廢棄硅藻土鋼渣制備硅藻泥建筑涂料★

蔣建亞 張?zhí)K花 孫 浩 付旭東

(1.常州佳爾科仿真器材有限公司，江蘇 常州 213111；2.邯鄲市建業(yè)建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，河北 邯鄲 056000；3.中國建筑第八工程局有限公司華北分公司，天津 300450)

1 概述

硅藻土屬于非金屬礦產(chǎn)，是我國重要的應(yīng)用資源，國內(nèi)已探明儲量4億多噸，遠景儲量高達20億多噸，具有廣泛的利用途徑[1-3]。主要應(yīng)用于：食品過濾(包含：水處理)、建材、農(nóng)業(yè)及化工(包含：環(huán)保方面)等方向。因硅藻土是由白堊紀(jì)后期時期的單細胞硅藻遺骸形成的多孔硅質(zhì)沉積巖，且在形成過程中與火山噴發(fā)和活動有密切關(guān)系，所以其礦物成分主要為礦物蛋白石及其他雜質(zhì)，主要成分為非晶二氧化硅。目前我國僅對優(yōu)質(zhì)一級硅藻土加工再利用，而二級、三級或中、低品味的資源，因含有大量黏土、砂質(zhì)等雜質(zhì)，不能直接用來生產(chǎn)高性能高附加值產(chǎn)品，仍處于閑置廢棄狀態(tài)。因硅藻土具有微火山活性[4]，所以應(yīng)激活其活性后，使反應(yīng)提高能后，再加以利用，本文采用機械粉磨方式激活。

隨著居家裝飾及膠粘劑的大量使用，室內(nèi)空氣的有害污染已嚴(yán)重超標(biāo)，凈化功能的內(nèi)墻涂料也呈現(xiàn)多樣化，可分為：光催化降解型、物理吸附型、吸附催化復(fù)合型。硅藻土的多孔性，孔隙率達80%～90%，是活性炭的5×103倍以上[5]，適合作為吸附材料應(yīng)用于涂料中。結(jié)合內(nèi)墻裝飾設(shè)計對視覺、觸覺、嗅覺的要求，硅藻土產(chǎn)品在藝術(shù)表現(xiàn)力上和后期保養(yǎng)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)裝飾材料。以硅藻土為主要原料，并摻有膠結(jié)材料以及其他輔助功能材料制備而成的水性涂料，稱為硅藻泥，一般是以干粉態(tài)儲存。以提高資源利用率、降低能源的消耗為原則，本文欲利用廢棄硅藻土及鋼渣為主要原料制備普通硅藻泥，測試各個技術(shù)指標(biāo)，并分析指標(biāo)性能。

2 實驗及方法

2.1 實驗原料

廢棄硅藻土取自吉林長白礦區(qū)，主要化學(xué)成分見表1。如圖1所示為硅藻土的XRD分析，主要礦物組成為石英、蛋白石。硅藻土SEM圖中存在有多種形狀，包括：圓盤形、橢圓形、圓柱形等，具有特殊的多級孔道結(jié)構(gòu)[6,7]。

鋼渣取自天津某鋼鐵廠，為空氣中自然冷卻的轉(zhuǎn)爐鋼渣，主要化學(xué)成分見表1。根據(jù)冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 140—2009鋼渣化學(xué)分析方法，參照Mason B[8]的反應(yīng)活性計算堿度值的方法，試驗選用鋼渣堿度為3.34>1.8，具有潛在活性，屬于高堿度鋼渣。鋼渣主要礦物相為硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)和RO相。

脫硫石膏化學(xué)成分見表1。由表1可知脫硫石膏的主要化學(xué)成分為CaO和SO3。

表1 原料化學(xué)成分 %

2.2 實驗方法

2.2.1機械活化

將5 kg硅藻土加入實驗室用SMΦ500 mm×500 mm小型球磨機，分別粉磨10 min，15 min，20 min，并測試比表面積。

用顎式破碎機將鋼渣破碎至1 mm～2 mm后，將5 kg硅藻土加入實驗室用SMΦ500 mm×500 mm小型球磨機，分別粉磨100 min，110 min，120 min，并測試比表面積。

2.2.2膠砂制備

將硅藻土、鋼渣粉磨不同時間的物料，按表2,表3制備膠砂試塊，在不低于95%的相對濕度、(20±1)℃的標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護24 h后脫模，將試樣放入(20±1)℃水中養(yǎng)護至28 d，測定試樣的抗壓強度及活性。

表2 硅藻土膠砂配合比

表3 鋼渣膠砂配合比

2.2.3硅藻泥制備

取一定量的激活硅藻土、激活鋼渣粉、石英砂、脫硫石膏等原料，配合比如表4所示，用攪拌機攪拌至各原料混合均勻，制得硅藻泥干粉；再加入干料質(zhì)量3‰的三聚磷酸鈉、乙二醇和適量水，最后用攪拌機拌和均勻，無結(jié)塊，即制得普通硅藻泥。

表4 硅藻泥配合比 g

2.2.4樣品測試

采用GB/T 8074—2008水泥比表面積測定方法(勃氏法)測定各物料的比表面積；采用X’Pert Powder型X射線衍射儀進行原料XRD分析，Cu靶掃描，速度5°/min，掃描范圍10°～80°，步長0.02°。

膠砂試樣的抗壓強度測試參照GB/T 17671—1999水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)法；試樣的力學(xué)性能測試壓力機的加荷速率為(2.5±0.5)kN/s。

硅藻泥施工性：將硅藻泥涂抹在430 mm×150 mm的無石棉纖維水泥板上，厚度為(2±0.5) mm，觀察表面是否能均勻、有無結(jié)塊。干燥抗裂性：按照國標(biāo) GB/T 9779—2015復(fù)層建筑涂料中6.10規(guī)定的測試方法進行實驗，將硅藻泥涂抹在規(guī)格為 200 mm×150 mm的無石棉纖維水泥板上，將硅藻泥置于吹風(fēng)機下，恒定風(fēng)速吹3 h，結(jié)束后，在板子正上方50 cm處，觀察硅藻泥表面有無裂紋出現(xiàn)，沒有或者裂紋較少即為合格。表干時間：按照國標(biāo) GB/T 1728—1979漆膜，膩子膜干燥時間的乙法測定硅藻泥的表干時間，將硅藻泥涂抹在規(guī)格為150 mm×70 mm的無石棉纖維水泥板上，用秒表測定硅藻泥表面干燥的時間，即用手指觸摸，表面不出現(xiàn)裂痕。粘結(jié)強度：按照GB/T 9779—2015復(fù)層建筑涂料中6.18規(guī)定的Ⅲ型復(fù)層建筑涂料的測試方法進行實驗。

3 結(jié)果與討論

3.1 廢棄硅藻土的機械力活化

硅藻土、鋼渣粉磨后比表面積見表5,表6，活性指數(shù)見表7。

表5 硅藻土比表面積

表6 鋼渣比表面積

表7 硅藻土和鋼渣活化活性指數(shù)

通過對硅藻土和鋼渣比表面積的測定發(fā)現(xiàn)，在機械力作用下，隨粉磨時間增長，比表面積越來越大。而隨著粉磨時間的延長粉磨效率反而降低，說明物料在粉磨過程中開始或已經(jīng)存在團聚現(xiàn)象，其中粉體間的范德華力和靜電作用是主要推手，粉體粒徑的減小和比較面積的增大是凸顯范德華力的主要原因，粉磨介質(zhì)對粉體的做功及粉體分子間弱能鍵斷裂是產(chǎn)生靜電作用的主要原因。而團聚的出現(xiàn)表明物料接近粉磨的極限值，如果繼續(xù)延長粉磨時長，會造成能源的過耗。因此各物料不再依靠延長粉磨時間提升活性。

通過對硅藻土和鋼渣活性指數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)，各個粉磨活性均已達到GB/T 12957—2005用作水泥混合材料的工業(yè)廢渣活性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)要求。硅藻土粉磨后，原硅氧四面體的共價鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生了大量斷裂的化學(xué)鍵，破壞了原穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生火山活性，并與Ca(OH)2反應(yīng)形成硅氧四面體三元鏈及鈣氧八面體形成的單鏈重復(fù)排列C-S-H。C-S-H因其孔隙率高，熱穩(wěn)定性好，可作為保溫材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域[9]。鋼渣質(zhì)地堅硬，耐磨指數(shù)為0.7，因此需要長時間的粉磨。由鋼渣的化學(xué)組成和XRD礦物分析可以看出，其與水泥成分相似，有“過燒型水泥熟料”之稱，因具有潛在活性，也可以做礦物摻合料[10-12]。鋼渣在磨細后，其礦物組成和化學(xué)成分基本不會發(fā)生變化。但粉磨細度會影響其活性，主要是大顆粒的C3S和C2S比表面積增大導(dǎo)致的[13]。因此采用活性指數(shù)最高的粉磨時長為最佳配料。

3.2 硅藻泥相關(guān)性能

施工性：觀察無石棉纖維水泥板，發(fā)現(xiàn)C1，C2表面較為平整，稍有顆粒感，保水性較為合適；而C3，C4表面略有飽和，在攪拌鍋內(nèi)也可看到漿料表面有水層，水泥板背面也有部分水漬。表明用水量為310 g時，漿體可塑性較好，便于施工；當(dāng)增大用水量，漿體粘稠度降低，且保水性差，增大施工成本。

表干時間如表8所示。當(dāng)用水量大時，表干時間會延長；當(dāng)同樣用水量時，硅藻土含量高的，表干時間長。膠體表干的過程，主要依靠水分的蒸發(fā)。而硅藻土含量高時，表干時間較長是因為硅藻土的多孔性及高比表面積，所帶來的儲水功能：孔隙內(nèi)的表面羥基與水接觸時發(fā)生羥基反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)吸附及物理吸附，鎖定水分，產(chǎn)生保濕性，而水化的C-S-H雖是高孔隙率，但固水能力在此可以忽略[14-16]。當(dāng)外界環(huán)境濕度減小時，硅藻土放出水分。

表8 表干時間

干燥抗裂性：觀察發(fā)現(xiàn)C1，C2的平整度較為均勻，肉眼可見少量短細裂紋；C3，C4平整度較差，有少量波浪狀態(tài)，邊緣有起褶和少量脫落。產(chǎn)生裂縫和褶皺可能是由于硅藻土含量不同，保濕效果存在差異，使得抵抗水分快速蒸發(fā)能力的異樣；產(chǎn)生波浪狀可能是因為低含量硅藻土試樣粘稠度大，在水分快速蒸發(fā)時產(chǎn)生的局部的不均勻。

粘結(jié)強度如表9所示。低水料比強度自然高于高水料比。鋼渣的水化速率要慢，水化生成C-S-H的量較少，造成早期強度較低[13]。

表9 粘結(jié)強度

4 結(jié)語

1)硅藻土和鋼渣隨著粉磨時間的延長，比表面積隨之增大，而粉磨效率隨之降低；

2)硅藻土和鋼渣隨著粉磨時間的延長，活性指數(shù)隨之升高，而粉磨效率隨之降低，物料優(yōu)選硅藻土粉磨20 min，鋼渣粉磨120 min；

3)硅藻土、鋼渣、石英砂、脫硫石膏為原料，以水料比約為1∶1時，配置的硅藻泥狀態(tài)最優(yōu)，當(dāng)水料比高于1∶1時，會降低施工性、耐堿性和粘結(jié)強度。