硅鋁質工業廢棄物蒸壓反應活性研究

(華南農業大學水利與土木工程學院，廣東廣州 510640)

灰砂磚、加氣混凝土砌塊等蒸壓硅酸鹽制品是重要的建筑材料，其生產所用原材料分為硅鋁質原料與鈣質原料。常用的硅鋁質原料有粉煤灰、煤粉爐渣等工業廢棄物[1-6]。目前已有多種方法用于評價工業廢棄物可否用作蒸壓硅酸鹽制品硅質材料，其中大部分以材料的化學成分進行評價，但大量實驗證明，相同或相似化學成分的不同材料表現出明顯的蒸壓性能差異，這說明通過化學成分來評價蒸壓條件下材料的反應活性不夠精確。蒸壓制品中，硅鋁質原料是主要的化學活性物質，其品質的穩定性對其蒸壓制品性能的影響非常大。如何評價煤粉爐渣在蒸壓條件下的反應能力，對硅鋁質工業廢棄物的合理利用有著重要的現實意義。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用硅鋁質工業廢棄物包括2種粉煤灰(FA1、FA2)和2種煤粉爐渣(CR3、CR4)，全部通過0.08 mm方孔篩，石灰為工業級熟石灰。各原料的化學成分見表1。物相分析顯示4種硅鋁質工業廢棄物礦物組成均為玻璃相、石英和莫來石等。

表1 原料的化學組成 %

1．2 實驗與測試

樣品的成型與養護：將硅鋁質工業廢棄物與石灰按一定的CaO與SiO2物質的量比混合均勻，加入一定量的水(均采用液固比為0.20)，攪拌均勻，用液體壓力機在6 MPa下壓制成截面積為10 cm2、高為5 cm的圓柱狀試塊，密封靜置12 h，放入蒸壓釜內在一定的壓力下(升溫3 h，1.1 MPa和180 ℃下恒溫6 h)進行蒸壓，然后在蒸壓釜內自然冷卻至室溫。

活性SiO2、Al2O3測定：根據文獻[7-8]的方法測定硅鋁質工業廢棄物活性SiO2、Al2O3。

采用Vector33傅立葉變換紅外譜儀進行FT-IR分析。采用D/max-Ⅲ型全自動X射線衍射儀對樣品進行表征(Cu靶,石墨單色器,電壓40 kV,電流30 mA)。

2 結果與討論

2．1 原料紅外光譜分析

圖1為4種硅鋁質工業廢棄物FT-IR譜圖。由圖1可見，FA2的1 098 cm-1處、CR3的1 094 cm-1處、FA1的1 081 cm-1處和CR4的1 070 cm-1處吸收峰均屬于Si—O鍵的伸縮振動。4種硅鋁質工業廢棄物紅外光譜強吸收區的Si—O伸縮振動頻率大小關系為：CR4>FA1>CR3>FA2。

圖1 硅鋁質工業廢棄物的紅外光譜圖

2．2 不同n(CaO)/n(SiO2)蒸壓制品的抗壓強度

圖2為4種硅鋁質工業廢棄物與石灰不同n(CaO)/n(SiO2)下蒸壓制品的抗壓強度。由圖2可見，不同的硅鋁質原料對應的蒸壓制品的強度存在差別，在鈣硅物質的量比相同的情況下，CR4-石灰石體系的蒸壓制品抗壓強度最大，FA1-石灰石和CR3-石灰石體系次之，FA2-石灰石體系最小。

圖2 硅鋁質工業廢棄物蒸壓制品的抗壓強度

2．3 硅鋁質工業廢棄物蒸壓反應活性機理分析

采用活性SiO2、Al2O3的含量以及紅外光譜1 100 cm-1附近強吸收區的Si—O伸縮振動頻率綜合評價硅鋁質工業廢棄物的蒸壓反應活性。活性SiO2、Al2O3是指硅鋁質工業廢棄物在蒸壓條件下溶出并能與鈣質材料發生反應的SiO2、Al2O3的含量，在原料n(CaO)/n(SiO2)相同的情況下，溶出活性SiO2、Al2O3的含量可反映硅鋁質原料參與反應的程度，進而可表征其蒸壓反應活性。

硅酸鹽礦物中Si—O的振動頻率在400～1 200 cm-1。不同結構類型的振動頻率有差別。總的來看，聚合的高于孤立的Si—O振動頻率，并隨聚合程度的增加而升高。硅酸鹽礦物在850～1 200 cm-1的強吸收帶較容易判斷，因此選用蒸壓硅酸鹽材料在850～1 200 cm-1的強吸收帶Si—O不對稱振動頻率大小判斷Si—O鍵的強度，判斷打斷硅酸鹽礦物中聚合的Si—O鍵所需要能量的大小，以此評價在蒸壓條件下硅酸鹽礦物的水化反應活性。紅外光譜強吸收區的Si—O伸縮振動頻率越低，鍵的破壞和重新組合也越容易，反應活性越強。

在相同的蒸壓工藝和CaO與SiO2物質的量比的條件下，蒸壓制品的抗壓強度則反映了硅鋁質工業廢棄物的反應能力，這也是實際生產中最受關注的指標。

硅鋁質工業廢棄物蒸壓制品抗壓強度與活性SiO2、Al2O3含量、紅外光譜1 100 cm-1附近強吸收區的Si—O伸縮振動頻率之間的關系如表2所示。

表2 蒸壓制品強度與其活性SiO2、Al2O3含量及Si—O伸縮振動頻率關系

由表2可知，隨著硅鋁質工業廢棄物Si—O伸縮振動頻率從1 098 cm-1降至1 070 cm-1，硅鋁質工業廢棄物的活性SiO2、Al2O3含量從8.4%升至13.1%(質量分數)，蒸壓制品抗壓強度由25.5 MPa升至31.5 MPa，由此可見硅鋁質工業廢棄物的活性SiO2、Al2O3含量及紅外光譜1 100 cm-1附近強吸收區的Si—O伸縮振動頻率與其蒸壓反應活性相關，即硅鋁質工業廢棄物的活性SiO2、Al2O3含量越高，1 100 cm-1附近強吸收區的Si—O伸縮振動頻率越低，其蒸壓反應活性越大，蒸壓制品強度越高。

硅鋁質工業廢棄物主要由硅酸鹽礦物和鋁酸鹽礦物組成，硅酸鹽結構以硅氧四面體為骨干構成，鋁酸鹽礦物通常以鋁氧四面體或鋁氧六面體存在，通常情況下結構穩定。在蒸壓環境的高溫高壓條件中，硅酸鹽結構和鋁酸鹽結構被破壞，活性硅鋁溶出，并與Ca(OH)2和水反應，生成水化產物。硅酸鹽礦物在850～1 200 cm-1的強吸收帶，在紅外光譜中較容易判斷，且硅鋁質工業廢棄物中硅酸鹽礦物含量比鋁酸鹽礦物大得多，因此硅鋁質工業廢棄物蒸壓反應活性可以采用紅外光譜1 100 cm-1附近強吸收區的Si—O伸縮振動頻率及其活性SiO2、Al2O3含量來綜合評價。

3 結語

在1 100 cm-1附近強吸收區的Si—O伸縮振動頻率越低，硅鋁質工業廢棄物結構越容易破壞，蒸壓反應活性越強；溶出的活性SiO2、Al2O3越多，與鈣質材料發生反應的SiO2、Al2O3的含量就越多，蒸壓制品抗壓強度越高。可以通過活性SiO2、Al2O3含量及1 100 cm-1附近強吸收區的Si—O伸縮振動頻率來綜合評價硅鋁質工業廢棄物在蒸壓條件下的反應活性，以更合理利用硅鋁質工業廢棄物生產蒸壓硅酸鹽制品

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