礦渣粉和粉煤灰制備CBC 復(fù)合材料及混凝土性能研究＊

申 會(huì)，曾春平，馬 琨

(昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明 650500)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源越來越少，能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)是人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展急需解決的重要問題。傳統(tǒng)的水泥制備消耗了大量的資源，污染了環(huán)境［1］，因此尋找一種新材料可以代替普通水泥引起了注視。礦渣粉和粉煤灰都是工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢棄物，產(chǎn)量相當(dāng)大，礦渣是煉鐵工廠在煉鐵過程中排放的工業(yè)廢渣，平均每生產(chǎn)1 t 生鐵將產(chǎn)生0.4 t 左右的廢渣，礦渣的主要化學(xué)成分與硅酸鹽水泥熟料的主要成分很相近，礦渣具有較好的潛在活性，在水泥和混凝土方面應(yīng)用已經(jīng)很成熟了。粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，我國(guó)粉煤灰排量是較大的工業(yè)廢渣之一，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，平均每年有超過8000 萬(wàn)t 的粉煤灰沒有得到合理、有效的利用［2－3］。大量的粉煤灰不加處理，就會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣;若排入水系會(huì)造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會(huì)對(duì)人體和生物造成危害，但是粉煤灰具有潛在的膠凝性，可作為混凝土的摻合料，在常溫下遇到石灰和水會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)而凝固。因此如何有效的處理應(yīng)用礦渣粉和粉煤灰已經(jīng)迫在眉睫。

當(dāng)前制作混凝土用的膠凝材料主要是水泥，混凝土強(qiáng)度等級(jí)劃分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C70、C75、C80，14 個(gè)等級(jí)，CBC是(Chemically Bonded Ceramics)的 縮 寫［4］，由D.M.Roy 于1987 年首先提出的表示一種在低溫下通過化學(xué)放應(yīng)進(jìn)行凝固的類陶瓷材料。J.Davidovits 的觀點(diǎn)［5］，CBC 的基本結(jié)構(gòu)為無(wú)機(jī)的硅－氧四面體，鋁－氧四面體通過共用所有的氧鏈接起來的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。目前，屬于CBC 的主要有:MDF、DSP、RPC、AAC 等高性能混凝土。用礦渣粉和粉煤灰制作膠凝材料代替硅酸鹽水泥在混凝土中的研究文獻(xiàn)報(bào)道的不多，但用粉煤灰、礦渣粉、熟料、石灰按一定比例打磨后，性能、用途等方面具有水泥的特性，是一種新型的復(fù)合材料，具有應(yīng)用價(jià)值。本文用自制的CBC 復(fù)合材料和32.5水泥在相同條件下對(duì)澆灌出來的混凝土進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料主要包括KZF(礦渣粉)、FMH(粉煤灰)、SL(水泥熟料)、生石灰、黃砂、瓜子石、添加劑，礦渣粉取自昆明鋼鐵控股有限公司，粉煤灰來源于鞍鋼第二發(fā)電廠，水泥熟料取自新疆屯河水泥有限責(zé)任公司，生石灰是市售，添加劑是購(gòu)買于天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司(原天津市化學(xué)試劑三廠)，添加劑有:硫酸鋁、氯化鈣、硫酸鈉、氯化鈉、水玻璃、三乙胺醇。礦渣粉、粉煤灰、生石灰、水泥熟料的主要成分見表1。

表1 主要原料的化學(xué)成分 wB(%)

1.2 儀器設(shè)備

PE100×60 顎式破碎機(jī)、TPT-5 天平、電子秤、燒杯、72L 筒式球磨機(jī)、三聯(lián)試模、ISO 行星式膠砂攪拌機(jī)與膠砂試體成型振動(dòng)臺(tái)、TYA-300C 型電液式抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)、蒸汽發(fā)生器、恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 CBC 復(fù)合材料的制備:礦渣粉、粉煤灰、水泥熟料、生石灰粉末按照一定比例混合經(jīng)球磨機(jī)粉磨后成為膠凝材料。

1.3.2 以黃砂和瓜子石為基體，加入自制的CBC復(fù)合膠凝材料，然后將添加劑加入水溶解后，用ISO 行星式膠砂攪拌機(jī)先緩慢攪拌1 min，然后快速攪拌2 min，之后用三聯(lián)試模在膠砂試體成型振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 min 成型。靜停24 h 后脫模，在自然擺放24 h 后放在養(yǎng)護(hù)箱里常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)24 h。同時(shí)以32.5 水泥為基準(zhǔn)，用32.5 普通硅酸鹽水泥在相同條件下做一份，，最后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 膠凝材料與基材之比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

在砂與瓜子石的水膠比為0.54，CBC 配方:礦渣粉60%，水泥熟料15%，生石灰10%，粉煤灰15%固定情況下，由圖1 看出，CBC 與32.5 水泥從總量的15%增加到30%，脫模后蒸汽養(yǎng)護(hù)1d 后測(cè)試，CBC 成型的混凝土強(qiáng)度從13.65 MPa 增加到29.16 MPa，32.5 水泥混凝土強(qiáng)度從9.25 MPa 增加到了19.30 MPa，當(dāng)膠凝材料在15%時(shí)，CBC 和32.5 水泥的抗壓強(qiáng)度差別很小，隨著膠凝材料的增加，抗壓性能差別逐漸增大。在自然養(yǎng)護(hù)條件下，CBC 膠凝材料受其礦物組成的影響比32.5 水泥水硬化更為復(fù)雜，CBC 存在兩次水化反應(yīng)［6］，第一次和32.5 水泥水化過程一樣，是水泥熟料礦物的水化，第二次水化是由第一次水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2與添加劑以及礦渣粉和粉煤灰的活性組分相互作用，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)水化都持續(xù)進(jìn)行，水化初期，CBC 的水化劇烈程度要次于32.5 水泥，后期會(huì)表現(xiàn)出高強(qiáng)度的增加。按照國(guó)標(biāo)試驗(yàn)方法要獲得數(shù)據(jù)需要自然養(yǎng)護(hù)3 d 和28 d，但是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室是通過蒸汽養(yǎng)護(hù)1 d 后測(cè)得的，因?yàn)檎羝龠M(jìn)了水化反應(yīng)，使在較短的時(shí)間里水化達(dá)到自然養(yǎng)護(hù)28 d的效果，使水硬化得到了充分的反應(yīng)，因此出現(xiàn)了CBC 比32.5 水泥抗壓強(qiáng)度好。

圖1 膠凝材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 化學(xué)添加劑對(duì)混泥土抗壓強(qiáng)度的影響

考察了添加硫酸鋁、氯化鈣、硫酸鈉、氯化鈉、硫酸鈉和氯化鈉、SBL(水玻璃)、三乙胺醇在相同摻量(按照膠凝材料的1%)與無(wú)添加化學(xué)添加劑的情況下，對(duì)混凝土活化強(qiáng)度的影響。圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:幾種添加劑相比之下，Na2SO4的作用效果明顯優(yōu)于其他幾種。其主要原因是Na2SO4在CBC 膠凝材料水化過程中，通過離子交換，解離出的SO42－與CBC 水化的Ca2+發(fā)生重組，形成了類似C-S-H 凝膠，而其他試劑的作用機(jī)理則不同，從而添加Na2SO4要優(yōu)于其他幾種化學(xué)添加劑。

圖2 添加劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 添加劑用量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 考察了添加劑Na2SO4從0～1.4%(膠凝材料的%添加)逐漸增加，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，在混凝土組成材料一定的情況下，添加劑的用量對(duì)混凝土的影響有關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著添加劑的用量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，添加劑的用量在0.5%～1.2%抗壓強(qiáng)度最好，其原因是添加劑用量過少，導(dǎo)致水化過程中堿性度不高水硬化速度慢，在蒸養(yǎng)一天的條件下不利于增強(qiáng)強(qiáng)度，用量越多，堿度越高，使水化硬化反應(yīng)速度加快，在蒸養(yǎng)條件下，能夠充分硬化，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖3 添加劑含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.4 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

分別考察了32.5 水泥和CBC 混凝土在蒸養(yǎng)后，不同自養(yǎng)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度比較，由圖4 所示，蒸養(yǎng)一天后再自養(yǎng)3 d 后，抗壓強(qiáng)度上升趨勢(shì)不是很明顯，機(jī)理為隨著時(shí)間的增加，水化反應(yīng)不再進(jìn)行，因此隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，強(qiáng)度會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.5 X 衍射分析

圖5為FMH、KZF、SL、CBC 復(fù)合材料及樣品C30 的XRD 圖譜。由圖中曲線可以看出，大部分呈非晶態(tài)。經(jīng)分析FMH、KZF、SL、CBC 復(fù)合材料中的主要為礦物SiO2、CaO 和Al2O3，在2θ=250、300、350 周圍出現(xiàn)了一些彌散的峰，說明有無(wú)定形產(chǎn)物生成，經(jīng)分析含有少量的晶相，是硅灰石、槍晶石和硅酸二鈣等。樣品C30 與其它幾個(gè)圖譜對(duì)比，最明顯的變化是峰變成非常尖銳強(qiáng)烈的衍射峰，經(jīng)分析，生成產(chǎn)物中主要是Ca3SiO3(3CaO·SiO2)、方解石CaCO3和水化硅酸鈣3CaO·2SiO2·3H2O，這幾種物質(zhì)相互組成C-S-H 凝膠結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)、穩(wěn)定的性質(zhì)［6－8］。

圖5 樣品的XRD 圖譜

3 結(jié)論

本文通過礦渣和粉煤灰制備的CBC 復(fù)合材料及混凝土的強(qiáng)度作用，通過CBC 復(fù)合材料配方及實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化，CBC 復(fù)合材料具有很好的力學(xué)性能、耐高溫、耐凍及耐久性。影響混凝土性能的因素有礦物組成、膠骨比、水膠比、養(yǎng)護(hù)工藝條件，養(yǎng)護(hù)時(shí)間、添加劑種類及用量等。在這些因素控制好的情況下，在CBC 占總量的30%時(shí)制備出了混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，可以代替市售普通硅酸鹽32.5水泥，并且性能有進(jìn)一步的提高潛力，有望代替天然石材、高性能的混凝土在建筑工程中的應(yīng)用，CBC 復(fù)合材料的化學(xué)組成規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

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