掺钢渣水泥基复合材料的吸波性能.pdf

钱觉时 等：减缩剂外涂对混凝土性能的影响及作用机理 2097 第 37 卷第 12 期 掺钢渣水泥基复合材料的吸波性能 戴银所1,2，陆春华1，倪亚茹1，许仲梓1(1.南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009；2.解放军理工大学工程兵工程学院，南京 210007)摘 要：钢渣中含有大量的铁的氧化物，且以多种状态存在。在 118 GHz 内采用弓形反射法研究钢渣掺入水泥后的吸波性能。结果显示：吸收峰的位置基本不受养护时间和掺量的影响，但随试样厚度的增加会表现出向低频区移动；随试样厚度的增加，在低频区 18 GHz 波段范围内，最大吸收率从 23 dB 逐渐降低到 7.5 dB，而在高频区 1018 GHz 波段范围内，吸收率先逐渐增加达到最大值后再降低；当掺 30%(质量分数)粉磨 60 min 的钢渣，复合材料的厚度为 25 mm，养护 285 d 时，在 1318 GHz 波段内吸收率最大达到 12 dB，大于 8 dB 的带宽为 5 GHz，表现出较好的吸波性能。关键词：钢渣；水泥净浆；吸波性能 中图分类号：TM25；TU528 文献标志码：A 文章编号：04545648(2009)12209705 RADAR-WAVE ABSORBING PROPERTY OF CEMENT-BASED COMPOSITE DOPED WITH STEEL SLAG DAI Yinsuo1,2，LU Chunhua1，NI Yaru1，XU Zhongzi1(1.College of Materials Science&Engineering,Nanjing Technology University,Nanjing 210009;2.Engineering Institute of Engineering Corps,P.L.A University of Science and Technology,Nanjing 210007,China)Abstract:Several ferrous phases exist in steel slag by large proportion,the radar-absorbing properties were studied with the arched testing method at different thickness and curing time in 118 GHz frequency range.The results show that the sites of absorption peak of the composites do not change at different curing time and proportion of steel slag,but change to lower frequency with the increase of thickness.With the increase of thickness,absorption decreases from 23 dB to 7.5 dB in 18 GHz;but in 818 GHz absorption first increases gradually to maximum and then decrease.When hydrated cement with 30%steel slag ground for 60 min was cured for 285 d,the best absorption is 12 dB at a band width range of 1318 GHz,and the bandwidth of 8 dB reaches 5 GHz.A high potential applica-tion of steel slag in electromagnetic protection is expected.Key words:steel slag;hydrated cement;radar-wave absorbing properties 在炼钢生产中产生的钢渣，由于排放量大、处理技术难度高，它的处置和利用已日益成为人们关注的焦点。目前钢渣在冶金、建材、交通、农业等多方面已经具有广泛的利用价值，13 产生较好的社会效益和经济效益。如何进一步拓展钢渣有效利用途径，提高其利用价值，已引起学术界和工程界的密切关注。钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其主要化学组分为 CaO，SiO2，Fe2O3。钢渣中铁的氧化物约占总量的 10%30%，46 且主要以铁酸盐(C2F 和C4AF)，方铁矿(FeO 固熔体)，以及少量金属铁等 3种状态存在。金属铁在钢渣破碎磁选过程中可以基本除去。FeO 在室温不稳定，但在钢渣中由于相平衡而与 Fe 和 Fe2O3共存，并被 CaO 和 MgO 等二价氧化物所稳定。7 钢渣矿物组成与水泥熟料相似，水化产物形貌与硅酸盐水泥无明显差别，所不同的是此种凝胶中含有较多的含铁相。由于一些铁的氧化物(特别是铁氧体)具有吸收电磁波特性，研究钢 收稿日期：20081226。修改稿收到日期：20090922。基金项目：住房和城乡建设部(2008K46)资助项目。第一作者：戴银所(1971)，男，博士研究生，讲师。通讯作者：许仲梓(1958)，男，教授。Received date:20081226.Approved date:20090922.First author:DAI Yinsuo(1971),male,postgraduate student for doctor degree,lecturer.E-mail: Correspondent author:XU Zhongzi(1958),male,professor.E-mail: 第 37 卷第 12 期 2009 年 12 月 硅 酸 盐 学 报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.37，No.12 December，2009 硅 酸 盐 学 报 2098 2009 年 渣在水泥基材料中吸收雷达波的性能，希望能够为钢渣的应用探索一种新的途径。1 实 验 1.1 原材料 选用南京中国水泥厂生产的金宁羊牌 P42.5R水泥和南京钢铁厂的钢渣。钢渣在磨机中分别粉磨30 min 和 60 min，比表面积分别为 420，510 m2/kg，记作 S3，S6，其化学组成如表 1。用美国 Noran公司生产 Vantage DSI 能谱仪对钢渣颗粒表面进行分析，结果如表 2 所示。表 1 原材料化学组成 Table 1 Chemical composition of raw materials w/%Material SiO2 Al2O3 CaO MgO SO3 Fe2O3 Loss Steel slag 19.12 1.84 35.11 7.27 19.12 36.25 3.64 Cement 22.60 5.03 63.11 1.46 2.24 4.38 1.18 表 2 钢渣颗粒表面元素组成 Table 2 Composition of elements at the surface of steel slag powder Element Mass fraction/%C 3.18 Mg 4.46 Al 0.54 Si 22.31 Ca 36.20 Ti 1.72 Mn 4.82 Fe 21.70 Cu 5.07 1.2 样品制备 将钢渣粉末以 30%和 60%分别取代水泥后，倒入水泥砂浆搅拌机中，以 0.235 的水灰比加水，自动搅拌。将水泥浆体倒入模具中，在振动台上手动振动 120 次，将表面抹平，送养护室养护制度。试样尺寸为 180 mm 180 mm，厚度分别为 5，10，15，20，25，30 mm。1.3 吸波性能测试(1)吸波性能。根据 GJB20381994雷达吸波材料反射率测试方法要求，利用 HP8722ET 网络分析仪，采用弓形反射法进行测试。(2)面密度的测量。在风干状态下测量试样的面密度，结果如图 1 所示。从图 1 中可以明显地看出：养护时间超过 20 d 以后，由于水泥水化速率趋于缓慢，同一试样的面密度没有明显的变化。但随试样厚度的增加，面密度呈直线增加。图 1 掺 30%钢渣 S6 水泥净浆的面密度随厚度的变化 Fig.1 Area density of hydrated cement with 30%steel slag S6 at different thickness 2 结果与讨论 2.1 掺量对反射率的影响 将不同细度的钢渣按不同掺量制成厚度为 20 mm 的水泥净浆试样，在水中养护 75 d 后进行反射率的测试，结果如图 2 所示。从图 2a、图 2b 中可以看出吸收峰的位置基本不受钢渣细度和掺量的影响。最大吸收峰都在 2.8 GHz 处，其他几个主要吸收峰的位置也基本相同。在 118 GHz 全波段范围内，当钢渣细度为 420 m2/kg 时，随掺量的增加，反射性能逐渐增加，且都比不掺钢渣的大。而细度为 510 m2/kg 时，随掺量的增加反射性能逐渐降低，且都比不掺钢渣的小。这是因为随粉磨时间的增加，具有较强反射电磁波的钢渣颗粒表面被进一步破坏，同时暴露出更多具有吸收电磁波的组分或结构。因此，选用粉磨 60 min，细度为 510 m2/kg 的钢渣进行后续试验。戴银所 等：掺钢渣水泥基复合材料的吸波性能 2099 第 37 卷第 12 期 图 2 不同钢渣掺量的水泥净浆的反射率 Fig.2 Reflectivity(R)of hydrated cement with different addtions of steel slag Thickness of the samples is 20 mm.2.2 水化程度对反射率的影响 对于图 2b 中 S6 各个掺量的试样(厚度为 20 mm)，经过不同养护时间后进行反射率测试，结果如图 3 所示。从图 3 中可以看出：在 118 GHz波段范围内，养护时间从 75 d 增加到 380 d，反射率没有明显的变化，波动幅度只有 12 dB。这主要是因为 75 d 以后水泥水化程度已经趋于稳定。2.3 厚度对反射率的影响 在水泥中掺入 30%的钢渣 S6，分别制作成 5，10，15，25，30 mm 水泥净浆试样，测试不同养护时间的反射率，结果分别如图 4 所示。从图 4 以及图 3b 可以看到：(1)随厚度的增加，在低频区域 18 GHz 范围内，反射率逐渐增加，而且峰的位置逐渐向左(低频区)移动；在高频区域 1018 GHz 范围内，反射率却逐渐降低，在 25 mm 时达到最小的512 dB，8 dB 的带宽有 5 GHz，30 mm 时又增加到3 6 dB。(2)随养护时间的增加：在低频区域 18 GHz范围内，厚度从 5 mm 到 15 mm 时反射率有明显的波动，但厚度为 2030 mm 时，基本看不到变化。在高频区域 1018 GHz，厚度从 5 mm 到 20 mm 时反射率波动很小，一般在 1 dB 左右，厚度为 25 mm和 30 mm 时，波动超过 3 dB。图 3 不同 S6 掺量和养护时间的水泥净浆的反射率 Fig.3 Reflectivity of hydrated cement with S6 at different proportions and curing time Thickness of the samples is 20 mm.硅 酸 盐 学 报 2100 2009 年 图 4 掺 30%S6 钢渣水泥净浆不同厚度的反射率 Fig.4 Reflectivity of hydrated cement with 30%steel slag S6 at different thickness 戴银所 等：掺钢渣水泥基复合材料的吸波性能 2101 第 37 卷第 12 期 3 结 论(1)在 118 GHz 全波段范围内，当钢渣细度为 420 m2/kg 时，随钢渣掺量的增加，对电磁波反射性能逐渐增加，且都比不掺钢渣的大；而细度为 510 m2/kg 时，随钢渣掺量的增加反射性能逐渐降低，且都比不掺钢渣的小；而吸收峰的位置基本不受钢渣细度和掺量的影响。(2)掺入 30%，细度为 510 m2/kg 钢渣的水泥净浆：在低频区域 18 GHz 范围内：随厚度的增加最小反射率从23 dB 逐渐增加到7.5 dB；随养护时间的增加，厚度从 5 mm 到 15 mm 时反射率也有明显的增加，厚度在 2030 mm 时反射率波动较小。在高频区域 1018 GHz 范围内：随厚度的增加，反射率先逐渐降低达到最小值后再增加，25 mm 试样在285 d 时，最小反射率达到12 dB，小于8 dB 的带宽有 5 GHz；随养护时间的增加，厚度从 520 mm时反射率波动很小。参考文献：1 乌传和.钢渣的回收利用J.金属矿山,1998(1):4044.WU Chuanhe.Met Min(in Chinese),1998(1):4044.2 WU Shaopeng,XUE Yonjie,YE Qunshan,et al.Utilization of steel slag as aggregates for stone mastic asphalt(SMA)mixtures J.Build Environ,2007,42:25802585.3 SHI Paihaung,WU Zongzheng,CHIANG Hunglung.Characteristics of bricks made from waste steel slag J.Waste Manag,2004,24:10431047.4 施惠生,郭 蕾.钢渣对硬化水泥浆体结构形成的影响研究J.水泥,2005(7):14.SHI Huisheng,GUO Lei.Cement(in Chinese),2005(7):14.5 施惠生,郭 蕾.钢渣对硅酸盐水泥水化硬化的影响研究J.水泥技术,2004(2):2124.SHI Huisheng,GUO Lei.Cem Technol(in 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