石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料性能及水化机理

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.10.012

东北大学学报（自然科学版） ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 1459-1468.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2024.10.012

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石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料性能及水化机理

王营¹^,²^,³, 顾晓薇¹^,²^,³(), 王青¹^,²^,³, 胥孝川¹^,²^,³

^1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819
^2.辽宁省固废产业技术创新研究院，辽宁沈阳 110819
^3.东北大学智慧水利与资源环境科技创新中心，辽宁沈阳 110819

收稿日期:2023-05-23 出版日期:2024-10-31 发布日期:2024-12-31
通讯作者: 顾晓薇
作者简介:王营（1995-），男，辽宁北票人，东北大学博士研究生
顾晓薇（1971-），女，辽宁凤城人，东北大学教授，博士生导师.
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52234004);沈阳市科技局计划项目(22-322-3-02)

Properties and Hydration Mechanism of Lime-Based Slag‑Steel Slag Composite Cementitious Materials

Ying WANG¹^,²^,³, Xiao-wei GU¹^,²^,³(), Qing WANG¹^,²^,³, Xiao-chuan XU¹^,²^,³

^1.School of Resources ＆ Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^2.Liaoning Institute of Technological Innovation in Solid Waste Utilization，Shenyang 110819，China
^3.Science and Technology Innovation Center of Smart Water and Resource Environment，Northeastern University，Shenyang 110819，China.

Received:2023-05-23 Online:2024-10-31 Published:2024-12-31
Contact: Xiao-wei GU
About author:GU Xiao-wei，E-mail：guxiaowei@mail.neu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为分析石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料的性能及水化机理，对不同质量分数的钢渣、石灰复合胶凝材料的力学性能和工作性能进行讨论，并通过XRD等检测手段探究复合胶凝材料的水化产物、化学结构以及微观形貌.研究结果表明：石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料中钢渣最佳质量分数为30%，养护28 d抗压强度达到32.3 MPa；复合胶凝材料水化产物主要为C-（A）-S-H凝胶、水化碳铝酸钙、Ca（OH）₂、方解石，其中C-（A）-S-H凝胶相互交错搭接为复合胶凝材料提供主要抗压强度；石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料中钢渣质量分数在20%~30%时不会对胶凝材料中C-（A）-S-H凝胶生成量产生较大影响且可以促进矿渣水化；适量钢渣具有充填效应使复合胶凝材料中微裂缝减少，基体更加致密，提高复合胶凝材料的力学性能.

关键词: 石灰, 矿渣-钢渣复合胶凝材料, 力学性能, 工作性能, 水化机理

Abstract:

To analyze the properties and hydration mechanism of lime?based slag?steel slag composite cementitious materials， discussions are conducted on the mechanical properties and working performance of the composite cementitious materials with different steel slag and lime mass fraction. Furthermore， detection methods such as XRD are employed to explore the hydration mechanism of the composite cementitious materials. The research results indicate that the optimal steel slag content in lime?based slag?steel slag composite cementitious materials is 30%. The compressive strength is 32.3 MPa after 28 d of maintenance. The primary hydration products of the composite cementitious materials are C-（A）-S-H gel， hydrocalumite， Ca（OH）₂， and calcite， among which the interlocking C-（A）-S-H gel provides the primary compressive strength for the composite cementitious materials. When the steel slag content in the composite cementitious materials ranges from 20% to 30%， it does not significantly affect the formation of C-（A）-S-H gel in the cementitious materials and can promote the hydration of slag. An appropriate amount of steel slag exhibits a filling effect， reducing microcracks in the composite cementitious materials， making the matrix more compact， and enhancing the mechanical properties of the composite cementitious materials.

Key words: lime, slag?steel slag composite cementitious material, mechanical property, working performance, hydration mechanism

中图分类号:

TU 526

王营, 顾晓薇, 王青, 胥孝川. 石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料性能及水化机理[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(10): 1459-1468.

Ying WANG, Xiao-wei GU, Qing WANG, Xiao-chuan XU. Properties and Hydration Mechanism of Lime-Based Slag‑Steel Slag Composite Cementitious Materials[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(10): 1459-1468.

图/表 19

表1 材料化学组成成分（质量分数） (%)

Table 1 Chemical composition of the material （mass fraction）

材料	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	CaO
钢渣	13.24	4.35	25.12	3.6	37.35
矿渣	34.50	17.70	1.03	6.01	34.00

图1 原材料XRD谱（a）—矿渣；（b）—钢渣.

Fig.1 XRD spectrum of raw materials

图2 原材料粒径分布

Fig.2 Particle size distribution of raw materials

表2 复合胶凝材料抗压强度实验各种材料配合比 (g)

Table2 Mix ratio of various materials in strength test of composite cementitious materials compressive

组号	石灰	钢渣	矿渣	水
T0	43.2	0	316.8	144
T1	43.2	36	280.8	144
T2	43.2	72	244.8	144
T3	43.2	108	208.8	144
T4	43.2	144	172.8	144
T5	54.0	108	198.0	144
T6	64.8	108	187.2	144

图3 石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料实验流程

Fig.3 Test flow chart of lime?based slag?steel slag composite cementitious material

图4 不同钢渣质量分数的复合胶凝材料抗压强度

Fig.4 Compressive strength of composite cementitious materials with different steel slag mass fractions

图5 不同石灰质量分数的胶凝材料抗压强度

Fig.5 Compressive strength of cementitious materials with different lime mass fractions

图6 钢渣质量分数对复合胶凝材料流动性能的影响

Fig.6 Effect of steel slag mass fraction on fluidity of composite cementitious materials

图7 石灰质量分数对复合胶凝材料流动性能的影响

Fig.7 Effect of lime mass fraction on fluidity of composite cementitious materials

图8 钢渣质量分数对复合胶凝材料凝结时间的影响

Fig.8 Effect of steel slag mass fraction on setting time of composite cementitious materials

图9 石灰质量分数对复合胶凝材料凝结时间的影响

Fig.9 Effect of lime mass fraction on setting time of composite cementitious materials

图10 复合胶凝材料的XRD谱（a）—养护龄期3 d；（b）—养护龄期28 d.

Fig.10 XRD spectra of composite cementitiousmaterials

图11 复合胶凝材料FT-IR光谱（a）—养护龄期3 d；（b）—养护龄期28 d.

Fig.11 FT-IR spectra of composite cementitiousmaterial

图12 不同钢渣质量分数的复合胶凝材料的热分析（a）—无钢渣；（b）—20%钢渣；（c）—40%钢渣.

Fig.12 Thermal analysis of composite cementitiousmaterials with different steel slag mass fraction

图13 不同钢渣质量分数复合胶凝材料的SEM图（a），（b）—无钢渣；（c），（d）—20%钢渣；（e），（f）—40%钢渣.

Fig.13 SEM images of composite cementitious materials with different steel slag mass fraction

图14 石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料中的Ca（OH）2

Fig.14 Ca（OH）2 in lime?based slag?steel slag composite cementitious materials

图15 石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料中C-（A）-S-H凝胶EDS点扫描位置

Fig.15 EDS spot scanning position of C-（A）-S-H gel in lime?based slag?steel slag composite cementitious materials

表3 复合胶凝材料中C-（A）-S-H凝胶主要元素的质量分数 (gel in composite cementitious materials %)

Table3 Mass fraction of main elements of C-（A）-S-H

位置	Ca	Si	Al	Mg	S
1	48.92	7.08	2.14	0.65	0.55
2	39.36	8.68	2.99	1.16	0.67
3	32.81	4.83	6.77	0.91	2.32

图16 石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料水化反应机理slag?steel slag composite cementitious material

Fig.16 Hydration reaction mechanism of lime?based

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石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料性能及水化机理

Properties and Hydration Mechanism of Lime-Based Slag‑Steel Slag Composite Cementitious Materials

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