基于堿激發(fā)固廢超細(xì)摻合料的膠砂性能影響研究

鄧 翀，凡濤濤，楊 武

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430040；3.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北武漢 430040）

引言

不論是石材的生產(chǎn)加工過程還是電廠的燃煤發(fā)電過程都會(huì)產(chǎn)生大量工業(yè)固體廢棄物[1]，由于這些工業(yè)固廢綜合利用率較低，一般采取露天堆放的處理方式，這樣不僅會(huì)浪費(fèi)大量土地資源還容易產(chǎn)生揚(yáng)塵而污染大氣[2]，同時(shí)還可能因堆放時(shí)間過長(zhǎng)而發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致危害物質(zhì)滲入地下進(jìn)而污染水資源，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害[3-6]。

如今，大別山地區(qū)工業(yè)固體廢棄物數(shù)量龐大、種類繁多，固廢綜合利用規(guī)模不大、利用層次較低，資源化利用技術(shù)亟待突破，由工業(yè)固廢所引起的種種危害仍未得到有效解決，因此，需要積極開發(fā)固廢資源化利用的高端技術(shù)，從而提升固廢的利用價(jià)值和利用率，真正實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”[7-9]。

混凝土作為目前土木工程施工當(dāng)中應(yīng)用最廣泛的建筑材料[10]，也是工業(yè)固廢主要的利用領(lǐng)域[11]。通過將工業(yè)固廢應(yīng)用到混凝土當(dāng)中，不僅能夠節(jié)約成本，還能保護(hù)環(huán)境，提高綜合收益[12-14]。近年來，以工業(yè)廢棄物為主要原料研制新型建材成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，工業(yè)廢棄物變廢為寶的中高附加值資源化利用將成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展中必須解決的重大資源與環(huán)境問題。因此，本文基于大別山地區(qū)粉煤灰、爐渣和花崗巖石粉等工業(yè)固廢對(duì)生態(tài)資源、大氣環(huán)境和人體健康的危害，結(jié)合它們資源化利用現(xiàn)狀以及不足，通過粉磨技術(shù)制備出超細(xì)礦物摻合料，研究機(jī)械活化對(duì)固廢礦物摻合料的性能影響，并通過堿激發(fā)劑的作用研究固廢超細(xì)摻合料在膠漿中的性能變化，為工業(yè)固廢的資源化利用提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 主要原材料

1）水泥：由媧石水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的物理性能見表1。

表1 水泥物理性能

2）固廢超細(xì)礦物摻合料：試驗(yàn)所用粉煤灰（F）、爐渣（C）、花崗巖石粉（SP）均為大別山地區(qū)所提供，表2及表3分別為固廢超細(xì)礦物摻合料的基本物理指標(biāo)及主要化學(xué)成分。

表2 固廢超細(xì)礦物摻合料基本物理指標(biāo)

3）堿激發(fā)劑：采用水泥熟料和脫硫石膏作為化學(xué)激發(fā)劑，水泥熟料生產(chǎn)于媧石水泥集團(tuán)有限公司，硫石膏來源于湖北大別山電廠煙氣脫硫副產(chǎn)物，主要化學(xué)成分見表4。

1.2 測(cè)試方法

測(cè)試內(nèi)容主要包括粉磨試驗(yàn)、物理性能試驗(yàn)、膠凝性能試驗(yàn)。粉磨試驗(yàn)采用Φ500 mm×500 mm磨機(jī)對(duì)物料進(jìn)行粉磨，每次入磨固廢物料總質(zhì)量為1 kg。

材料的細(xì)度根據(jù)《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法(篩析法)》（GB/T 1345-2005）使用FSY-150 型水泥細(xì)度負(fù)壓篩析儀測(cè)試物料45 μm 篩余，根據(jù)《水泥比表面積測(cè)定方法(勃氏法)》（GB/T 8074-2008）使用FBT-9型全自動(dòng)比表面積測(cè)定儀測(cè)試物料的比表面積，物料的粒度分布采用珠海歐美克激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)定。

根據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》（GB/T 2419-2005）測(cè)試膠砂流動(dòng)度。根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）測(cè)試膠砂強(qiáng)度，在標(biāo)準(zhǔn)條件下成型40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模然后置于恒溫水養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，測(cè)試其相應(yīng)齡期抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度。根據(jù)《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T 18046-2017）測(cè)試活性指數(shù)，測(cè)試試驗(yàn)組與標(biāo)準(zhǔn)組對(duì)應(yīng)齡期抗壓強(qiáng)度并計(jì)算出各物料的活性指數(shù)。

（2）學(xué)生在考試之前沒有做好足夠的準(zhǔn)備，造成對(duì)試驗(yàn)原理不清楚，在實(shí)驗(yàn)課上，僅僅是做一個(gè)旁觀者，沒有動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 機(jī)械活化對(duì)固廢礦物摻合料性能的影響

固廢礦物摻合料經(jīng)不同粉磨時(shí)間后細(xì)度及比表面積如圖1所示。隨粉磨時(shí)間的增加，各固廢物料的45 μm 篩余不斷減小，且減小幅度逐漸減小，而固廢的比表面積隨粉磨時(shí)間的增加不斷增大，但增大的幅度逐漸減小，說明粉磨使得各固廢變得越來越細(xì)，但粉磨時(shí)間達(dá)到60 min 后繼續(xù)增加粉磨時(shí)間則對(duì)其細(xì)度的變化影響較小；由圖1（a）可以看到在相同粉磨時(shí)間時(shí)，粉煤灰的篩余最小，花崗巖石粉次之，爐渣的篩余最大，由圖1（b）可看出在相同粉磨時(shí)間時(shí)花崗巖石粉的比表面積最大，粉煤灰次之，爐渣的比表面積最小，說明爐渣相比粉煤灰和花崗巖石粉而言較難粉磨。

圖1 粉磨時(shí)間對(duì)45 μm 篩余和比表面積的影響

固廢礦物摻合料經(jīng)不同粉磨時(shí)間后的粒徑分布如圖2所示。由圖2可知，各固廢的D10、D50、D97隨粉磨時(shí)間的增加均有不同程度的減小，說明機(jī)械粉磨使得各固廢中大粒徑顆粒相互碰撞擠壓破碎形成更小的顆粒，增大了固廢的細(xì)度；相同粉磨時(shí)間時(shí)，花崗巖石粉D10最小，粉煤灰D97最小，爐渣D10與D97均最大，說明三種固廢中爐渣最難粉磨。

圖2 不同粉磨時(shí)間后固廢礦物摻合料的粒徑分布

2.2 固廢礦物超細(xì)摻合料對(duì)膠砂性能的影響

以粉煤灰與花崗巖石粉比例65：35為基礎(chǔ)，利用爐渣取代粉煤灰，固定花崗巖石粉比例為35 %，爐渣取代量從5 %到30 %依次增長(zhǎng)，粉磨后的各組混合料以50 %等質(zhì)量取代水泥的粉煤灰-爐渣-花崗巖石粉復(fù)合膠砂流動(dòng)度比如圖3所示。隨爐渣取代粉煤灰的比例增大，固廢物料復(fù)合體系膠砂流動(dòng)度比逐漸降低，使用爐渣取代粉煤灰的比例超過20 %時(shí)，其流動(dòng)度比小于85 %，這是由于爐渣的密度小于粉煤灰，相同質(zhì)量的爐渣與粉煤灰相比，爐渣的總比表面積更大，且爐渣顆粒不規(guī)則、表面孔隙多，會(huì)吸附更多的自由水而導(dǎo)致膠砂流動(dòng)性降低。

圖3 粉煤灰-爐渣-花崗石粉復(fù)合膠砂流動(dòng)度比

圖4（a）為爐渣不同比例取代粉煤灰時(shí)粉煤灰-爐渣-花崗巖石粉復(fù)合膠砂抗折強(qiáng)度。由圖可知，當(dāng)爐渣取代粉煤灰比例的增加時(shí)，粉煤灰、爐渣、花崗巖石粉復(fù)合膠砂的3 d和7 d抗折強(qiáng)度均是先增大后減小，當(dāng)爐渣以20 %取代粉煤灰時(shí)復(fù)合膠砂的3 d和7 d抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大，而28 d膠砂抗折強(qiáng)度則隨著爐渣取代量的增大不斷減小。

圖4 粉煤灰-爐渣-花崗石粉復(fù)合膠砂抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度

圖4（b）為爐渣不同比例取代粉煤灰時(shí)粉煤灰、爐渣、花崗巖石粉復(fù)合膠砂抗壓強(qiáng)度，可以看到復(fù)合膠砂的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。這是由于爐渣獨(dú)特的不規(guī)則、多孔顆粒形狀使其內(nèi)部活性組分SiO2和Al2O3比粉煤灰更易溶出，在反應(yīng)前期，爐渣中部分活性SiO2和Al2O3就能與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成凝膠產(chǎn)物，填充體系內(nèi)部孔隙，增大了體系的密實(shí)度進(jìn)而使體系強(qiáng)度增大；然而當(dāng)爐渣取代比例超過20 %時(shí)，因?yàn)椴灰?guī)則的爐渣顆粒吸附了較多的自由水，使得體系結(jié)合水減少即水泥反應(yīng)程度減小反而降低了早期強(qiáng)度；爐渣與粉煤灰的基本組分類似，但粉煤灰中活性SiO2和Al2O3比爐渣多，雖然粉煤灰的早期活性較低，但在后期時(shí)會(huì)體現(xiàn)出比爐渣更大的火山灰活性，而且爐渣中含有大量石英、玻璃晶體、莫來石等對(duì)后期活性帶來不利影響的礦物，因此，當(dāng)使用爐渣等量取代粉煤灰時(shí)，會(huì)使得體系后期強(qiáng)度降低。從復(fù)合膠砂流動(dòng)性能與力學(xué)性能來看，不摻加爐渣較好；但爐渣的價(jià)格低于粉煤灰，綜合經(jīng)濟(jì)性來看，爐渣以20 %取代粉煤灰較好。

2.3 堿激發(fā)劑對(duì)固廢礦物超細(xì)摻合料膠砂性能的影響

表5 粉煤灰-爐渣-花崗巖石粉-熟料混磨配比

將粉磨后的各組混合料分別按50 %取代等質(zhì)量水泥進(jìn)行膠砂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 熟料比例對(duì)復(fù)合膠砂流動(dòng)度比的影響

可以看到隨著熟料比例的增多，復(fù)合體系膠砂流動(dòng)度比逐漸增大，那是因?yàn)槭炝系谋缺砻娣e相對(duì)較小，以內(nèi)摻的方式等量替代復(fù)合摻合料后體系整體的比表面積降低，復(fù)合摻合料對(duì)自由水的吸附作用減弱從而增大了膠砂流動(dòng)度。

由圖6（a）中曲線可以看出，隨著熟料比例的增加，復(fù)合膠砂的抗折強(qiáng)度不斷增大。由圖6（b）可以看到隨著熟料比例的改變，復(fù)合膠砂的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度變化規(guī)律相同，且復(fù)合膠砂28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)更大。這是因?yàn)楫?dāng)熟料按一定比例內(nèi)摻時(shí)，減小了復(fù)合摻合料的比例，而熟料在經(jīng)過粉磨后活性較高，相當(dāng)于提升了體系中水泥含量，使水泥膠砂中的水化產(chǎn)物增多，膠砂結(jié)構(gòu)更加致密，使強(qiáng)度增大。其次，熟料的加入使得膠砂中生成的Ca(OH)2變多，在反應(yīng)后期會(huì)與粉煤灰和爐渣中的活性SiO2和Al2O3發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠產(chǎn)物進(jìn)一步增加了體系的致密程度，因而復(fù)合膠砂28 d 強(qiáng)度增漲更大。

圖6 熟料比例對(duì)復(fù)合膠砂抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的影響

熟料比例越大，復(fù)合膠砂流動(dòng)性能和力學(xué)性能越好；然而因?yàn)槭炝陷^貴，綜合經(jīng)濟(jì)性來看熟料不可加入過多，孰料比例為12 %較好。保持熟料摻量為12 %，內(nèi)摻脫硫石膏比例為1 % -4 %，每次稱取摻合料和堿激發(fā)劑共1 kg 并混合粉磨60 min，混磨配比見表6。

表6 粉煤灰-爐渣-花崗巖石粉-熟料混磨配比

將粉磨后的各組混合料以50 %取代等質(zhì)量水泥進(jìn)行膠砂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

由圖7中脫硫石膏比例對(duì)復(fù)合膠砂流動(dòng)度比的影響可以看出，隨著脫硫石膏比例的增加，復(fù)合膠砂流動(dòng)度比略微增大，說明脫硫石膏的加入對(duì)膠砂工作性稍有改善。

復(fù)合膠砂抗折強(qiáng)度隨脫硫石膏比例的影響如圖8（a）所示，隨脫硫石膏比例增大，復(fù)合膠砂抗折強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)脫硫石膏比例為2 % 時(shí)，復(fù)合膠砂各齡期抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

圖8 脫硫石膏比例對(duì)復(fù)合膠砂流動(dòng)度比的影響

由圖8（b）中復(fù)合膠砂抗壓強(qiáng)度隨脫硫石膏比例影響曲線可知，復(fù)合膠砂各齡期的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。復(fù)合膠砂中加入脫硫石膏時(shí)，脫硫石膏中的CaCO3及可溶性雜質(zhì)離子會(huì)加速水泥水化，增大了液相中Ca(OH)2的含量，為粉煤灰和爐渣的活性激發(fā)提供條件，促進(jìn)它們二次水化反應(yīng)的進(jìn)行；同時(shí)脫硫石膏中的硫酸根離子對(duì)粉煤灰和爐渣具有硫酸鹽激發(fā)作用，能加速溶解出它們的活性SiO2和活性Al2O3從而發(fā)揮出它們的火山灰活性；另外脫硫石膏會(huì)在堿性環(huán)境中直接與粉煤灰和爐渣中的活性Al2O3反應(yīng)生成鈣礬石并填充于漿體孔隙中增強(qiáng)體系密實(shí)程度從而增大抗壓強(qiáng)度；但是當(dāng)脫硫石膏的比例大于2 % 時(shí)，在早期就會(huì)有二水石膏晶體直接析出，導(dǎo)致漿體孔隙率變大從而使得強(qiáng)度降低。從復(fù)合膠砂流動(dòng)性能看，脫硫石膏比例為4 % 較好，但過量的脫硫石膏會(huì)降低復(fù)合膠砂強(qiáng)度，綜合復(fù)合膠砂流動(dòng)性能及力學(xué)性能的來看，脫硫石膏比例為2 % 較為適合。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1）機(jī)械粉磨對(duì)粉煤灰、花崗巖石粉的活性具有顯著提高，但當(dāng)粉磨時(shí)間達(dá)到60 min后繼續(xù)延長(zhǎng)粉磨時(shí)間對(duì)它們活性影響不顯著；

2）固廢之間的比例對(duì)復(fù)合摻合料活性及流動(dòng)性具有一定影響，綜合考慮復(fù)合摻合料活性與經(jīng)濟(jì)性，固廢復(fù)合比例以粉煤灰:爐渣:花崗巖石粉=45:20:35較好；

3）隨著超細(xì)礦物摻合料比例的增大，水泥膠砂流動(dòng)度先增大后減小，28 d抗壓強(qiáng)度也先增大后減小，水泥初凝和終凝時(shí)間不斷增大；

4）水泥熟料和脫硫石膏對(duì)固廢超細(xì)摻合料均有較好的促進(jìn)作用，綜合復(fù)合膠砂流動(dòng)性能及力學(xué)性能的來看，熟料摻量為12 %、脫硫石膏比例為2 %最為適合。