礦渣微粉與珍珠巖尾礦復(fù)合對免燒陶粒性能的影響

丁正東，孫家瑛,2

(1.上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444；2.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，寧波 315000)

0 引 言

人造輕集料混凝土具有輕質(zhì)保溫隔熱等性能，隨著陶粒種類增多與工藝進(jìn)步，其制備工藝得到了一定的發(fā)展。與燒結(jié)陶粒技術(shù)相比，免燒陶粒的閉口空隙多而小，能夠降低能耗，開辟了陶粒生產(chǎn)新方法，但該技術(shù)發(fā)展緩慢。20世紀(jì)80年代后期，美國和荷蘭開始大量生產(chǎn)粉煤灰免燒陶粒應(yīng)用于磚石砌塊和預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)混凝土中[1]。近年來科研人員在免燒陶粒方面進(jìn)行了一些嘗試：徐晶等[2]使用稀土尾礦制備多孔免燒陶粒；周顏等[3]利用疏浚底泥為原料研制免燒陶粒；朱萬旭等[4]探討了利用工業(yè)廢料粉煤灰研制出免燒陶粒的可行性；高鵬等[5]利用淤泥為主要原料制備免燒陶粒，并找到了最優(yōu)配比。但免燒陶粒在現(xiàn)今研究階段仍存在許多缺陷，例如:吸水率過大，導(dǎo)致混凝土泵送施工困難;陶粒需提前泡水達(dá)到飽和，操作困難；使用水泥為陶粒提供強(qiáng)度支持，熟料消耗量大等[6-7]。

本文以高爐礦渣微粉、珍珠巖尾礦粉和水玻璃作為原料，制作了無熟料免燒陶粒，為無熟料免燒陶粒研制提供了新思路。利用工業(yè)廢渣，變廢為寶，減少了水泥熟料的使用，具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。利用廢棄的珍珠巖尾礦粉，摻入陶粒中不僅可以降低陶粒密度，同時其硅含量較多，具有良好的保溫性能，可大幅降低輕集料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。高爐礦渣微粉具有較高的潛在活性，作為水泥替代品表現(xiàn)出了較優(yōu)異的潛能[8-10]，因此選用礦渣微粉作為陶粒中的膠凝材料。利用水玻璃激發(fā)陶粒中的礦渣微粉，提供OH-和[SiO4]4-，礦渣玻璃體表面的Ca2+、Mg2+等與OH-結(jié)合后，與Si—O—Si、Al—O—Al鍵連接，使玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞[11-12]，發(fā)生水化反應(yīng)，生成絮狀凝膠。本文對高爐礦渣性能進(jìn)行分析，通過試驗確定水玻璃激發(fā)礦渣的最佳模數(shù)與最佳摻量。在此基礎(chǔ)上，研究珍珠巖尾礦粉摻量對陶粒的筒壓強(qiáng)度與堆積密度影響，選擇合適的配比。在最佳配合比下，在陶粒表面增加水玻璃防水層，降低陶粒吸水率，并對無熟料免燒陶粒進(jìn)行基本性能、孔隙尺寸，以及配制混凝土強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)等性能進(jìn)行表征。免燒陶粒在道路基層應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 實 驗

1.1 激發(fā)劑與材料

水玻璃(液體硅酸鈉)來自東岳，模數(shù)為3.3，波美度為40，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34%。

氫氧化鈉為實驗室用(分析純)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于96%，符合GB/T 629—1997《化學(xué)試劑 氫氧化鈉》要求。

珍珠巖尾礦來自浙江省麗水市縉云縣，是開采珍珠巖所產(chǎn)生的尾礦粉，密度為1.72 g/cm3，經(jīng)篩析儀85 μm篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.8%，化學(xué)成分分析見表1。珍珠巖的玻璃相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不具有潛在活性，不參與水化反應(yīng)，單獨(dú)作為集料摻入陶粒，可大大降低陶粒密度，增強(qiáng)保溫性能。

表1 珍珠巖尾礦粉化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of perlite tailings powder

高爐礦渣來自寧波鋼鐵公司，為灰黑色粗粒，不含助磨劑，將其放入105 ℃干燥箱中干燥12 h后取出，經(jīng)球磨機(jī)粉磨，通過0.08 mm方孔篩篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%。經(jīng)測得，密度為2.88 g/cm3，比表面積為404 m2/kg，化學(xué)成分組成見表2。根據(jù)GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》附錄A實驗方法，測得礦渣微粉活性指數(shù)(見表3)，滿足S75級礦渣粉要求。經(jīng)計算，堿性系數(shù)為4，為堿性礦渣，質(zhì)量系數(shù)為4.8，活性優(yōu)良。

表2 礦渣微粉化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of fine slag powder

表3 礦渣微粉活性指數(shù)Table 3 Activity index of fine slag powder

1.2 試驗方法

水玻璃模數(shù)試驗中，固定礦渣微粉與激發(fā)劑之間質(zhì)量比為92 ∶8，水灰比為0.4。水玻璃摻量試驗中，固定水玻璃模數(shù)為1.06，水灰比為0.4。珍珠巖尾礦試驗中，固定礦渣微粉與激發(fā)劑質(zhì)量比為90 ∶10，并摻入不同質(zhì)量比的珍珠巖尾礦粉。混凝土試驗中，混凝土配合比見表4。所有試驗中，未注明養(yǎng)護(hù)齡期時，養(yǎng)護(hù)齡期均為28 d。

表4 混凝土配合比Table 4 Concrete mix ratio /(kg·m-3)

圖1 礦渣微粉摻珍珠巖尾礦粉免燒陶粒Fig.1 Slag powder mixed with perlite tail mineral powder to avoid burning ceramsite

水玻璃激發(fā)高爐礦渣微粉強(qiáng)度試驗根據(jù)國家規(guī)范GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO法)》進(jìn)行，將攪拌好的砂漿倒入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)鋼模中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h脫模，并標(biāo)養(yǎng)到齡期后，對比每組試塊3 d和28 d強(qiáng)度。高爐礦渣微粉膠凝材料凝結(jié)時間根據(jù)GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》測定，將按標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量配制的凈漿連同試模放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)一定時間，以試針沉至距底板3～5 mm時的時間為初凝時間，以環(huán)形試件不能在試體上留下痕跡時的時間為終凝時間。使用氫氧化鈉(分析純)調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)，根據(jù)GB/T 4209—2008《工業(yè)硅酸鈉》確定模數(shù)值。陶粒的成型使用鄭州品創(chuàng)機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的500型圓盤成球機(jī)，激發(fā)劑溶于水后噴淋，得到的陶粒級配良好，粒徑為5～16 mm的陶粒如圖1所示。陶粒的技術(shù)要求及試驗方法參照GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗方法 第1部分：輕集料》和GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法》。將選取好的陶粒分兩次裝入承壓桶，振動密實并刮平桶口，以300～500 N/s的速度加壓陶粒，記錄沖壓模壓入深度20 mm時的壓力，以此計算筒壓強(qiáng)度。使陶粒離容器口50 mm處在容量筒中自然下落，裝滿后用直尺從中間向兩邊刮平，凹陷處用較小的陶粒填平，按公式計算陶粒堆積密度。將烘干后的300 g陶粒浸入水中1 h，用毛巾滾動8次后放入瓷盤，再將陶粒放入量筒并加500 mm水，讀出量筒水位，根據(jù)已知的金屬板的體積計算陶粒的表觀密度。輕集料混凝土配合比根據(jù)JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計，導(dǎo)熱系數(shù)使用PDR-Ⅱ?qū)嵯禂?shù)測定儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 水玻璃模數(shù)對抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時間的影響

圖2為膠凝材料抗壓強(qiáng)度隨水玻璃模數(shù)的變化，從圖2可知，水玻璃影響礦渣微粉抗壓強(qiáng)度的最佳模數(shù)范圍在1.06左右，符合Shi等[13]提出的水玻璃激發(fā)礦渣微粉最佳模數(shù)在1～1.5之間的結(jié)論。結(jié)果表明：當(dāng)模數(shù)小于1.06時，膠凝材料抗壓強(qiáng)度變化比較平緩，隨水玻璃模數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度緩慢增長；當(dāng)模數(shù)超過最佳范圍后，隨著模數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度急劇減小，即模數(shù)對礦渣微粉強(qiáng)度的影響顯著。水玻璃模數(shù)較小時，激發(fā)劑中能夠保證堿含量充足，使礦渣玻璃體充分被OH-分解發(fā)生水化。到達(dá)最佳模數(shù)之前，激發(fā)劑不僅提供了充足的OH-，并且[SiO4]4-增多，可與Ca2+、Al3+等快速結(jié)合，形成凝膠。而當(dāng)水玻璃模數(shù)過大后，雖然提供了足夠多的[SiO4]4-，但OH-含量過少，不足以使礦渣玻璃體全部溶解與水化完全。膠凝材料凝結(jié)時間隨水玻璃模數(shù)的變化如圖3所示，隨水玻璃模數(shù)增加，膠凝材料的凝結(jié)時間不斷縮短，并且當(dāng)模數(shù)超過最佳范圍后，凝結(jié)時間急劇縮短。這是因為模數(shù)過大時[SiO4]4-過多，雖然OH-含量低，但其激發(fā)出的Ca2+等會與[SiO4]4-快速反應(yīng)，短時間內(nèi)生成大量絮狀膠凝產(chǎn)物，使?jié){體迅速凝結(jié)。但快速生成的膠凝體會制約礦渣微粉進(jìn)一步水化，并且激發(fā)劑不能提供充足的OH-，使得凝結(jié)時間短但強(qiáng)度低。根據(jù)以上結(jié)果分析，選擇激發(fā)礦渣微粉的水玻璃模數(shù)為1.06。

圖2 膠凝材料抗壓強(qiáng)度隨水玻璃模數(shù)的變化Fig.2 Compressive strength of cementitious materials varies with modulus of water glass

圖3 膠凝材料凝結(jié)時間隨水玻璃模數(shù)的變化Fig.3 Setting time of cementitious materials varies with modulus of water glass

水玻璃模數(shù)為1.06時，反應(yīng)的主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，反應(yīng)的主要水化反應(yīng)式如式(1)、式(2)所示：

SiO2(活性)+Ca(OH)2(aq)→CaO·SiO2(aq)

(1)

Al2O3(活性)+Ca(OH)2(aq)→CaO·Al2O3(aq)

(2)

圖4 膠砂水化28 d的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of mortar hydrated for 28 d

采用模數(shù)為1.06的水玻璃做激發(fā)劑時，膠砂28 d水化反應(yīng)產(chǎn)物的微觀形貌如圖4所示。在OH-的激發(fā)作用下，礦渣玻璃體解體，解體后的Ca2+與OH-與礦渣中活性硅、鋁等成分反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣凝膠，水化產(chǎn)物附著在砂的周圍，與砂形成整體，這是膠砂強(qiáng)度形成并發(fā)展的根本原因。礦渣在粉磨過程中可能加入一定的石膏助磨，因此在整個體系中有少量的鈣礬石生成。同時，膠砂中也有少量未水化的礦渣存在，這些未水化的礦渣將在后期緩慢水化，促進(jìn)體系后期強(qiáng)度的發(fā)展。

2.2 激發(fā)劑摻量對抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時間的影響

激發(fā)劑摻量對膠凝材料抗壓強(qiáng)度及凝結(jié)時間的影響如圖5和圖6所示。

圖5 激發(fā)劑摻量對抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of the dosage of activator on compressive strength

圖6 激發(fā)劑摻量對凝結(jié)時間的影響Fig.6 Influence of the dosage of activator on setting time

相同模數(shù)下，水玻璃摻量對礦渣微粉的水化反應(yīng)也有極大影響。如圖5所示，隨著激發(fā)劑摻量增加，所提供的OH-越多，能夠迅速溶解礦渣玻璃體，釋放的Ca2+等又迅速與[SiO4]4-結(jié)合生成C-S-H膠凝體，抗壓強(qiáng)度不斷提高。但當(dāng)?shù)V渣微粉與激發(fā)劑質(zhì)量比例為88 ∶12時，抗壓強(qiáng)度較質(zhì)量比為90 ∶10時突然減小。如圖6所示，膠凝材料凝結(jié)時間隨激發(fā)劑摻量增加而快速縮短。當(dāng)?shù)V渣微粉與激發(fā)劑質(zhì)量比為88 ∶12時，初凝時間只有4 min，終凝23 min，說明水化速度過快，迅速生成的C-S-H膠體包裹住未水化的礦渣微粉顆粒，阻止其與激發(fā)劑接觸，最終導(dǎo)致強(qiáng)度倒縮。另一方面水化速度過快導(dǎo)致陶粒難以成型，并且脆性較大。根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，為使陶粒具有較高強(qiáng)度，選擇礦渣微粉與激發(fā)劑質(zhì)量比為90 ∶10作為激發(fā)劑摻量比。雖然其初凝時間只有8 min，但之后所摻入的珍珠巖尾礦粉對膠凝材料有很大影響，并且凝結(jié)時間短對制作陶粒也比較有利。

2.3 珍珠巖尾礦摻量對陶粒筒壓強(qiáng)度、堆積密度的影響

珍珠巖尾礦摻量對筒壓強(qiáng)度與堆積密度的影響如圖7和圖8所示。珍珠巖尾礦粉雖然對降低陶粒堆積密度有突出作用，但其對筒壓強(qiáng)度影響更大。這是由于密度低的珍珠巖尾礦粉即使摻入比變化很小，但體積量變化較大，致使陶粒所含膠凝材料比例迅速降低，能夠提供的強(qiáng)度支撐減少，從而導(dǎo)致陶粒強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化。因此，必須在保證一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，選擇最低密度的配比，使陶粒能夠具有輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)。最終選擇礦渣微粉與珍珠巖尾礦粉質(zhì)量比為90 ∶10，此時陶粒強(qiáng)度為7.43 MPa，堆積密度為882 kg/m3，滿足高強(qiáng)輕粗集料的要求。

圖7 珍珠巖尾礦摻量對陶粒筒壓強(qiáng)度影響Fig.7 Influence of perlite tailings content on the compressive strength of cylinder

圖8 珍珠巖尾礦摻量對陶粒堆積密度影響Fig.8 Influence of perlite tailings content on the bulk density of ceramsite

2.4 陶粒性能分析

圖9 陶粒內(nèi)部空隙Fig.9 Inner space of ceramsite

2.4.1 陶粒的基本物理性能

按照以上試驗所得配合比，使用成球機(jī)生產(chǎn)陶粒，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，測得陶粒基本性能見表5，筒壓強(qiáng)度為7.50 MPa，密度等級為900 kg/m3，軟化系數(shù)為0.92，含泥量為2.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，煮沸質(zhì)量損失為2.84%,均滿足輕集料要求。由堆積密度和表觀密度可得空隙率為31.84%，成球過程產(chǎn)生的較多細(xì)小閉合孔隙，將對陶粒的保溫性能有利。陶粒內(nèi)部閉孔孔隙斷面如圖9所示，陶粒內(nèi)部存在較多直徑約為100～200 μm之間的密集孔隙，可有效阻止熱量傳播，降低導(dǎo)熱系數(shù)。

表5 陶?；拘阅躎able 5 Basic properties of ceramsite

2.4.2 陶粒吸水率

陶粒24 h以內(nèi)吸水率變化如圖10所示，可知陶粒在60 min內(nèi)吸水率為11.29%，已接近飽和，24 h吸水率為11.68%。雖然陶粒吸水率滿足小于15%的要求，但吸水率超過5%后將對混凝土的工作性和混凝土耐久性有很大影響，不利于陶粒的廣泛應(yīng)用。因此，對完成養(yǎng)護(hù)的陶粒進(jìn)行表面防水處理，使水玻璃均勻覆蓋陶粒表面，待干燥后測定吸水率變化，結(jié)果如圖11所示，經(jīng)過水玻璃處理并干燥后的陶粒吸水率明顯降低，24 h后吸水率僅為4.88%，小于5%。

圖10 表面處理前吸水率Fig.10 Water absorption before surface treatment

圖11 表面處理后吸水率Fig.11 Water absorption after surface treatment

2.5 輕集料混凝土應(yīng)用分析

城市道路布有大量的污水管道、雨水管道以及通信和電力管道，因此道路中存有大量的窨井，用以負(fù)責(zé)觀察與疏通。由于道路施工過程中窨井周圍道路基層無法實施壓實，因此主體道路基層的壓縮系數(shù)明顯小于窨井周圍道路基層，國家規(guī)范規(guī)定主體道路基層壓實度98%以上，而窨井周圍道路基層一般小于85%。因此在實施交通運(yùn)行過程中容易造成窨井沉陷，使道路行駛舒適性和安全性受到明顯影響。

在上海市某城市一級道路窨井周圍道路基層使用礦渣微粉摻珍珠巖尾礦粉免燒陶粒配制LC30結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土，配合比設(shè)計見表4，陶粒級配連續(xù)，范圍為5～16 mm。測得混凝土7 d抗壓強(qiáng)度為27.9 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為35.5 MPa。密度等級為1 700 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.74 W/(m·K)。而相同強(qiáng)度等級的普通混凝土干密度為2 200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.28 W/(m·K)，均遠(yuǎn)大于本輕集料混凝土相應(yīng)值。

此外，基礎(chǔ)道路土路基的壓實度為98.5%，取樣測得壓縮系數(shù)為0.68。窨井周圍道路基層的壓縮系數(shù)0.001，應(yīng)用效果良好，防止了城市道路窨井沉陷。

3 結(jié) 論

(1)水玻璃可以激發(fā)礦渣微粉的活性，反應(yīng)的主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。水玻璃模數(shù)過高，多余的OH-會短時間內(nèi)激發(fā)礦渣微粉生成過多的水化產(chǎn)物包裹礦渣微粉，抑制礦渣微粉的進(jìn)一步反應(yīng)，最合適的激發(fā)劑的模數(shù)為1.06，礦渣微粉與激發(fā)劑最佳質(zhì)量比為90 ∶10。

(2)珍珠巖尾礦密度相對礦粉較低，在陶粒中摻入一定量的珍珠巖尾礦可以顯著降低陶粒的堆積密度。但是珍珠巖尾礦活性較差，過多地?fù)饺胝渲閹r尾礦會大大降低陶粒的筒壓強(qiáng)度。選擇礦渣微粉與珍珠巖尾礦粉最佳質(zhì)量比為90 ∶10，此時陶粒強(qiáng)度為7.43 MPa，堆積密度為882 kg/m3，可以滿足高強(qiáng)輕粗集料的要求。

(3)經(jīng)過水玻璃處理后的陶粒，吸水性能得到較大的改善，吸水率明顯降低，24 h后吸水率僅為4.88%，小于5%。經(jīng)過防水處理后的陶粒將使混凝土的工作性和耐久性朝著有利的方向發(fā)展，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

(4)將礦渣微粉摻珍珠巖尾礦粉免燒陶粒作為集料配制LC30混凝土，所澆筑的窖井周圍道路基層的壓縮系數(shù)遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)道路路基的壓縮系數(shù)，在一定程度上解決了窨井周圍道路基層無法實施壓實的問題，有較好的應(yīng)用前景。