Effect of Fluorine-Containing Composite Activator on Hydration Products and Properties of Steel Slag-Based Thermal Storage Cement

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0670

Abstract

Abstract:

In this study， a fluoride-containing composite activator （Na₂SiO₃·9H₂O/Na₂SO₄/K₂SO₄/KF） was designed for steel slag （SS）-based thermal storage cement and applied to three cementitious systems： SS-Portland cement （PC）， SS-calcium aluminate cement （CAC）， and SS-calcium sulphoaluminate cement （CSA）. The effect of activator dosage on compressive strength， thermal conductivity， and specific heat capacity was systematically evaluated， and the underlying activation mechanisms were investigated using XRD， TG-DTG， and SEM analyses. The results demonstrate that the alkaline environment generated by the activator effectively promotes the depolymerization of mineral phases in the steel slag-cement system， whereas the incorporation of F^- suppresses the formation of ettringite （AFt） and calcium aluminate hydrates. Under the combined action of the activator， the depolymerized ［Al（OH）₄］^-and ［H₂SiO₄］^2- tend to form aluminum-rich calcium silicoaluminate hydrate （C-A-S-H） gel. The excess ［Al（OH）₄］^- is eventually converted into Al（OH）₃. The formation of denser hydration products significantly enhances the mechanical and thermophysical properties of the paste， enabling all three systems to achieve or surpass the performance of pure cement paste. Among them， SS-PC and SS-CAC systems exhibit optimal overall performance at a 3% （mass fraction） activator dosage. However， excessive activator leads to reactions between Al（OH）₃ and F^-， hindering the strength development of the SS-CAC system. This study not only elucidates the mechanism of the fluoride-containing composite activator in SS-based thermal storage cement， but also provides a reference for the resource utilization of SS and the design of high-performance thermal storage cement.

Key words: concrete, steel slag, composite cementitious material, composite activator, hydration, sensible heat storage

CLC Number:

TQ172

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Figures/Tables 15

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Material	Mass fraction/%
Material	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	SO₃
SS	44.50	16.43	5.65	20.20	5.58	6.27
PC	51.91	24.42	8.47	3.71	4.27	4.67
CAC	33.27	9.90	49.39	2.42	0.69	1.12
CSA	55.96	10.00	13.87	2.51	3.14	10.83

Material	Mass fraction/%
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Sample	G6	Gj1	A6	Aj1	L6	Lj1
Mass loss rate （50~200 ℃）/%	3.61	4.14	7.59	5.46	6.36	4.22
Mass loss rate （200~300 ℃）/%	0.84	0.93	2.91	3.28	1.64	1.49
Mass loss rate （410~470 ℃）/%	0.52	0.60	0.33	0.47	0.38	0.37
Mass loss rate （600~800 ℃）/%	2.69	4.46	1.09	3.22	5.81	8.31

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