摘要
针对钢铁行业固体废弃物存量大、资源化利用率低的迫切问题，以钢渣、铁尾矿、尾矿废石等钢铁固废为主要研究对象，研究了钢渣-铁尾矿-矿渣-脱硫石膏基复合胶凝材料制备及水化机理，在此基础上开发了适用于土木工程用全固废绿色低碳混凝土，克服了现有的固废基混凝土早期强度偏低的问题。具体开展了以下工作：首先，采用机械-化学耦合活化的方式对铁尾矿和钢渣进行活化，研究了两者的粉磨特性和活性；其次，在原料耦合活化的基础上，采用正交试验、梯级粉磨方法，研究了钢渣-铁尾矿-矿渣-脱硫石膏基复合胶凝材料制备及性能，并通过水化热分析、XRD（X射线衍射）、SEM（扫描电镜）等测试方法揭示复合胶凝材料的水化硬化机理；最后，利用钢渣-铁尾矿-矿渣-脱硫石膏基复合胶凝材料、铁尾矿细骨料、铁尾矿废石粗骨料制备了全固废绿色低碳混凝土，并研究了全固废绿色低碳混凝土的综合性能。得出了以下结论： （1）通过原材料的粉磨特性及活化研究得出：筛分后粒径小于0.15mm的铁尾矿经60min机械粉磨其细度达到525m2/kg，28天活性指数达到86.4%；破碎后粒径小于7mm的钢渣经45min机械粉磨其细度达到455m2/kg，28天活性指数达到77.3%，两者均可用于活性混合材。铁尾矿的细度模数为2.55，属中砂范围，其粒径63.44%分布于0.30~1.18mm区间；铁尾矿废石级配属于连续级配，粒径63.54%废石在16~26.5mm区间。 （2）通过单因素及正交实验得出钢渣-铁尾矿-矿渣-脱硫石膏基复合胶凝材料最优配比为：钢渣和铁尾矿质量比2:3，钢渣和铁尾矿总掺量36%，矿渣掺量51.5%，脱硫石膏掺量12.5%，Na2SO4和Na2SiO3·9H2O掺量分别占胶凝材料总量的1.2%，胶砂比1:3，水胶比0.58；采用梯级粉磨对钢渣、铁尾矿、矿渣和脱硫石膏进行三级粉磨，组合时间为22+30+40min时，所得的复合胶凝材料较单独粉磨-混合得到的胶凝材料28d抗压强度提高7.8%，胶砂试件28d抗折强度和抗压强度分别达到7.8MPa和38.5MPa。复合胶凝材料的标准稠度用水量为34.7%、初凝时间为168min，终凝时间为345min，安定性合格。 （3）通过XRD、SEM及水化热分析等测试方法对钢渣-铁尾矿-矿渣-脱硫石膏基复合胶凝材料的水化机理进行研究发现，采用梯级粉磨优化制备的胶凝材料其水化程度大于单独粉磨-混合制备的胶凝材料；随着养护龄期的增长，钢渣-铁尾矿-矿渣-脱硫石膏基复合胶凝材料体系的水化产物主要是C-S-H凝胶、钙矾石（AFt）和少量堇青石，硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）的含量在降低，而体系内含有未参与反应的矿物被残留。水化产物与未参与反应的惰性矿物相互交织在一起共同形成致密的团聚物，提高了胶凝体系的强度。 （4）所制备的全固废绿色低碳混凝土，复合胶凝材料用量为520kg/m3，铁尾矿用量为726kg/m3，铁尾矿废石用量为1044kg/m3，水胶比为0.3，砂率为41%，Na2SO4用量6.24kg/m3，Na2SiO3·9H2O用量6.24kg/m3，聚羧酸系减水剂用量1.5%（占复合胶凝材料用量），全固废绿色低碳混凝土坍落度为95mm，其3d、7d及28d抗压强度为分别为32MPa、43.6MPa及51.2MPa。
NETL