鋼鐵渣基泡沫混凝土制備及特性研究*

鄭佳萌 許心萌 易明珠 張鵬超 馬欣彤

(西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院土木工程學(xué)院 西安 710043)

近幾年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,我國(guó)建筑能耗與社會(huì)總能耗之比逐年上升(目前已接近1/3),建筑節(jié)能已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的關(guān)鍵舉措之一。此外,鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢渣,其排放量約為鋼產(chǎn)量的15%。目前,我國(guó)鋼渣存放量高達(dá)18億t,由于缺乏高附加值的資源化利用途徑,其綜合利用率僅為30%。因此,如何使鋼鐵渣基泡沫混凝土的變廢為寶,已成為急迫和重要的問(wèn)題。

筆者從鋼鐵渣基泡沫混凝土的制備方面出發(fā),在分析其特性的基礎(chǔ)上,從水化特性、吸音性能和保溫性能等方面分析了鋼鐵渣基泡沫混凝土目前未能投入大規(guī)模使用的原因,為后期的研究與發(fā)展提供參考,從而增加功能性建材品種,并解決了鋼渣堆放造成的環(huán)境問(wèn)題。

1 鋼鐵渣基泡沫混凝土

1.1 泡沫混凝土

泡沫混凝土又稱(chēng)“氣泡混凝土”或“輕質(zhì)混凝土”,是通過(guò)氣泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡后,再將泡沫加入到含硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、水及各種外加劑等組成的料漿中,經(jīng)混合攪拌,發(fā)泡機(jī)的泵送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工或模具成形,然后經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)后所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料?？捎糜谖菝姹?、地面保溫墊層、上翻梁基坑填充、墻體澆注等的節(jié)能材料。

泡沫混凝土屬氣泡狀絕熱材料,其突出特點(diǎn)是在混凝土內(nèi)部形成封閉的泡沫孔,從而使混凝土輕質(zhì)化和保溫隔熱化。由于泡沫混凝土中含有大量封閉的孔隙,使其具有輕質(zhì)、保溫隔熱性能好、隔音耐火性能好、低彈減震性好、防水性能好、耐久性能好、環(huán)保性能好、生產(chǎn)加工方便、施工方便等特性。

1.2 鋼鐵渣基泡沫混凝土

世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開(kāi)基礎(chǔ)建設(shè)的新建、提升與完善,混凝土是基礎(chǔ)建設(shè)中最大宗的材料,每年的產(chǎn)量已超過(guò)100億t。鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢渣,其排放量約為鋼產(chǎn)量的15%。然而我國(guó)的鋼渣在水泥生產(chǎn)和混凝土工業(yè)領(lǐng)域的利用率卻一直都比較低;美國(guó)的鋼渣基本上實(shí)現(xiàn)了排用平衡,歐洲的大部分鋼渣也已得到了高效的利用。

近年來(lái),我國(guó)越來(lái)越重視建筑節(jié)能工作,采用鋼渣代替水泥制備鋼鐵渣基泡沫混凝土具有可行性,與普通的混凝土相比,鋼鐵渣基泡沫混凝土具有自重輕、保溫隔熱性能好、透氣透水性能好、隔音耐火性能好、抗震抗壓性能好等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于建筑的保溫、吸音、抗壓等節(jié)能領(lǐng)域。鋼鐵渣基泡沫混凝土的研究與應(yīng)用,在當(dāng)前環(huán)境下,是一項(xiàng)不可忽視的問(wèn)題,鋼渣在泡沫混凝土中的應(yīng)用不僅可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)固廢的循環(huán)利用,而且可以降低泡沫混凝土的生產(chǎn)成本,具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 鋼鐵渣基泡沫混凝土的制備

2.1 國(guó)外情況

鋼鐵渣基泡沫混凝土在國(guó)外的應(yīng)用較早,1923年,歐洲人運(yùn)用預(yù)制氣泡、水泥、砂漿等制造出了真正近代意義上的泡沫混凝土。

在20世紀(jì)初,北歐各國(guó)均致力于泡沫混凝土的技術(shù)開(kāi)發(fā),1926 年,前蘇聯(lián)開(kāi)始研發(fā)泡沫混凝土;1930年,在列寧格勒(現(xiàn)圣彼得堡)開(kāi)始生產(chǎn)泡沫混凝土;1940年,前蘇聯(lián)發(fā)明的發(fā)泡劑受到了來(lái)自世界各國(guó)的青睞。根據(jù)泡沫混凝土行業(yè)發(fā)展報(bào)告顯示,從1975年起,就已經(jīng)相繼有關(guān)于泡沫混凝土的專(zhuān)利申請(qǐng)產(chǎn)生;隨著建筑節(jié)能觀念的普及,泡沫混凝土從萌芽階段直至2010年一直處于平穩(wěn)增長(zhǎng)的狀態(tài);2010 年以后,相關(guān)專(zhuān)利的申請(qǐng)量出現(xiàn)了急速增長(zhǎng)[23]。1975年,日本一名為Kanebo的公司就為一種發(fā)泡混凝土組合物申請(qǐng)了專(zhuān)利,隨后,日本的Asahi Chem Ind、Sumitomo Metal Mining等公司也相繼申請(qǐng)了有關(guān)于泡沫混凝土的專(zhuān)利,這一時(shí)期所申請(qǐng)的相關(guān)專(zhuān)利主要集中在日本。國(guó)外的相關(guān)研究萌芽早于國(guó)內(nèi),發(fā)展時(shí)期較長(zhǎng),實(shí)踐應(yīng)用情況比國(guó)內(nèi)更普及,技術(shù)呈現(xiàn)更為豐富,這也為其后期在鋼鐵渣基泡沫混凝土領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 國(guó)內(nèi)情況

鋼鐵渣基泡沫混凝土在我國(guó)的研究起步較晚,但發(fā)展迅速,近年來(lái)也取得了許多的成果,但由于中國(guó)建立專(zhuān)利體系的時(shí)間較晚,我國(guó)所申請(qǐng)的專(zhuān)利相較于全球?qū)＠暾?qǐng)的發(fā)展趨勢(shì)有一定的滯后性。

1950年,我國(guó)開(kāi)始從前蘇聯(lián)引進(jìn)泡沫混凝土技術(shù);1952年,中國(guó)科學(xué)院土木建筑研究所成立了我國(guó)首個(gè)泡沫混凝土實(shí)驗(yàn)中心;1954年,在我國(guó)哈爾濱生產(chǎn)出了一種蒸壓泡沫混凝土板。根據(jù)泡沫混凝土行業(yè)發(fā)展報(bào)告顯示,國(guó)內(nèi)申請(qǐng)從1989年至2005年的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量較為持平,從2005 年之后出現(xiàn)快速增長(zhǎng),反映了我國(guó)對(duì)建筑節(jié)能工作的重視程度日益深入。國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)的分布主要集中在安徽、江蘇、北京、上海等地,長(zhǎng)三角一帶的高新企業(yè)在泡沫混凝土的創(chuàng)新研究方面的積極性很高[23]。1988年,四川省建材工業(yè)科學(xué)研究院申請(qǐng)了我國(guó)首項(xiàng)有關(guān)泡沫混凝土的專(zhuān)利;1997 年,盧崇德發(fā)明了一種復(fù)合輕質(zhì)的混凝土制品;2007 年,甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院制造出了一種微孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)混凝土。隨后,我國(guó)各高校也相繼公開(kāi)了有關(guān)泡沫混凝土的研究成果:2010 年,河北科技大學(xué)研制出一種含礦渣、尾礦、礦石粉等凝膠材料的承重泡沫混凝土;2012 年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院利用廢棄的水泥砂漿研制出了泡沫混凝土;鹽城工學(xué)院發(fā)明了一種廢磚瓦秸稈泡沫混凝土,并為其申請(qǐng)了專(zhuān)利。我國(guó)最早的有關(guān)鋼鐵渣基泡沫混凝土的專(zhuān)利出現(xiàn)在首鋼總公司,其在專(zhuān)利CN103011723A 中提供了一種大摻量的鋼渣泡沫混凝土砌塊。

以鋼鐵渣基泡沫混凝土為主題的研究至今仍受到學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注,相應(yīng)地,近年來(lái)該領(lǐng)域的研究也更為完善和成熟。

2.3 主要原料

鋼鐵渣基泡沫混凝土的制備原料主要有鋼渣、礦渣及石膏,其各部分的主要成分見(jiàn)表1及不同配比見(jiàn)表2。

表1 鋼鐵渣基泡沫混凝土主要原料及其含有的氧化物種類(lèi)

表2 鋼鐵渣基泡沫混凝土的不同配比

研究結(jié)果表明,在鋼鐵渣基泡沫混凝土的制備過(guò)程中,鋼渣摻量最大可達(dá)48%,當(dāng)鋼渣摻量超過(guò)58%時(shí),試塊將會(huì)出現(xiàn)塌模現(xiàn)象,不利于鋼鐵渣基泡沫混凝土制備過(guò)程的正常進(jìn)行。相關(guān)研究結(jié)果顯示,水膠比會(huì)影響鋼鐵渣基泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響試塊的抗壓強(qiáng)度,水膠比為0.45時(shí)的試塊孔分布均勻,抗壓強(qiáng)度最大[14]。

2.4 制備方法

鋼鐵渣基泡沫混凝土的制備過(guò)程中常用方法有:

(1)配合比設(shè)計(jì)方法。質(zhì)量法、比表面積法以及體積法;

(2)試塊成形方法。壓力成形法以及振動(dòng)壓實(shí)成形法;

(3)測(cè)試方法。X 射線衍射(XRD)、X 射線熒光光譜分析(XRF)、光電子能譜(XPS)分析、固體核磁(NMR)分析、紅外光譜(IR)檢測(cè)、熱重分析(TGDSC)、壓汞法、CT 掃描、PFC重構(gòu)模擬等。

2.5 制備設(shè)備

鋼鐵渣基泡沫混凝土的制備過(guò)程中,常使用的主要設(shè)備見(jiàn)表3。

表3 鋼鐵渣基泡沫混凝土制備常用設(shè)備

2.6 發(fā)泡劑

1940年前蘇聯(lián)中央工業(yè)建筑科學(xué)研究所以植物根莖研究出了植物皂素發(fā)泡劑,同期M·H·格茲列爾和Б·H·卡烏夫曼研究出松香皂發(fā)泡劑,1950年開(kāi)始使用A·T·巴拉諾夫及Л·M 羅普費(fèi)里德發(fā)明的石油磺酸鋁發(fā)泡劑和Л·M 羅普費(fèi)里德研制出的水解血膠發(fā)泡劑。如今的泡沫混凝土發(fā)泡技術(shù),大多來(lái)自于前蘇聯(lián),且其研制的發(fā)泡劑至今仍被廣泛地應(yīng)用。

發(fā)泡劑的類(lèi)型主要有動(dòng)物型發(fā)泡劑、植物型發(fā)泡劑和復(fù)合型發(fā)泡劑等3類(lèi),對(duì)比不同類(lèi)型的發(fā)泡劑綜合性能可發(fā)現(xiàn),復(fù)合型發(fā)泡劑性能最佳,適用于鋼鐵渣基泡沫混凝土的發(fā)泡劑使用[14]。

3 鋼鐵渣基泡沫混凝土的特性

3.1 水化特性

礦渣和鋼渣的水硬活性是潛在的,需受外界激發(fā)劑的作用才能激發(fā)出其水硬活性,鋼渣的水硬活性要比礦渣差[1]。

水化反應(yīng)早期(0～7 d)主要是礦渣的水化,同時(shí)鋼鐵渣基泡沫混凝土中的3CaO·SiO2也參與了水化反應(yīng),隨著鈣礬石的不斷結(jié)晶促進(jìn)了礦渣中鋁(硅)四面體解聚和重新聚合形成C-S-H 凝膠,而鈣礬石和C-S-H 凝膠的生成又促進(jìn)了鋼鐵渣基泡沫混凝土的凝結(jié)硬化和強(qiáng)度的初步形成[14],并且水化產(chǎn)物中由凝膠和鈣礬石共同形成的針棒狀晶體纖維能增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu),使混凝土具有更好的孔隙結(jié)構(gòu)特征和耐久性能。中后期(14～28 d)則以鋼渣的水化為主,鋼鐵渣基泡沫混凝土中的2CaO·SiO2與吸附水作用,生成了C-S-H 凝膠與Ca(OH)2,早期生成的片狀C-S-H 凝膠會(huì)轉(zhuǎn)變成更為致密的球狀C-S-H 凝膠,且鈣礬石密切穿插在該凝膠結(jié)構(gòu)中,從而進(jìn)一步提升了材料的密實(shí)程度[14]。

研究結(jié)果顯示,摻入適量的鋼渣有利于提高泡沫混凝土的強(qiáng)度,且水泥與鋼渣間的協(xié)同作用能促進(jìn)其中后期的水化反應(yīng)進(jìn)程,提高混凝土的密實(shí)程度,從而促進(jìn)鋼鐵渣基泡沫混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

3.2 吸音性能

吸聲材料分為多孔吸聲材料和共振吸聲材料兩大類(lèi),鋼鐵渣基泡沫混凝土相比于石膏板、FC板(纖維水泥板)、金屬板等,不僅節(jié)省了大量的原材料,還符合節(jié)能環(huán)保的要求,同時(shí),也展現(xiàn)了開(kāi)發(fā)新型的綠色低碳建筑吸聲材料的必要性。但因其強(qiáng)度較低、吸聲頻段窄等缺點(diǎn),不足以面對(duì)當(dāng)今復(fù)雜的噪音成分[12]。

吸聲是改善室內(nèi)音質(zhì)和控制噪聲的重要舉措,鋼鐵渣基泡沫混凝土憑借其多孔、通孔的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部含大量連通的小孔等優(yōu)勢(shì),對(duì)入射的聲波具有較強(qiáng)的吸收和投射能力,從而使反射聲波大大減小。同時(shí),振動(dòng)空氣的能力不斷轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗,從而達(dá)到吸聲降噪效果。研究結(jié)果表明,鋼鐵渣基泡沫混凝土對(duì)中低頻各段噪聲具有較好的吸聲功能,中低頻平均吸聲系數(shù)可達(dá)0.48,可使變電站噪聲降低9 d B[14]。目前,主要的吸聲降噪措施有:防爆墻上安裝吸聲結(jié)構(gòu);變壓器一側(cè)安裝聲屏障;對(duì)門(mén)窗進(jìn)行隔聲治理;對(duì)通風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口采用消聲結(jié)構(gòu)等。通過(guò)分析城市變電站的噪聲特點(diǎn)和現(xiàn)有降噪措施的降噪效果發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有降噪措施并不能滿(mǎn)足城市變電站低頻降噪的需要[11],由此可見(jiàn),鋼鐵渣基泡沫混凝土具有降低電站噪聲的可行性。

3.3 保溫性能

鋼鐵渣基泡沫混凝土中含有大量封閉的氣孔,能有效阻止熱傳遞,其保溫隔熱性能較好,因而能廣泛應(yīng)用于建筑保溫隔熱、管道及熱工設(shè)備保溫、路基回填、冷庫(kù)保溫、工業(yè)爐窯保溫等工程中。與聚苯板、聚氨酯板等保溫材料相比,鋼鐵渣基泡沫混凝土能防火、強(qiáng)度高、耐久性能好,與保溫砂漿相比,鋼鐵渣基泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低、蓄熱性能好,但是由于其吸水率高、干縮值大等缺點(diǎn),目前并未能投入到大規(guī)模使用中。熱量傳遞的基本方式是導(dǎo)熱、熱對(duì)流和熱輻射,鋼鐵渣基泡沫混凝土中的熱量主要在其基體中傳播,混凝土氣孔的增加延長(zhǎng)了熱量傳播的途徑,從而使得通過(guò)的導(dǎo)熱量降低,起到保溫隔熱效果[14]。

研究結(jié)果顯示,鋼渣摻量對(duì)鋼鐵渣基泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)的影響較為顯著,混凝土的抗壓強(qiáng)度、干密度、吸水率及導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著鋼渣摻量的增加而增大。隨著泡沫混凝土干密度的增大,抗壓強(qiáng)度將會(huì)提高,吸水率呈快速下降的趨勢(shì)且導(dǎo)熱系數(shù)迅速增大,當(dāng)試塊導(dǎo)熱系數(shù)最大值略大于純水泥基體的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),其保溫性能較普通混凝土好[3]。

4 鋼鐵渣基泡沫混凝土的應(yīng)用

鋼鐵渣基泡沫混凝土特性眾多,因此可廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。

(1)吸聲隔熱應(yīng)用。室外吸音材料、室內(nèi)墻面吸聲、隔聲夾芯復(fù)合板等。

(2)保溫隔熱應(yīng)用。建筑保溫隔熱、管道及熱工設(shè)備保溫、路基回填等。

(3)抗?jié)B防水應(yīng)用。建筑防水及工程防水、地下及水電工程等。

(4)裝飾材料應(yīng)用。室內(nèi)輕質(zhì)裝飾品、外墻輕質(zhì)裝飾磚等。

(5)園林制品應(yīng)用。漂浮性能的應(yīng)用,防火功能的應(yīng)用等。

5 結(jié)論

筆者從當(dāng)前實(shí)際出發(fā),綜上所述得出如下結(jié)論:

(1)目前,國(guó)內(nèi)外都在積極研究鋼鐵渣基泡沫混凝土,近年來(lái)該領(lǐng)域的研究也較為完善和成熟,其中中、日、俄三國(guó)是泡沫混凝土研究的主力國(guó)家。

(2)鋼鐵渣基泡沫混凝土的水化特性、吸音性能及保溫性能至今仍受到學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注,高性能、多用途將會(huì)是鋼鐵渣基泡沫混凝土的未來(lái)發(fā)展方向。

(3)目前,鋼渣在泡沫混凝土領(lǐng)域的利用率較低,因此,關(guān)于強(qiáng)度、吸聲頻段、干縮值、吸水率等方面的研究還有待加強(qiáng)。