冶金渣制备生态型人工鱼礁混凝土的试验研究(2)

　　根据正交试验结果，选取最佳试验条件和试验配比，进行平行实验，采用10号配比，用标准养护的方式进行强度平行试验，具体物料配比见表4。

　　平行试验结果见表5。由表5可以看出，10号试块的3、7、28d抗压强度平均值分别为64.75、92.21、94.69MPa，分别优于正交试验中3、7、28d抗压强度的最高值64.56、91.28、94.28MPa，故依照最佳试验条件A1B2C3D1，可以确定优化胶凝材料的配方为：矿渣70%，钢渣10%（比表面积为550m2·kg-1），水泥熟料10%，脱硫石膏10%，水胶比0.20，减水剂（PC）掺量0.2%。

　　3胶凝材料水化产物分析

　　3.1胶凝材料水化过程XRD分析

　　从图1中可以看出：胶凝材料在标准养护条件下，水化产物主要是C-S-H凝胶和AFt，还有一部分未反应的C3S和C2S，这部分C3S和C2S在后期的水化过程中会使试样强度继续提高。随着水化反应的进行，C3S和C2S的衍射强度先上升后下降，总体上来说有所降低，说明水泥熟料中C3S和C2S参与了反应。C-S-H凝胶（20～50°的鼓包）主要由矿渣的火山灰活性反应生成，水泥熟料水化生成Ca（OH）2以及钢渣中的f-CaO及RO相水化生成Ca（OH）2，对矿渣在反应中后期的火山灰活性反应具有促进作用[12-13]。体系中并没有明显的Ca（OH）2相和石膏相。这表明矿渣中的活性Al2O3与水化产物Ca（OH）2和石膏生成了AFt，胶凝材料的强度主要由C-S-H凝胶和AFt提供。

　　3.2胶凝材料水化过程SEM分析

　　图2、3和4分别为10号胶凝材料水化3、7和28d的SEM照片。

　　图2中可以看到较为致密的片状C-S-H凝胶，这部分凝胶对于早期强度起到决定性作用；图3中可以看到一些片状、条状的C-S-H凝胶填充材料的孔洞部分，但结构还比较疏松；图4显示随着水化过程的深入，产生了更多的针状和团簇状的AFt，尤其是材料孔洞处产生的AFt更为明显，这部分AFt与C-S-H凝胶共同作用，提高的胶凝材料的整体密实度，使该龄期的试块强度进一步提高。

　　4混凝土的制备及其生态友好性分析

　　4.1混凝土的制备

　　为检验最优配比的胶凝材料在混凝土中应用的效果，采用10号胶凝材料配方，设计混凝土配合比。表6为混凝土配合比（采用自来水作为拌合水）。

　　表7为混凝土试块在标准养护条件下3、7、28d的强度，从中可以看出以10号胶凝材料配方为基础设计的混凝土配合比，制作的混凝土试块强度28d可以达到65MPa以上，且早期强度较高，3、7d强度分别达到28d强度的64%和96%。

　　4.2冶金渣人工鱼礁混凝土的生态友好性分析

　　1）重金属离子分析

　　冶金渣人工鱼礁混凝土的原材料中含有一定量的重金属元素，当礁体投入海中，其中的重金属元素可能会浸出，导致重金属污染，危害海洋生物生长。表8为混凝土试块中镉、铅、汞、锌、铬、砷、镍、铜8种重金属离子浓度的测试结果。

　　从表8可以看出，混凝土材料中重金属含量均低于国家土壤环境二级质量标准（保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值）[14]，由此可知冶金渣用作人工鱼礁混凝土的生产不会造成重金属离子污染。

　　2）减排CO2分析

　　一般情况下，每生产1t水泥熟料，会排放1tCO2[15]。以0.85t水泥熟料可生产1t普通硅酸盐水泥计算，在混凝土配合比一致的情况下，普通硅酸盐水泥混凝土单方熟料用量477kg，冶金渣人工鱼礁混凝土单方熟料用量56kg，单方即可减排CO20.421t，如大量推广使用，节能减排的效果将更为显著。

　　3）消纳大量钢渣

　　2010年的钢渣总产量达0.945亿t，目前的堆积总量已达数亿t[16]，这部分钢渣占用大量土地堆存，污染环境[17]。采用冶金渣制备人工鱼礁混凝土，其中钢渣总量可达到77%，固体废弃物总量可达到98%，能够有效消纳以钢渣为主的固体废弃物。

　　4）铁元素对海洋生态的作用

　　采用钢渣作为骨料和部分胶凝材料组分的冶金渣人工鱼礁混凝土中含有较多的铁，这些铁中的少部分渗出礁体，可以提高海水中铁的含量，对藻类的附着生长、叶绿素合成以及对氮、磷的吸收具有促进作用[18]，提高藻类的附着量更能提高海洋对CO2的吸收量，对减缓温室效应具有显著作用。

　　5）平衡生态链

　　人工鱼礁的使用可以促进海洋生态链的平衡发展。藻类及大型海洋植物在礁体上附着生长，可以过滤海水，吸引各种鱼类前来觅食、栖息，鱼礁区大量生物的摄食作用能够明显抑制赤潮，礁体能够阻碍海底有机物释放，降低水体富营养化程度，起到净化水质与减少赤潮发生的效用，平衡海洋生态链，提高海洋生物的多样性[19]。

　　5结论

　　1）正交试验结果表明：对于矿渣钢渣熟料石膏胶凝材料体系，固定水泥熟料和脱硫石膏的掺量分别为10%，影响抗压强度的主要因素是矿渣与钢渣的比例和减水剂掺量，次要因素是钢渣的粉磨时间（即比表面积）和水胶比。

　　2）通过正交试验优化出的胶凝材料配方是矿渣70%（比表面积为480m2·kg-1），钢渣10%（比表面积为550m2·kg-1），水泥熟料10%，脱硫石膏10%，水胶比0.20，减水剂（PC）掺量0.2%。

　　3）在标准养护条件下，由于脱硫石膏、水泥熟料和钢渣的协同作用，矿渣发生火山灰活性反应生成大量C-S-H凝胶，同时矿渣中的活性Al2O3与水化产物Ca（OH）2和石膏生成了AFt，这两种产物的生成过程吸收Ca（OH）2，使胶凝材料试块在中后期强度持续增长，并达到较高水平。

　　4）采用矿渣、钢渣制备的人工鱼礁混凝土具有良好的生态友好性，胶凝材料中矿渣钢渣复合粉掺量可达到80%，混凝土中固体废弃物总量达到98%，并且混凝土强度可以满足高强混凝土的要求。既使大量固体废弃物资源化，又能节能减排、降低生产成本。

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