.57.71.02.20.395414%6%80%0.43.06.70.81.70.393512%8%80%0.42.35.40.71.50.396从表3.2中可以看出,以粉煤灰炉底渣为骨料且保持掺量不变,改变钢渣粉和水泥的掺量,其结果是:随着钢渣粉的掺量增加,砌块的抗压强度和抗折强均降低,重量则变化不是十分明显。这是由于钢渣粉作为胶凝材的活性较水泥熟料的低(30%活性仅为70%左右),因此砌块强度降低,由于钢渣粉的掺量很小,所以砌块的重量变化不大。由于混凝土空心隔墙板做为非承重隔墙使用,对强度要求不是很高,因此在混凝土空心隔墙板中可以掺入一定量的钢渣粉替代部分水泥掺量,降低生产成本。

  3.3 钢渣粉复掺镍铁合金渣对混凝土力学性能的影响

  根据混凝土空心隔墙板的标准要求,结合钢渣粉和镍铁渣对混凝土空心隔墙板的不同影响。本项目利用钢渣粉复掺镍铁合金渣制备胶砂试块然后检测其重量、抗压和抗折强度,结果如表3.3所示。

  表3.3 不同掺量的镍铁渣对混凝土力学性能的影响

  编号水泥钢渣粉粉煤灰炉底渣镍铁渣水灰比抗压强度/MPa抗折强度/MPa重量/kg7天28天7天28天116%4%80%00.43.57.70.82.20.390216%4%50%30%0.46.410.21.52.40.448316%4%40%40%0.47.211.81.62.60.484 从表3.3中可以看出,钢渣粉同样掺入4%,镍铁渣增加掺量,砌块的重量和强度均增加。

  3.4 本章小结

  通过研究得出如下结论:

  (1)复掺粉煤灰炉底渣和镍铁合金渣时,随着镍铁合金渣掺量的增加,混凝土砌块的抗压、抗折强度和重量均逐渐增加。

  (2)随着钢渣粉在胶凝材料中占的比例增加,混凝土砌块的抗压强度和抗折强均降低,重量则变化不是十分明显。

  (3)复掺粉煤灰炉底渣、镍铁合金渣和钢渣时,随着镍铁合金渣掺量的增加,混凝土砌块的抗压、抗折强度和重量均逐渐增加。

  4 冶金渣对空心隔墙板性能的影响

  在上海新宇墙体材料有限公司利用螺旋挤压成型工艺制备不同配比的冶金渣混凝土空心隔墙板,然后参照GB/T23449-2009《灰渣混凝土空心隔墙板》国家标准检测其强度和重量两个重要指标。

  试验设备主要有S1500搅拌机,购自山东联创机械有限公司;TYJ型挤压成型机,购自山东天意机械股份有限公司;运料车,与挤压成型机为配套设备,购自山东天意机械股份有限公司。

  4.1 复掺冶金渣对空心隔墙板性能的影响

  空心隔墙板的主要原料为水泥、钢渣粉、粉煤灰炉底渣以及镍铁合金渣。以厘米为单位,制作的墙板尺寸,长宽高分别为800厘米,60厘米,12厘米。以技术规范GB/T23449-2009 《灰渣混凝土空心隔墙板》的说明,应达到板面密度140 kg/m2,以此计算,每组试验原料重量为700 kg。试验结果如表4.1所示, 冶金渣混凝土空心隔墙板制备过程如图4.1所示,扫描电镜照片如图4.2所示。

  表4.1 不同掺量的镍铁渣空心隔墙板试验结果

  序号水泥钢渣粉粉煤灰炉底渣镍铁渣抗压强度/MPa面密度/kg/m2标准要求实测值标准要求实测值120%056%24%58.5≤140129220%040%40%59.0≤140133320%024%56%59.9≤140158416%4%40%40%58.7≤140138514%6%40%40%58.3≤140136612%8%40%40%58.0≤140137

  a 搅拌接料 b 螺旋挤压成型

  c 洒水养护 d 加工完毕自然养护

  图4.1 冶金渣混凝土空心隔墙板制备过程

  图4.2 镍铁渣混凝土空心隔墙板SEM照片

  不同配比的镍铁渣混凝土空心隔墙板如图4.3所示。首先,在新宇空心隔墙板的配方基础上(水泥﹕粉煤灰炉底渣=2﹕8),在保持水泥掺量不变的情况下,通过加入镍铁渣代替部分粉煤灰炉底渣制作冶金渣空心隔墙板。结果显示:镍铁渣的加入,使得原本空心隔墙板的抗压强度和面密度大大增加。在抗压强度上,镍铁渣加入的越多,抗压强度越高。这是由于纤维状的结构决定的,因而可以起到增强作用。其次,面密度也是随着镍铁渣加入的增多而增大。镍铁渣具有较高的比重,因而可以代替部分粉煤灰炉底渣的作用,但要注意的是加入量要小于粉煤灰炉底渣的一半。

  在添加过程中,要注意合金渣和粉煤灰炉底渣的总量及比例不变,这种情况下,去掉部分水泥,用钢渣粉来填补。在进行空心隔墙板的制作过程中,当钢渣粉的含量增加时,空心隔墙板的抗压性能减弱,但面密度的变化程度却不明显。这主要是钢渣粉活性较低所造成的。代替部分水泥却十分具有可操作性。但是钢渣粉具有强度不高缺点,掺量不宜过大。

  图4.3 不同配比的镍铁渣混凝土空心隔墙板

  镍铁渣呈碱性,尤其是独自应用在建材骨料方面,存在“泛霜”现象,这大大降低了使用效果。但可以通过加入适当的粉煤灰炉底渣进行酸碱中和,从而达到避免“泛霜”的效果。

  4.2 沾化水渣对空心隔墙板性能的影响

  山东沾化水渣由于其活性不高,不宜磨粉作为水泥的掺和料,因此其经济附加值较低,利用率不高造成大量堆积。经过本项目研究发现,沾化水渣的比重很轻为2.2g/cm3左右,同粉煤灰炉底渣的比重(1.9g/cm3)相近,因此尝试将其作为混凝土空心隔墙板的轻骨料进行利用。表4.2是委托新宇制作的沾化水渣混凝土空心隔墙板试验数据。

  表4.2 不同掺量的沾化水渣空心隔墙板试验结果

  序号水泥粉煤灰炉底渣沾化水渣抗压强度/MPa面密度/kg/m2标准要求实测值标准要求实测值120%80%057.5≤140110220%50%30%57.7≤140118320%40%40%57.9≤140126420%30%50%58.7≤140134520%20%60%59.0≤140143从表中可以看出,保持水泥掺量不变,当沾化水渣增加时,空心隔墙板的面密度以及抗压强度也随之加大。这个特点与镍铁渣极为相似。因而也只要保持粉煤灰炉底渣含量的50%即可满足要求。

  4.3 干渣对空心隔墙板性能的影响

  贵州干渣由于其活性不高,不宜磨粉作为水泥的掺和料,因此其经济附加值较低,利用率不高造成大量堆积。本项目委托新宇利用贵州干渣制备混凝土空心隔墙板,试验结果如表4.3所示。

  表4.3 不同掺量的贵州干渣空心隔墙板试验结果

  编号水泥粉煤灰炉底渣贵州干渣抗压强度/MPa面密度/kg/m2标准要求实测值标准要求实测值120%80%057.5≤140110220%50%30%59.7≤140129320%40%40%511.0≤140138420%30%50%513.4≤140146520%20%60%515.8≤140161从表4.3中可以看出保持水泥掺量不变,贵州干渣的含量也决定了抗压强度和面密度。依据实验数据分析,当贵州干渣增加时,空心隔墙板的面密度以及抗压强度也随之加大。贵州干渣具有代替部分粉煤灰炉底渣的效果,但含量只可达到40%。

  贵州干渣分级配结果检测比重如表4.4所示。经过本项目研究发现,沾化水渣的比重为2.9 g/cm3左右,虽然较粉煤灰炉底渣的比重(1.9 g/cm3)大,但是经过筛分之后贵州干渣大颗粒比重较轻,这是由于干渣的大颗粒中孔洞较多。因此可以对干渣再利用之前先做筛分处理,然后再作为混凝土空心隔墙板的轻骨料进行利用,这样有助于提高干渣的掺量。委托新宇利用粒径为3-10mm的贵州干渣制作混凝土空心隔墙板试验数据如表4.5所示。

  表4.4 贵州干渣分级配结果检测比重

  名称级配比重g/cm3贵州干渣0-1mm2.961-3mm2.663-5mm2.485-10mm2.430-40mm2.92表4.5 贵州干渣分级配(3-10mm)制备混凝土空心隔墙板试验数据

  编号水泥粉煤灰炉底渣贵州干渣抗压强度MPa面密度kg/m2标准要求实测值标准要求实测值120%80%057.5≤140110220%40%40%58.6≤140124320%30%50%59.0≤140132420%20%60%59.5≤140141从表4.5中可以看出持水泥掺量不变,随着粒径为3-10mm的贵州干渣掺量增加,混凝土空心隔墙板的抗压强度和面密度均增加。但是明显比掺入同样数量的0-40mm的干渣混凝土空心隔墙板的强度和面密度要低。因此根据标准要求,经过筛分后利用的贵州干渣制备混凝土空心隔墙板,可以提高贵州干渣的掺入量,掺量可达50%。

  4.4 本章小结

  (1)随镍铁渣的掺入量增加,使得冶金渣空心隔墙板的抗压强度和面密度均有所增强。但在合金渣与粉煤灰炉底渣的总量与配比保持不变的情况下,随着钢渣粉的掺量增加,空心隔墙板的抗压强度降低,面密度变化不明显。

  (2)在保持水泥掺量不变的前提下,冶金渣空心隔墙板的抗压强度和面密度,随着沾化水渣掺入量的增加均有增强。

  (3)在保持水泥掺量不变的前提下,冶金渣空心隔墙板的抗压强度和面密度,随着贵州干渣掺入量的增加均有增强。

  5 结论和展望

  5.1 主要结论

  通过研究,得出的主要结论如下:

  (1)本项目充分利用冶金渣的潜在活性作为混凝土凝的掺合料,此外,利用冶金渣中比重较轻的矿渣,可以作为混凝土材料的轻质骨料,降低混凝土制品的自身重量。

  (2)复掺粉煤灰炉底渣和镍铁合金渣时,随着镍铁合金渣掺量的增加,混凝土砌块的抗压、抗折强度和重量均逐渐增加。随着钢渣粉在胶凝材料中占的比例增加,混凝土砌块的抗压强度和抗折强均降低,重量则变化不是十分明显。复掺粉煤灰炉底渣、镍铁合金渣和钢渣时,随着镍铁合金渣掺量的增加,混凝土砌块的抗压、抗折强度和重量均逐渐增加。

  (3)随镍铁渣的掺入量增加,使得冶金渣空心隔墙板的抗压强度和面密度均有所增强。在合金渣与粉煤灰炉底渣的总量与配比保持不变的情况下,随着钢渣粉的掺入量增加,空心隔墙板的抗压强度降低,面密度变化不明显。在水泥掺量不变的情况下,冶金渣空心隔墙板的抗压强度和面密度随着沾化水渣和贵州干渣掺入量的增加而增强。在水泥掺量不变的情况下,冶金渣空心隔墙板的抗压强度和面密度随着贵州干渣掺入量的增加而增强。

  (4)部分水泥可以被钢渣粉替代,因为其作为一种胶凝材料,具有更强大的活性,从而大大削减成本。镍铁渣、低活性水渣、干渣分别复掺粉煤灰炉底渣可以作为轻质骨料制备混凝土空心隔墙板,其中镍铁渣掺量达40%,低活性水渣掺量达50%,经过筛分后利用的粒径为3-10mm贵州干渣掺入量达50%。

  5.2 展望及进一步研究的建议

  国家新型建筑材料工业“十二五”发展规划明确:鼓励发展节能环保、适合区域特点的新型建筑材料及制品;鼓励综合利用煤矸石、钢、铁渣、副产石膏等固体废弃物,扩大资源综合利用范围和利用量。根据各地公开的保障房建设计划初步测算,未来5年,全国保障性安居工程规模约为3000万套。作为住宅产业化实施的重点房地产—保障房建设数量正处于增长时期。中国城镇化将保持10年左右的高速发展期,工程建设与房地产领域仍是拉动中国经济增长的发动机。

  伴随着资源的日益稀缺和住宅产业化加快推进,传统的高能耗、高污染、高成本产品如水泥空心砌块、瓷砖、大理石等更多的将被低能耗、环保型、原生态的绿色产品、节能建筑所替代,这为冶金渣轻质混凝土空心隔墙板提供了良好的市场平台。冶金渣轻质混凝土空心隔墙板技术伴随着住宅产业化技术的发展产业化前景广阔。

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