成型壓力對(duì)廢棄物基地質(zhì)聚合物制品性能的影響

黃鳳會(huì),周宗輝,張軍華,程 新

(濟(jì)南大學(xué)山東省建筑材料制備與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,教育部先進(jìn)建筑材料工程中心,山東 濟(jì)南, 250022)

地質(zhì)聚合物是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究非?；钴S的材料之一．它是以工業(yè)廢渣、尾礦、粘土等為原料,經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に囂幚砑盎瘜W(xué)反應(yīng)得到的一類新型的、性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料[1]．

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展,每年產(chǎn)生約7億t[2]工業(yè)固體廢棄物,如粉煤灰、鋼渣、煤矸石、礦渣、城市生活垃圾等．這些廢棄物利用率低,不僅造成資源的浪費(fèi),還要占用大面積耕地堆放,污染周圍的水源和環(huán)境,進(jìn)而危害人民的健康．另一方面,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,使得磚的需求急速增加．傳統(tǒng)的粘土磚在生產(chǎn)過(guò)程中占用大面積耕地、消耗大量能源和排放大量污染．因此,加快墻體材料的研發(fā),并實(shí)現(xiàn)粘土磚的可替代,成為國(guó)家墻體材料改革的重要任務(wù)和目標(biāo)[3]．利用鋼渣、粉煤灰、礦渣等工業(yè)固體廢棄物,采用壓制成型的方法制備地質(zhì)聚合物制品,有望替代或部分替代粘土磚．因此,本文研究采用壓制成型時(shí)成型壓力對(duì)制品強(qiáng)度、吸水率、體積密度、耐水性、耐磨性等性能的影響,具有十分重要的意義．

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

原材料為鋼渣、粉煤灰、礦渣、普通河砂、氫氧化鉀、水玻璃等,主要原材料的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1所示.

表1 原材料的化學(xué)成分

1.2 樣品的制備

將原料按一定比例混合、攪拌均勻,然后將堿激發(fā)劑溶于水中徐徐加入到原料中,繼續(xù)攪拌使其混合均勻．稱取一定量的物料倒入90 mm×40 mm×40 mm的自制模具里,在一定的壓力下進(jìn)行成型,并將脫模后的樣品放在20 ℃室內(nèi)自然灑水養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試,并利用SEM及XRD對(duì)材料的微觀形貌和礦物組成進(jìn)行分析．

1.3 試驗(yàn)儀器及性能測(cè)試

YE-2000液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī),抗壓抗折一體機(jī),氣氛保護(hù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),凍融循環(huán)試驗(yàn)儀,水泥膠砂攪拌機(jī),場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,英國(guó)牛津X-MAX-50型能譜儀,D8-ADVANCE型X射線衍射儀,90 mm×40 mm×40 mm的自制鋼模具等．

由于該廢棄物基地質(zhì)聚合物制成制品希望其替代或部分替代粘土磚,所以制品的強(qiáng)度、體積密度、吸水率、耐水性測(cè)試方法參照GB/T542—2003《砌墻磚試驗(yàn)方法》[4],而耐磨性根據(jù)公式(1)計(jì)算:

(1)

式中：Ia—磨損率(g),Δm—試樣被磨損掉的質(zhì)量(g);r—試樣磨損過(guò)程中經(jīng)歷的轉(zhuǎn)數(shù)．

2 結(jié)果與討論

通過(guò)前期試驗(yàn)確定原料最佳配比為：鋼渣30%,礦渣30%,粉煤灰10%,砂子30%,外摻3%的KOH和2%的水玻璃作為激發(fā)劑,并加入10%的水.通過(guò)改變成型壓力研究不同的成型壓力對(duì)地質(zhì)聚合物材料制品性能的影響．

2.1 成型壓力對(duì)地質(zhì)聚合物制品的強(qiáng)度、體積密度的影響

表2和圖1分別為不同成型壓力下制品的強(qiáng)度和體積密度,從試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著成型壓力的增大,地質(zhì)聚合物制品的強(qiáng)度、體積密度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),當(dāng)成型壓力增加到一定數(shù)值時(shí),制品的強(qiáng)度不再增加甚至有下降的趨勢(shì)．這是因?yàn)殡S著壓力的增加,粉料顆粒產(chǎn)生移動(dòng)和變形而逐漸靠攏,粉料中所含的氣體同時(shí)被擠壓排出,原來(lái)松散的粉料形成了較致密的坯體,使得制品的強(qiáng)度和體積密度急劇增加[5],當(dāng)壓力從5 MPa增加到18 MPa時(shí),3天抗壓、抗折強(qiáng)度分別增加約59%和28%,28天抗壓、抗折強(qiáng)度分別增加約36%和28%．當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí),由于顆粒間的內(nèi)摩擦力使顆粒進(jìn)一步靠攏受到影響,制品的強(qiáng)度和體積密度增加緩慢[6]．當(dāng)壓力超過(guò)一定數(shù)值時(shí),顆粒在高壓下產(chǎn)生變形和破裂,從而使顆粒堆積更加緊密,體積密度隨壓力增加而提高;當(dāng)壓力超過(guò)一定數(shù)值時(shí),壓力的增加并不能使顆粒間接觸面積繼續(xù)增加,此時(shí)出現(xiàn)分子間力的相互作用,壓力過(guò)大時(shí),坯體會(huì)產(chǎn)生“彈性后效”[7],使制品的尺寸不準(zhǔn)確,甚至出現(xiàn)壓坯開(kāi)裂或分層現(xiàn)象,這也很可能是壓力超過(guò)30 MPa后制品強(qiáng)度出現(xiàn)略微下降的原因．綜合各種因素,制品的最佳成型壓力為30 MPa．

表2 不同成型壓力下制品的抗壓、抗折強(qiáng)度

注:因?yàn)锳9組成型壓力過(guò)大,導(dǎo)致模具很難脫模,“—”表示A9組后續(xù)試驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行．

圖1 不同成型壓力下制品的體積密度

2.2 成型壓力對(duì)地質(zhì)聚合物制品的吸水率、軟化系數(shù)、耐磨性的影響

圖2和圖3分別為成型壓力與制品的吸水率、軟化系數(shù)和耐磨性的關(guān)系,從試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著成型壓力的增加,制品的軟化系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),制品的吸水率和磨損率呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)．這是因?yàn)殡S著壓力的增加,制品內(nèi)的氣體被排除,使得原料顆粒間相互接觸．成型壓力越大,制品內(nèi)的空氣就越容易被排除,顆粒間就接觸越緊密,從而保證了物料顆粒間的物理化學(xué)反應(yīng)能夠高效進(jìn)行,這樣得到的制品就越密實(shí)[8]．制品內(nèi)部越密實(shí),其吸水率就越低,耐水性就越好,從而制品的軟化系數(shù)提高．

圖2 制品的吸水率、軟化系數(shù)與成型壓力的關(guān)系 圖3 不同成型壓力下制品的耐磨性

圖4為不同成型壓力下試樣的SEM-EDS圖片.從圖4(a)中我們可以看出,成型壓力為5 MPa時(shí),制品內(nèi)部的水化產(chǎn)物較少,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較疏松且存在大量孔隙;當(dāng)成型壓力增加到18 MPa時(shí)(圖4(b)),水化產(chǎn)物的數(shù)量有所增加,內(nèi)部孔隙數(shù)量減少,未水化的煤灰顆粒與水化產(chǎn)物連接在一起使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密;當(dāng)成型壓力增加到30 MPa時(shí)(圖4(c)),水化產(chǎn)物已充滿整個(gè)空間,大量的水化產(chǎn)物相互交織連接,以致在掃描電鏡下看不到獨(dú)立存在的粉煤灰顆粒,廢渣顆粒的殘余部分幾乎全部被水化產(chǎn)物覆蓋,制品內(nèi)部十分致密;成型壓力為40 MPa時(shí)(圖4(d)),試樣內(nèi)部大量的水化產(chǎn)物和形成的晶體交織在一起,但試樣內(nèi)部仍存在未反應(yīng)的粉煤灰顆粒和少量孔隙;對(duì)圖4(d)試樣任取1、2兩點(diǎn)測(cè)試其元素組成(表3),由能譜儀測(cè)試結(jié)果可知,砌塊內(nèi)的凝膠組分為C-S-H和Na-A-S-H凝膠的共存體．從圖5的XRD圖譜中可以看出,不同成型壓力制備的試樣所生成的水化產(chǎn)物的種類沒(méi)有太大的變化,所生成的晶體物質(zhì)主要為沸石類、硅鈣石和長(zhǎng)石類礦物,但晶體的發(fā)育程度有所不同;隨著成型壓力的增加,晶體的衍射峰逐漸尖銳,說(shuō)明晶體發(fā)育程度逐漸變好,這也是隨著壓力增大,制品的耐磨性提高,圖3中制品的磨損率呈現(xiàn)出下降的原因．

圖4 不同成型壓力下制品的SEM圖片

表3 由能譜儀得出圖4(d)中1點(diǎn)和2點(diǎn)的元素組成

圖5 不同成型壓力下制品的XRD圖譜

2.3 成型壓力對(duì)地質(zhì)聚合物材料制品抗凍融循環(huán)的影響

凍融試驗(yàn)按照GB/T4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)法》[9]進(jìn)行25個(gè)凍融循環(huán),試驗(yàn)結(jié)束后以試樣凍后抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率、凍后外觀質(zhì)量來(lái)表示與評(píng)定,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4．

表4 試樣經(jīng)過(guò)25個(gè)凍融循環(huán)后的強(qiáng)度及質(zhì)量損失

從表4的試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著成型壓力的增加,地質(zhì)聚合物砌塊的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率減少,成型壓力為5 MPa時(shí),質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率最大．試樣經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后破壞的原因是,孔隙中水結(jié)冰,體積膨脹,對(duì)孔壁造成壓力,使材料的局部遭到破壞[10]．隨著壓力的增大,制品的氣體被排除,原料顆粒間接觸的越緊密,制品內(nèi)的孔隙越小,抗凍能力越好,凍融后試樣的質(zhì)量及強(qiáng)度損失率也越?。?dāng)成型壓力增加到一定數(shù)值時(shí),隨著成型壓力的增加,地質(zhì)聚合物砌塊的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率不再減小,甚至?xí)黾樱@是因?yàn)槌尚蛪毫υ黾?地質(zhì)聚合物砌塊內(nèi)的氣體被排除,顆粒間接觸就越緊密,越有利于顆粒間的地質(zhì)聚合反應(yīng)．但當(dāng)成型壓力增加到一定數(shù)值時(shí),砌塊內(nèi)的氣體基本上被排盡,顆粒間的接觸緊密程度不會(huì)再進(jìn)一步增加．當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加時(shí),有可能破壞砌塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[11],從而使砌塊的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率變大．

3 結(jié) 論

成型壓力的增加有利于制品顆粒間的接觸,使得物料顆粒間的地質(zhì)聚合反應(yīng)能夠高效進(jìn)行,獲得的制品內(nèi)部就越密實(shí),從而使得制品的強(qiáng)度、體積密度、軟化系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),制品的吸水率、磨損率呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)．當(dāng)壓力增加到一定數(shù)值后,制品的強(qiáng)度不再隨壓力的增加而增高甚至可能降低,壓力過(guò)高對(duì)制品其它性能的改善不再顯著且高壓力對(duì)模具的損傷也較嚴(yán)重．綜合考慮各種因素,確定制備該廢棄物基地質(zhì)聚合物制品的最佳成型壓力為30 MPa,在此壓力下制備出的地質(zhì)聚合物制品其各項(xiàng)性能均滿足相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求．

參考文獻(xiàn):

[1]李珍,韓煒,邵曉妹.地質(zhì)聚合物在材料領(lǐng)域的應(yīng)用及其發(fā)展方向[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2008,25(4):93-95.

[2]李秋義.建筑垃圾資源化再生利用技術(shù)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2011:38.

[3]王鳳來(lái),高連玉,張厚. 新型砌體結(jié)構(gòu)體系與墻體材料[M]. 北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2010:12-13.

[4]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 2542—2003[5].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[5]王琦,劉世權(quán),侯憲欽.無(wú)機(jī)非金屬材料工藝學(xué)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2008:112-113.

[6]李方文,吳建鋒,徐曉虹，等.成型壓力對(duì)基體體積密度、吸水率和顯氣孔率影響的探討[J].中國(guó)陶瓷，2007,43(4):25-27.

[7]佚名.壓制成型[OL].[2013-01-29].http://wenku.baidu.com/view/3fc5f5d5195f312b3169a5d9.html.

[8]Vinai R, Lawane A, Minane J R, et al. Coal combustion residues valorisation: Research and development on compressed brick production [J]. Construction and Building Materials, 2013,40: 1088-1096.

[9]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 4111—1997[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[10]Oti J E, Kinuthia J M, Bai J. Engineering properties of unfired clay masonry bricks [J]. Engineering Geology, 2009,107: 130-139.

[11]Saeed A, Zhang L Y. Production of eco-friendly bricks from copper mine tailings through geopolymerization[J].Construction and Building Materials, 2012, 29: 323-331.