鋁冶煉硅鈣渣基生態混凝土的性能研究

趙亞釗 劉曉明 李宏煦 張 娜 張宏雷

(1.北京科技大學冶金與生態工程學院，北京 100083；2.清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100084)

鋁冶煉硅鈣渣基生態混凝土的性能研究

趙亞釗1劉曉明1李宏煦1張 娜2張宏雷1

(1.北京科技大學冶金與生態工程學院，北京 100083；2.清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100084)

硅鈣渣是高鋁粉煤灰提取氧化鋁過程中排放的固體廢棄物。為揭示以其為主要原料制備的硅鈣渣基生態水泥的性能，以32.5#普通硅酸鹽水泥為參照對象，以天然砂石為骨料、液態聚羧酸為減水劑，分別制備了等級為C30和C40的混凝土，比較了同等級的2種混凝土的力學性能和耐久性能。結果表明：①硅鈣渣基生態混凝土的早期力學性能高于相同標號的普通混凝土，后期力學性能則發展緩慢，膠砂28 d的抗折、抗壓強度分別達到8 MPa和40 MPa以上。②硅鈣渣基生態混凝土與普通混凝土相比具有優異的抗硫酸鹽侵蝕性能和抗氯離子滲透性能；硅鈣渣基生態混凝土14 d 前(含14 d)的收縮率與普通混凝土相當，14 d后收縮率小于普通混凝土；C40硅鈣渣基生態混凝土具有優異的抗堿骨料反應性能，其余耐久性能與普通混凝土相當。③硅鈣渣基生態水泥對于Cr離子具有優異的固化特性。因此，硅鈣渣基生態水泥總體性能優于32.5#普通硅酸鹽水泥。

硅鈣渣基生態水泥 32.5#普通硅酸鹽水泥 混凝土 力學性能 耐久性能

硅鈣渣是高鋁粉煤灰提取氧化鋁過程中排放的固體廢棄物[1]。由于現有工藝的制約，每處理1 t高鋁粉煤灰約產出0.4 t的Al2O3粉和1 t硅鈣渣。硅鈣渣的堆積不僅占用土地，而且嚴重污染環境。因此，實現硅鈣渣多渠道、規模化綜合利用契合國家產業政策。

為實現工業固體廢棄物的大宗量資源化利用，不少學者在利用工業固體廢棄物制備陶粒[2-4]和膠凝材料[5-9]和混凝土[10-11]等方面做了大量研究，但將硅鈣渣用于制備水泥混凝土材料卻未見報道，而將硅鈣渣應用到水泥中正是實現其大宗量資源化利用的有效途徑之一。

1 試驗原料

試驗以硅鈣渣為主要原料，輔以礦渣、熟料、粉煤灰、石膏來制備硅鈣渣基生態水泥。試驗用硅鈣渣取自大唐國際再生資源有限公司，經105 ℃烘干；礦渣取自唐山鋼鐵有限責任公司；熟料取自內蒙古蒙西水泥股份有限公司；粉煤灰取自大唐國際再生資源有限公司；石膏取自大唐國際再生資源有限公司；硅鈣渣基生態水泥為自配32.5#水泥，比表面積為465 m2/kg；普通32.5#硅酸鹽水泥購自冀東水泥公司，比表面積為350 m2/kg。上述原料主要化學成分分析結果見表1。

表1 試驗原料主要化學成分分析結果

Table 1 Main chemical composition analysis of raw materials %

原 料各化學成分的含量SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOK2ONa2O硅鈣渣22.928.1740.011.782.020.314.11礦 渣34.1912.5337.251.229.330.510.22熟 料22.194.2163.653.583.571.030.30粉煤灰37.8048.503.622.270.310.360.15生態水泥25.729.7949.242.714.191.041.13普通水泥20.505.7461.672.754.260.890.19

試驗用石子和砂子購自北京昌平，級配分析結果見表2。

表2 砂子、石子粒級級配

由表2可以看出，砂子中-5 mm粒級占88.20%，其中5～0.63 mm粒級占65.30%；石子中+5 mm粒級占88.25%，其中10～5 mm粒級占83.25%。

減水劑為中清大科技股份有限公司生產的液態聚羧酸減水劑。

為了系統研究硅鈣渣混凝土的性能，根據普通硅酸鹽水泥混凝土的標號規則設計了C30和C40(即28 d抗壓強度達到30，40 MPa)混凝土，其配合比見表3。

表3 C30和C40混凝土配合比設計

2 試驗方法

(1)硅鈣渣基生態水泥的環境友好性能評價。環境友好性能評價借助離子體發射光譜儀(Inductively CoupledPlasma)，并依據中華人民共和國環境保護標準HJ557—2009 固體廢物浸出毒性浸出方法 水平振蕩法，對普通水泥和硅鈣渣基生態水泥浸出液中有害物質含量進行測試。

(2)水泥膠砂試驗。水泥膠砂試驗依照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行，試驗在溫度為20±1 ℃、相對濕度為95%±1%的情況下養護1 d后脫模，并繼續在此條件下養護至相應齡期，測試其抗壓強度和抗折強度。

(3)混凝土成型。混凝土攪拌成型依照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，成型1 d后脫模，放入溫度為20±1 ℃、相對濕度為95%±1%的養護室養護至規定齡期。

(4)混凝土力學性能試驗。混凝土力學性能試驗依照國家標準GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。

(5)混凝土耐久性能試驗。混凝土耐久性能試驗依照國家標準GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試。

3 試驗結果及分析

3.1 硅鈣渣基生態水泥的膠砂性能和環境性能

3.1.1 硅鈣渣基生態水泥的膠砂性能

硅鈣渣基生態水泥膠砂性能見表4。

表4 硅鈣渣基生態水泥膠砂性能

從表4可以看出，硅鈣渣基生態水泥膠砂28 d的抗折強度達到8 MPa以上，抗壓強度達到45 MPa以上，優于32.5#普通硅酸鹽水泥的膠砂性能。

3.1.2 硅鈣渣基生態水泥的環境友好性能評價

普通水泥和硅鈣渣基生態水泥有害離子浸出試驗結果見表5。

表5 生態水泥與普通水泥有害離子浸出試驗結果

Table 5 TCLP results of eco-cement and ordinary Portland cement×10-6

項 目各元素的含量AlAsCdCrCuFeMnNiPbSbZn飲用水標準0.2000.0100.0050.0501.0000.3000.1000.0200.0100.0051.000生態水泥0.1660.00300.0250.1820.1430.0820.0130.01800普通水泥0.0410.00402.3490.1790.1050.0830.0140.02300

從表5可以看出，根據中華人民共和國國家標準《GB 5749—2006 生活飲用水衛生標準》，僅普通水泥浸出液中Cr超標，生態水泥浸出液Cr含量不僅不超標，而且遠低于普通水泥，說明硅鈣渣基生態水泥對于有害離子具有優異的固化特性。

3.2 力學性能

3.2.1 抗壓強度

混凝土抗壓強度試驗試件規格為100 mm×100 mm×100 mm，C30、C40混凝土各養護齡期抗壓強度試驗結果分別見圖1、圖2。

圖1 C30混凝土抗壓強度試驗結果

圖2 C40混凝土抗壓強度試驗結果

從圖1、圖2可以看出，硅鈣渣基生態混凝土的早期抗壓強度(1～7 d)增長更迅速，但7 d后的抗壓強度增長緩慢；2種C30混凝土和2種C40混凝土28 d強度均達到設計強度的110%以上；C30、C40硅鈣渣基生態混凝土的強度均高于對應的普通混凝土的強度，尤其3 d和7 d的強度更是遠高于對應的普通混凝土的強度，7 d的強度均超過30 MPa。

3.2.2 抗折強度

混凝土抗折強度試驗試件規格為100 mm×100 mm×400 mm，C30、C40混凝土各養護齡期抗折強度試驗結果分別見圖3、圖4。

圖3 C30混凝土抗折強度試驗結果

圖4 C40混凝土抗折強度試驗結果

從圖3、圖4可以看出，硅鈣渣基生態混凝土的早期抗折強度(1～7 d)增長更迅速，但7 d后的抗折強度增長緩慢；C30、C40硅鈣渣基生態混凝土的強度均高于對應的普通混凝土的強度，尤其3 d和7 d的強度更是遠高于對應的普通混凝土的強度。

3.2.3 抗拉強度

混凝土劈裂抗拉強度試驗試件規格為100 mm×100 mm×100 mm，C30、C40混凝土各養護齡期抗拉強度試驗結果分別見圖5、圖6。

從圖5、圖6可以看出，與抗壓強度和抗折強度的發展規律類似，生態混凝土早期抗拉強度迅速增長，且明顯高于相同標號的普通混凝土，而其后期抗拉強度增長緩慢，略優于相同標號的普通混凝土。

圖5 C30混凝土抗拉強度

圖6 C40混凝土抗拉強度

3.3 耐久性能

3.3.1 抗凍融性能

混凝土抗凍融試驗采用快凍法，以經受的快速凍融循環次數來表示混凝土的抗凍性能。每個凍融循環應在2～4 h內完成，且用于融化的時間不得少于整個凍融循環時間的1/4；在凍融過程中，試件中心任意時刻的溫度不得高于7 ℃，也不得低于-20 ℃；試件從3 ℃降至-16 ℃所用的時間不得少于冷凍時間的1/2，從-16 ℃升至3 ℃所用的時間不得少于整個融化時間的1/2，試件的內外溫差不宜超過28 ℃。當凍融循環出現以下情況時，可停止試驗：①達到規定的凍融循環次數；②試件的相對動彈性模量下降到60%；③試件的質量損失率達5%。試件規格為100 mm×100 mm×400 mm，抗凍試驗結果見表6。

從表6可以看出，硅鈣渣基生態水泥以及普通硅酸鹽水泥的C30混凝土的抗凍等級同為50級，C40混凝土的抗凍等級同為100級，說明硅鈣渣基生態混凝土的抗凍性能與普通混凝土抗凍性能無異。從表6可以看出，硅鈣渣基生態水泥以及普通硅酸鹽水泥的C30混凝土的抗凍等級同為100級，C40混凝土的抗凍等級同為150級，說明硅鈣渣基生態混凝土的抗凍性能與普通混凝土抗凍性能無異。

表6 混凝土的抗凍融試驗結果

3.3.2 收縮形變

收縮形變試驗試件的規格為100 mm×100 mm×515 mm，硅鈣渣基生態混凝土和普通混凝土的收縮形變性能對比見圖7、圖8。

圖7 C30混凝土的收縮形變性能對比

圖8 C40混凝土的收縮形變性能對比

從圖7、圖8可以看出，生態混凝土的早期(1～14 d)收縮率和普通水泥相差不大，隨著時間的延長，C30和C40硅鈣渣基生態混凝土的收縮率小于相應普通混凝土的收縮率。

3.3.3 抗滲性能

混凝土抗滲性能試驗采用逐級加壓法，以抗滲等級來表示混凝土的抗水滲透性能，混凝土的抗滲等級應以每組6個試件中有4個試件未出現滲水時的最大水壓力乘以10減1來確定。在測試2種混凝土過程中，抗滲試驗機的水壓均達到最高壓強4.0 MPa，試件端面均未出現滲水現象，其抗滲試驗結果見表7。

表7 混凝土的抗滲試驗結果

從表7可以看出，C30、C40的硅鈣渣基生態混凝土和普通混凝土抗滲等級均達到最高級——39級，說明2種混凝土的抗水滲透能力相差無異。

3.3.4 堿骨料反應性能

堿骨料反應性能試驗試件在溫度為38 ℃的潮濕條件下養護，試件的尺寸為75 mm×75 mm×275 mm，混凝土在某齡期膨脹率不超過0.04%，說明混凝土在該齡期的堿骨料反應性能合格。硅鈣渣基生態混凝土和普通混凝土的堿骨料反應性能對比試驗結果見圖9、圖10。

圖9 C30混凝土的堿骨料反應性能對比

圖10 C40混凝土的堿骨料反應性能對比

從圖9、圖10可以看出，硅鈣渣基生態混凝土和普通混凝土在前8周測試齡期內均合格；與相應的普通混凝土相比，C30硅鈣渣基生態混凝土的抗堿骨料反應性能略差，而C40硅鈣渣基生態混凝土具有優異的抗堿骨料反應性能。

3.3.5 抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土抗硫酸鹽等級表示的是混凝土抗壓強度耐蝕系數下降至不低于75%時的最大干濕循環次數。硅鈣渣基生態混凝土和普通混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗試件規格為100 mm×100 mm×100 mm，試驗結果見表8。

表8 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗結果

從表8可以看出，硅鈣渣基生態水泥和普通硅酸鹽水泥C30混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為30級；C40混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級至少可達到45級，并且相應級數下硅鈣渣基生態混凝土的抗壓強度均大于普通混凝土，說明硅鈣渣基生態混凝土較普通混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能優異。

3.3.6 抗氯離子滲透性能

混凝土的抗氯離子滲透性能可以通過RCM法或電通量法來確定。本試驗以通過混凝土試件的電通量為指標來確定，試件規格為φ100 mm×50 mm，試驗結果見圖11、圖12。

圖11 C30混凝土的抗氯離子滲透性能對比

從圖11、圖12可以看出，C30和C40硅鈣渣基生態混凝土的電通量均小于普通混凝土；硅鈣渣基生態混凝土的氯離子電通量隨著強度等級的提高呈下降趨勢，但普通混凝土的氯離子電通量隨著強度等級的提升沒有呈現下降趨勢。因此可得出硅鈣渣基生態混凝土具有優異的抗氯離子滲透能力。

圖12 C40混凝土的抗氯離子滲透性能對比

4 結 論

(1)浸出試驗表明，普通水泥浸出液除Cr含量超標外，其他元素含量均符合生活飲用水衛生標準，而硅鈣渣基生態水泥浸出液中各元素含量均低于普通水泥浸出液中，且Cr含量遠低于普通水泥浸出液中，符合生活飲用水衛生標準，說明硅鈣渣基生態水泥對于有害離子具有優異的固化特性。

(2)硅鈣渣基生態混凝土的早期力學性能(抗壓強度、抗折強度和抗拉強度)要高于相同標號的普通混凝土，后期強度發展相對較緩慢。

(3)硅鈣渣基生態混凝土與普通混凝土相比具有優異的抗硫酸鹽侵蝕性能和抗氯離子滲透性能；硅鈣渣基生態混凝土14 d 前(含14 d)的收縮率與普通混凝土相當，14 d后收縮率小于普通混凝土；C40硅鈣渣基生態混凝土具有優異的抗堿骨料反應性能，其余耐久性能與普通混凝土相當。

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(責任編輯 羅主平)

Study on the Performance of Eco-concrete with Calcium-silicate Slag from Alumina Metallurgy

Zhao Yazhao1Liu Xiaoming1Li Hongxu1Zhang Na2Zhang Honglei1

(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.Architectural Design and Research Institute of Tsinghua University Co.，Ltd.，Beijing 100084，China)

Calcium-silicate slag is a kind of solid waste，which is discharged during alumina extraction from high alumina content fly ash.To reveal the performance of calcium-silicate slag based eco-cement，regarding 32.5#ordinary Portland cement as a reference object，natural sandstone as aggregate，and liquid polyethylene acid as reducing agent，concrete at the degree of C30 & C40 were produced，and also its mechanical properties and durable performance were investigated.The results show that ①the mechanical properties of the calcium-silicate slag based eco-concrete at early age are better than those of the ordinary Portland concrete，but at slow growth in the late.The flexural strength and the compressive strength of the eco-cement mortar cured at 28d reach more than 8 MPa and 40 MPa，respectively.②Compared with ordinary concrete，eco-concrete confers excellent properties of the resistance to sulfate attack and chloride penetration.Eco-concrete cured at 14 d (including 14 d)is about the same to ordinary Portland concrete，but its shrinkage is less than ordinary Portland concrete after 14 d.Eco-cement C40 has excellent resistance to alkali-aggregate reaction.The remaining durable performance of eco-concrete is fairly the same as that of ordinary Portland concrete.③Eco-cement has excellent solidification characteristics for Cr ions.Therefore，eco-cement is superior to the ordinary Portland concrete.

Calcium-silicate slag based eco-cement，32.5#ordinary Portland cement，Concrete，Mechanical properties，Durable performance

2014-07-21

國家自然科學基金項目(編號：51302012)，教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目(編號：20120006120015)。

趙亞釗(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者 劉曉明(1980—)，男，副教授。

TD926.4

A

1001-1250(2014)-11-175-06