化學激發(fā)劑對再生微粉活性激發(fā)研究*

□□ 王朝霞 (山西職業(yè)技術學院，山西 太原 030006)

引言

隨著我國城市化建設和舊城改造步伐的加快，建筑垃圾產(chǎn)生量逐年增加，體量巨大的建筑垃圾嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，造成大氣和土壤污染。建筑垃圾被稱為“放錯地方的資源”，目前我國建筑垃圾的處理仍以堆放和填埋為主，資源化利用率不足10%，與歐美等發(fā)達國家建筑垃圾資源利用率(90%以上)存在較大差距，建筑垃圾資源化再利用空間巨大。

建筑垃圾中的磚、石、砂漿、混凝土等廢料經(jīng)破碎處理后制成再生骨料，取可代天然骨料生產(chǎn)混凝土及制品[1]，這對節(jié)約天然資源、降低骨料成本、減少環(huán)境污染、促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展有著積極作用。在建筑垃圾制備再生骨料過程中，伴隨產(chǎn)生或直接加工而成的粒徑<75 μm的顆粒，稱為再生微粉[2]，再生微粉中含有具有潛在活性的組分SiO2和Al2O3，可以作為輔助膠凝材料代替部分水泥使用，發(fā)揮其火山灰活性和微集料填充效應，改善水泥基材料的性能[3]。

再生微粉活性激發(fā)方式主要有物理激發(fā)和化學激發(fā)，物理激發(fā)是通過機械力粉磨使再生微粉比表面積增大，晶型穩(wěn)定的α-SiO2轉變?yōu)闊o定形態(tài)的SiO2，使微粉活性增加；化學激發(fā)是通過加入一些化學試劑，提高再生微粉水化硬化能力，生成具有較高強度和水硬性的凝膠體系而增加活性[4]。常用的化學激發(fā)劑為堿性激發(fā)劑，包括苛性堿、碳酸鹽類、硫酸鹽類、硅酸鹽類、磷酸鹽類等。董自修[5]在再生微粉中單摻和復摻堿激發(fā)劑制備地聚物基再生材料，以再生材料的抗壓強度為判斷依據(jù)，得出不同激發(fā)劑的激發(fā)效果依次為：NaOH>Na2SiO3·9H2O>Na2CO3。金彪等[6]使用Ca(OH)2、Na2SO4、CaCl2為激發(fā)劑激發(fā)再生微粉活性制備蒸壓磚，以抗壓強度評價激發(fā)效果，Ca(OH)2的激發(fā)效果最好。王海進等[7]以Ca(OH)2和Na2SiO3·9H2O為化學激發(fā)劑激發(fā)再生微粉活性后代替部分水泥，兩種激發(fā)劑均能有效激發(fā)再生微粉活性，提高水泥膠砂試體強度。李琴等[8]研究了養(yǎng)護溫度對堿激發(fā)效果的影響，研究表明，20 ℃條件下，堿激發(fā)再生微粉活性最好，養(yǎng)護后砂漿試體孔隙率最低，抗壓強度最高。

本文在前期研究的基礎上，首先通過氣流粉碎機粉磨30 min自制再生微粉，評價再生微粉的物理性能，然后使用化學激發(fā)劑NaOH、Ca(OH)2、Na2SiO3·9H2O進一步激發(fā)再生微粉的活性，將再生微粉以30%比例代替水泥制備水泥膠砂試體，經(jīng)20 ℃標準養(yǎng)護3 d、28 d后，以強度檢測結果和28 d活性指數(shù)評價化學激發(fā)效果，以期提高再生微粉的活性，從而增大其利用率。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥：某新型干法水泥企業(yè)生產(chǎn)的P·O 42.5，水泥的物理化學指標見表1。

表1 水泥物理化學指標

再生微粉：由實驗室廢棄混凝土試塊先經(jīng)顎式破碎機破碎、再經(jīng)氣流粉碎機粉磨30 min后制得，其化學成分見表2。

表2 再生微粉的化學成分 %

化學激發(fā)劑：NaOH、Ca(OH)2、Na2SiO3·9H2O。

標準砂：中國ISO標準砂，每袋凈含量(1 350±50)g。

水：自來水。

1.2 試驗儀器與方法

氣流粉碎機：型號為MQW02。

行星式水泥膠砂攪拌機：型號為JJ-5。

水泥膠砂振實臺：型號為ZS-15，成型膠砂試體規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm。

標準水泥混凝土養(yǎng)護箱：型號為YH-40B。

微機控制電液水泥壓力試驗機：型號為YAW-300B。

激光粒度儀：型號為LS-909，干法測試。

X射線衍射儀：型號為DX-2700，掃描角度范圍2θ為10°～60°。

掃描電子顯微鏡：型號為HITACHI S-4800，再生微粉樣品經(jīng)噴金處理后觀察。

水泥膠砂試體的成型、養(yǎng)護、破型按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行，再生微粉物理性能檢測按照JG/T 573—2020《混凝土和砂漿用再生微粉》中規(guī)定的方法進行。

2 試驗設計

此次試驗共設計5組，A組為對照組，全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備膠砂試體；B組為沒有被化學激發(fā)的再生微粉，以30%比例取代水泥制備膠砂試體；C組為再生微粉以30%比例取代水泥制備膠砂試體，其中摻入質(zhì)量分數(shù)為2.5%、3.5%、4.5%、5.5%的NaOH激發(fā)劑；D組為Ca(OH)2激發(fā)劑，E組為Na2SiO3·9H2O激發(fā)劑，D、E組激發(fā)劑摻量與膠砂試體制備方法同C組。具體試驗配比方案見表3。

表3 試驗配比設計方案

3 結果與討論

3.1 再生微粉分析

經(jīng)破碎、氣流粉碎機粉磨30 min后的再生微粉的XRD表征如圖1所示，從XRD圖中衍射峰的強度可以看出，再生微粉的主要成分為CaCO3和SiO2,這與表2中再生微粉的化學成分相一致，其中SiO2主要來自于廢棄混凝土試塊中的粗、細骨料，CaCO3為水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與空氣中CO2碳化作用而成，二者在一定程度上能促進膠凝材料的水化，提高膠砂試體的強度，為通過化學激發(fā)改善再生微粉活性提供了基礎。

圖1 再生微粉的XRD表征

再生微粉微觀形貌表征如圖2所示，從中可以看出，經(jīng)過粉磨的再生微粉粒度分布比較均勻，表面棱角被鈍化，形狀不規(guī)則，比表面積得到進一步提升，被水化產(chǎn)物包裹的活性被釋放出來。

圖2 再生微粉的SEM表征

再生微粉粒度分布如圖3所示。從粒度分布曲線可以看出，再生微粉的粒徑分布范圍窄，粒度小，代替水泥使用后，可以使水泥的顆粒級配有所改善，降低內(nèi)部孔隙率，增大漿體密實度，提高膠砂試體強度[9]。

圖3 再生微粉粒度分布圖

對再生微粉進行物理性能檢測，用45 μm方孔篩負壓篩析3 min，篩余百分數(shù)為8.5%；按照標準JG/T 573—2020《混凝土和砂漿用再生微粉》附錄中規(guī)定的膠砂配合比和流動度測試方法進行流動度測試，計算出再生微粉需水量比為103%，流動度2 h經(jīng)時變化量為36 mm；測試膠砂試體28 d抗壓強度值，計算出再生微粉28 d活性指數(shù)為73%，對照標準中相應技術指標，可以判定制備得到的為Ⅰ級再生微粉。

3.2 強度結果分析

5組樣品3 d、28 d的強度值和28 d活性指數(shù)見表4，從表中可以看出，加入堿性激發(fā)劑后，再生微粉3 d、28 d強度值雖然沒有對照組A強度值高，但均高于未加入激發(fā)劑的B組樣品，說明堿性激發(fā)劑能有效提高再生微粉的活性，這是由于堿性激發(fā)劑能促進水泥漿體堿度提高，在堿性環(huán)境下，硅酸鹽和鋁酸鹽玻璃體網(wǎng)絡中的Si-O和Al-O鍵發(fā)生斷裂[10]，形成游離態(tài)的不飽和活性鍵，更容易與砂漿中的活性組分發(fā)生縮聚反應，形成具有一定強度和水硬性的水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠，從而提高膠砂試體的強度值。

表4 樣品3 d、28 d的強度值和28 d活性指數(shù)

圖4為不同種類、不同摻量激發(fā)劑對3 d、28 d抗壓強度激發(fā)效果對比圖，從中可以看出，不同堿性激發(fā)劑對再生微粉活性激發(fā)存在最佳摻量。

圖4 不同種類、不同摻量激發(fā)劑對抗壓強度激發(fā)效果對比

NaOH摻量為4.5%時強度達到最大值，膠砂試體28 d抗壓強度值與不摻激發(fā)劑相比提高了12.56%，隨著激發(fā)劑摻量的增加，試體的強度先增大后減小,這是由于隨著OH-濃度增大，OH-會與活性Al2O3、SiO2以及游離出的Ca2+發(fā)生反應，形成C-S-H和C-A-H凝膠，提高試體強度，但過量的NaOH會降低Ca2+濃度，導致Ca(OH)2含量減少，水泥水化速度降低，進而膠砂試體強度下降。

摻加Ca(OH)2激發(fā)劑的試體強度隨著其摻量的增加也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，Ca(OH)2摻量為3.5%時強度達到最大值，28 d抗壓強度值與不摻激發(fā)劑的相比提高了16.08%。Ca(OH)2的激發(fā)效果明顯優(yōu)于NaOH，這是由于Ca(OH)2不僅可以提供OH-，其本身就具有一定的膠凝性，含有的Ca2+能更好地促進鈣質(zhì)凝膠體系的生成，從而增大膠砂試體的強度。

3.3 活性指數(shù)分析

28 d活性指數(shù)變化柱狀圖如圖5所示，與不摻激發(fā)劑樣品28 d活性指數(shù)73%相比，經(jīng)堿激發(fā)作用，再生微粉28 d活性指數(shù)均有不同程度的提高，不同激發(fā)劑的激發(fā)效果依次為：Ca(OH)2>NaOH>Na2SiO3·9H2O。三種激發(fā)劑中Ca(OH)2的活性激發(fā)效果最好，摻量為3.5%時，再生微粉28 d活性指數(shù)可達到85%。

圖5 28 d活性指數(shù)變化柱狀圖

4 結論

4.1 經(jīng)過氣流粉碎機粉磨30 min可以制備出Ⅰ級再生微粉，各項物理指標符合標準要求，可用于代替部分水泥生產(chǎn)混凝土、砂漿等水泥基建筑材料。

4.2 堿性激發(fā)劑可有效提高再生微粉的活性，在最佳摻量條件下，再生微粉28 d活性指數(shù)可由73%提高到85%，以30%比例替代水泥制備水泥膠砂試體，28 d抗壓強度最高達到46.2 MPa，達到通用硅酸鹽水泥42.5等級強度指標要求，極大提升了再生微粉的利用率。

4.3 三種不同堿性激發(fā)劑激發(fā)效果依次為：Ca(OH)2>NaOH>Na2SiO3·9H2O，不同激發(fā)劑存在不同最佳摻量，NaOH的最佳摻量為4.5%，Ca(OH)2的最佳摻量為3.5%， Na2SiO3·9H2O的最佳摻量為5.5%。