具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明采用机械激发、碱性激发、盐激发等多种方式系统考察不同激发方式对钢渣材料早期胶凝活性的激发效果，最大程度提高钢渣潜在胶凝活性，提升钢渣在水泥中的掺量，以期提高钢渣的综合利用率，为工业固废资源化利用奠定基础。

本发明提供了一种钢渣替代水泥，包括：

钢渣，其占重量比10％-25％；

碱，其占重量比0.5％-2％，余量为水泥；

其中，所述钢渣的粒径分布为：3.71μm<D₁₀<5.86μm，6.29μm<D₃₀<9.43μm，9.9μm<D₅₀<15.39μm，19.48μm<D₆₀<13.38μm，28.54μm<D₉₀<34.83μm。

进一步地，所述碱可为以下任一：NaOH、KOH、Ca(OH)₂。

进一步地，所述钢渣替代水泥还包括助磨剂，其占重量比为0.1-0.2％，所述助磨剂为三乙醇胺。

进一步地，所述粒径分布中：4.08μm<D₁₀<5.86μm，7.80μm<D₃₀<9.43μm，11.76μm<D₅₀<15.39μm，14.65μm<D₆₀<19.48μm，29.36μm<D₉₀<34.83μm。

本发明提供了一种提高钢渣替代水泥早期活性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

对钢渣进行粉磨，获得所述粒径分布的钢渣，其中，粒径分布为：3.71μm<D₁₀<5.86μm，6.29μm<D₃₀<9.43μm，9.9μm<D₅₀<15.39μm，19.48μm<D₆₀<13.38μm，28.54μm<D₉₀<34.83μm；

将所述粒径分布的钢渣按照第一比例与水泥掺量得到第一混合物；

向所述第一混合物中按第二比例添加碱，得到第二混合物。

进一步地，其中，所述粒径分布的粉磨时间为10-40mins。

进一步地，其中所述粉磨过程中添加助磨剂三乙醇胺。

进一步地，所述第一比例为10％-25％。

进一步地，所述碱为以下任一：NaOH KOH、Ca(OH)₂，其添加比例为0.5％-2.0％。

进一步地，还可以向第一混合物中按第三比例添加芒硝，其添加比例为2.0％-3.5％。

与现有技术相比，

一方面本发明方法通过机械磨粉实验，获悉了解钢渣粒径分布曲线逐渐左移，粉磨40mins后，D₅₀下降72.9％，D₉₀下降85.4％，钢渣中粗颗粒比细颗粒变化幅度更大，细颗粒更难进一步磨细；

另一方面，本发明方法通过试验获悉机械激发对钢渣早期胶凝活性有明显提升作用，磨粉10mins，3d抗压强度可达到19.29MPa，7d抗压强度可达到23.32MPa。综合激发效果、经济成本，磨粉20mins、早强剂掺量为2.0％、钢渣掺量为20％时，性价比最佳；

其次，本发明方法通过试验获悉化学激发在机械激发的基础上能够进一步激发钢渣的潜在胶凝活性，NaOH掺量为1.0％，芒硝掺量为3.0％，钢渣掺量为25％时，激发效果最佳，力学性能最优；

最后，本发明方法通过试验获悉钢渣替代水泥水化产物主要是方解石(CaCO₃)、氢氧钙石(Ca(OH)₂)和硅酸二钙(Ca₂SiO₄)，随着养护龄期的增加，水化产物产状更加粗大且相互交织，形成纤维网状结构，使力学性能进一步增强。

下面结合具体实施例来说明本发明的具体实施方式。

试验原材料：

试验所用材料中钢渣为企业生产的固体废弃物，其中钢渣采自宁夏某钢厂的转炉钢渣(D₅₀＝36.85μm，D₉₀＝195.6μm)，并对钢渣材料进行化学主要成分分析，见表1所示，图1(a)为为钢渣组份XRD图谱，图1(b)为钢渣的粒径分布图；经计算可知，钢渣的碱度系数为2.22，碱度系数大于1，表明该钢渣为碱性钢渣，氢氧化钠(分析纯，上海沃凯生物技术有限公司)，硫酸钠、三乙醇胺和无水乙醇均由国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯级别试剂，水泥采用宁夏赛马水泥有限公司生产的425标号水泥。

表1原材料化学主要成分及含量(质量分数)

试验方法：

基于钢渣早期胶凝活性激发的研究思路，选择机械激发、化学激发方式开展钢渣活性激发，按照水泥胶砂强度检验标准进行试验，试件尺寸40m×40mm×160mm，浇筑成型后置入标准养护箱(温度20℃，湿度95％)养护至3d和7d龄期，测试样品的单轴抗压强度，并选择强度较好的样品进行XRD和SEM测试，分析强度增长机理。

试验结果及讨论：

1)机械激发对钢渣粒径的影响：

利用球磨机将取自宁夏某钢厂的钢渣粉进行粉磨试验，粉磨时间控制为10min、20min、30min和40min，考虑到钢渣不易粉磨，磨粉过程中需要添加一定量的三乙醇胺作为助磨剂，粉磨后采用激光粒度仪测定钢渣粒径分布，结果见表2和图2所示。

表2粉磨后钢渣粒径参数

图2为钢渣粒径随粉磨时间变化曲线，由表可以获悉，随着粉磨时间的增加，钢渣的粒度逐渐变小，分布曲线逐渐左移。其中粉磨40mins相比粉磨10mins，D₁₀下降36.7％，D₅₀下降35.1％，D₉₀下降18.1％，相比原始钢渣，D₅₀下降72.9％，D₉₀下降85.4％，说明经过适当的机械磨粉，钢渣中的粗颗粒急剧变小，且细颗粒变化幅度要小于粗颗粒的变化幅度，说明磨粉到一定程度，细颗粒更难进一步磨细。

2)机械激发对钢渣早期胶凝活性的影响

将不同时间粉磨后的钢渣并按照不同掺量替代水泥进行强度试验，以粉磨时间、钢渣掺量和自制早强剂按照三因素四水平正交实验(表3)进行，结果见下图3和图4所示：

表3钢渣替代水泥正交实验设计表

图3为钢渣替代水泥抗压强度随粉磨时间变化曲线，其中，图3(a)为钢渣替代水泥3d抗压强度随粉磨时间变化曲线；图3(b)为钢渣替代水泥7d抗压强度随粉磨时间变化曲线；由图3可以获悉，在不同钢渣掺量比例条件下，3d、7d龄期抗压强度均随着磨粉时间的增加呈现逐渐增大的变化趋势，强度增加主要集中在10min到20min阶段内，尤其3d强度更为明显。经过机械磨粉，钢渣的粒径分布曲线逐渐左移，大颗粒逐渐减少，小颗粒逐渐增多，抗压强度随着磨粉时间逐步增加。这是由于体系内部发生水化反应时，小颗粒的比表面积更大，能够更多的参与到水化反应，不断充实到体系内部的空隙里面，促进水化反应的进一步发生，进而强度持续提高，表明机械磨粉能够有效提升钢渣的早期胶凝活性。综合3d、7d龄期强度的变化规律和提高钢渣利用率的出发点，最佳磨粉时间为20min，钢渣掺量为20％。

图4为钢渣替代水泥3d抗压强度随早强剂掺量变化曲线，其中，图4(a)为钢渣替代水泥3d抗压强度随早强剂掺量变化曲线；图4(b)为钢渣替代水泥7d抗压强度随早强剂掺量变化曲线；由图4可以获悉，在不同钢渣掺量比例条件下，3d、7d龄期抗压强度随早强剂的变化波动幅度较大，当钢渣掺量为10％比例，强度随早强剂掺量呈现逐步增加的变化趋势，钢渣掺量为15％比例，强度随早强剂掺量呈现先降低后增加的变化趋势，钢渣掺量为20％和25％比例，强度随早强剂掺量基本呈现先增加后降低的变化趋势。这表明钢渣掺量与早强剂掺量之间有最佳比例，钢渣掺量一定范围之内时，早强剂激发效果随掺量增加越好，超过一定范围时，早强剂的激发效果就不明显，综合3d和7d龄期强度，钢渣掺量20％，早强剂掺量2.0％为最佳比例。

(2)化学激发对钢渣早期胶凝活性的影响

在机械激发基础上，利用氢氧化钠和芒硝开展化学激发试验，理论上当碱为氢氧化纳、氢氧化钾、氢氧化钙时均可，本申请在化学激发部分采用氢氧化纳。以钢渣、氢氧化钠和芒硝为正交因素，结果见图5和图6；图5为钢渣替代水泥抗压强度随氢氧化钠掺量的变化曲线，其中，图5(a)为钢渣替代水泥3d抗压强度随氢氧化钠掺量的变化曲线；图5(b)为钢渣替代水泥7d抗压强度随氢氧化钠掺量的变化曲线；由图5可以获悉，在钢渣掺量为10％的比例，3d和7d抗压强度随NaOH掺量增加而逐渐降低；在15％、20％和25％的钢渣掺量比例，3d和7d抗压强度随NaOH掺量呈先增加后降低的变化趋势，表明NaOH在钢渣掺量较多时会对钢渣早期胶凝活性有明显的激发效果，综合3d和7d抗压强度变化情况，得到最佳NaOH掺量和钢渣掺量分别为1.0％和25％。

图6为钢渣替代水泥抗压强度随芒硝掺量的变化曲线；其中，图6(a)为钢渣替代水泥3d抗压强度随芒硝掺量的变化曲线；图6(b)为钢渣替代水泥3d抗压强度随芒硝掺量的变化曲线；由图6可以获悉，在钢渣掺量为10％比例条件，3d和7d抗压强度随芒硝掺量增加呈现逐渐降低的变化趋势，且在2.0％到2.5％范围之内降低幅度非常明显；在钢渣掺量15％、20％和25％比例条件，抗压强度随芒硝掺量增加呈现先增大后降低的变化趋势，表明芒硝在钢渣掺量处于一定范围内，激发效果随着钢渣掺量越多越强。这是由于当钢渣掺量较低时，系统里面主要以水泥水化为主，芒硝的掺入降低了水泥水化过程，因此强度降低；而当钢渣掺量较多时，水化过程中钢渣水化的比例增强，芒硝的掺入能够有效激发钢渣的早期胶凝活性，因此强度逐步增大。综合强度变化情况，得到最佳芒硝掺量和钢渣掺量分别为3.0％和25％。

(3)钢渣替代水泥X衍射分析：

试件标准养护至3d、7d后，制取适量样品烘干并研磨至粉末进行XRD测试，测试结果如图7钢渣掺量为25％的物相衍射图所示，其中图7(a)养护时间为3d，图7(b)养护时间为7d。从图中可以看到，3d龄期的浆体中已经开始部分水化，水化产物主要是方解石(CaCO₃)和氢氧钙石(Ca(OH)₂)，随着养护时间的增加，钢渣中的氧化钙和氧化硅逐渐发生反应，氢氧钙石的衍射峰加强，体系中氢氧钙石含量不断增加，生成硅酸二钙(Ca₂SiO₄)和C-S-H凝胶，促进体系的力学性能进一步提升。

(4)钢渣替代水泥微观形貌分析：

通过扫描电镜(SEM)得到钢渣替代水泥水化产物组织结构图，见图8钢渣替代水泥水化产物的SEM图所示，其中，图8(a)为钢渣替代水泥水化产物3d的SEM图；图8(b)为钢渣替代水泥水化产物7d的SEM图。由图可以获悉，3d时体系内部已经开始水化反应，能够观测到的水化产物是六方板块状的Ca(OH)₂晶体和无定形的C-S-H凝胶，另外表面有针棒状水化产物钙矾石生成，但水化产物量和种类较少，明显看出此时试件结构疏松，空隙较大。养护至7d龄期，浆体的结构逐渐密实，空隙明显减少，真棒状钙矾石变得更为粗大且互相交织，形成明显的纤维网状结构，这表明体系中的活性成分进一步与Ca(OH)₂发生水化反应，促使体系变得更为致密，宏观上试块的力学性能进一步增强。

结论

(1)通过机械磨粉实验，钢渣粒径分布曲线逐渐左移，粉磨40min后，D₅₀下降72.9％，D₉₀下降85.4％，钢渣中粗颗粒比细颗粒变化幅度更大，细颗粒更难进一步磨细。

(2)机械激发对钢渣早期胶凝活性有明显提升，磨粉10min，3d抗压强度可达到19.29MPa，7d抗压强度可达到23.32MPa。综合激发效果、经济成本，磨粉20min、早强剂掺量为2.0％、钢渣掺量为20％时，性价比最佳。

(3)化学激发在机械激发的基础上能够进一步激发钢渣的潜在胶凝活性，NaOH掺量为1.0％，芒硝掺量为3.0％，钢渣掺量为25％时，激发效果最佳，力学性能最优。

(4)钢渣替代水泥水化产物主要是方解石(CaCO₃)、氢氧钙石(Ca(OH)₂)和硅酸二钙(Ca₂SiO₄)，随着养护龄期的增加，水化产物产状更加粗大且相互交织，形成纤维网状结构，使力学性能进一步增强。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。