硅質廢渣低碳膠凝材料制備研究

孫 浩,于林玉,劉萬剛,嚴家江,馬金來

(山東魯橋建材有限公司,濟南 250000)

傳統水泥生產存在能耗高、污染大的問題。近年來,雙碳目標對水泥的生產要求越來越高,低能耗、低污染成為重要的技術指標[1]。因此,基于工業固廢的低碳膠凝材料技術開發成為了研究熱點。低碳膠凝材料主要是以尾礦、煤矸石、電石渣、赤泥、硅渣、硅鈣渣等具有潛在可利用水化膠凝性組分為主要原材料,通過活性激發工藝和多種組分復配,實現其火山灰活性的提高,實現對水泥用量的替代,降低碳排放;同時減少環境污染[2]。目前,低碳膠凝材料的研究主要包括堿激發膠凝材料和低熟料水泥兩大類[3]。其中,堿激發膠凝材料是由硅鋁質材料和堿性激發劑混合磨細而成的水硬性膠凝材料,具有優異的耐酸性和抗硫酸鹽侵蝕能力,但是存在收縮變形大的問題無法解決[4]。因此,目前基于大量工業固廢的行業背景下,以粒化高爐礦渣為主要成分,復合石膏和活性熟料物質進行活性激發的低熟料水泥為主要的開發和應用方向。研究表明,硅酸鹽水泥熟料或石灰水化為粒化高爐礦渣的溶解提供了堿性環境,粒化高爐礦渣溶出的鈣、硅、鋁離子與CaSO4反應生成鈣礬石和水化硅酸鈣凝膠。通過調整活性熟料的成分能夠優化其早期強度,提高其抗硫酸鹽侵蝕性能和抗酸侵蝕性能[5]。基于現有研究,論文以粒化高爐礦渣為主要成分,復合石膏和具有潛在活性的硅渣為主要組分,研究其摻入比例對制備的低碳膠凝材料活性和力學性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥為寶山生產的PO42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰為信源電廠F類Ⅱ級粉煤灰;礦粉為玉蘭集團S95級礦粉;硅質廢渣為功能性二氧化硅生產過程中產生的壓濾淤泥經烘干獲得的粉末顆粒。水泥、礦粉和硅質廢渣化學組成如表1所示。分散助磨劑為市售產品,主要成分為三乙醇胺。石子為碎石,粒徑5～20 mm,泥塊含量0.1%,針片狀含量2%;砂子為產自黃河的天然黃砂,細度模數2.6,含泥量1.5%;外加劑為聚羧酸減水劑,減水率18%,推薦摻量2%。

表1 原材料化學組成 /%

1.2 低碳膠凝材料及混凝土制備

1)低碳膠凝材料制備 將硅質廢渣微粉與S95級礦粉按質量比0∶100、15∶85、30∶70、50∶50、70∶30、100∶0混合后,加入混合料總質量4%的CaSO4和0.2%的分散助磨劑,采用細粉球磨機進行粉磨,粉磨時間為20 min,形成摻合料A、B、C、D、E和F,測定其比表面積,并進行活性檢測試驗。

2)混凝土制備 在上述試驗的基礎上,按表2的配合比制備混凝土,每次成型混凝土20 L,攪拌時間均為180 s。

表2 混凝土基準配合比

表2中試驗摻合料分別為礦粉原樣品、摻入硅質廢渣微粉原樣和低碳膠凝材料A、B、C、D、E、F。

在混凝土試驗中,確定低碳膠凝材種類,控制水泥與低碳膠凝材料總量為295 kg/m3不變,調整低碳膠凝材料摻量分別為0、55 kg/m3、110 kg/m3、165 kg/m3和220 kg/m3,制備混凝土并研究其性能變化。

1.3 試驗方法

水泥、礦粉、低碳膠凝材料比表面積按《水泥比表面積測定方法勃氏法》GB/T 8074—2008規定的方法進行檢測,精確值1 m2/kg。低碳膠凝材料活性按《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T 18046—2017附錄A規定檢測,精確至0.1%。混凝土坍落度、7 d和28 d抗壓強度、收縮率分別按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB/T50080—2016、《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2019以及《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082—2009規定的接觸法進行測定。

2 結果與討論

2.1 硅質廢渣微粉對低碳膠凝材料活性的影響

圖1所示為硅質廢渣微粉不同摻量條件下低碳膠凝材料的比表面積變化。從圖1中可以看出,相比于未進行粉磨的礦粉和硅質廢渣,礦粉和硅質廢渣互摻粉磨后,其比表面積出現明顯的升高,且隨著硅質廢渣摻入比例的增加,低碳膠凝材料比表面積出現輕微的升高。這說明硅質廢渣微粉摻入比例的增加,有利于低膠凝材料粉磨細化。

圖2為硅質廢渣微粉不同摻量條件下低碳膠凝材料的活性指數。從圖2中可以看出,相比于未進行粉磨的礦粉和硅質廢渣,礦粉和硅質廢渣互摻粉磨后,其活性指數均有所升高。結合圖1可以看出,這主要是因為互摻粉磨后,摻合料比表面積增加,機械粉磨使得其活性提高,同時可以在砂漿中起到很好的微集料填充效應,使得其強度提高,表現出活性升高。進一步分析可以看出,隨著硅質廢渣微粉摻量的增加,低碳膠凝材料不同齡期的活性指數呈現出逐漸下降的趨勢,而在圖1中,其比表面積隨著硅質廢渣微粉摻量的增加而增加,兩者表現出相反的發展趨勢。分析原因主要是因為,硅質廢渣活性相比于礦渣較低,隨著其摻量的增加,在激發劑和分散助磨劑保持不變的情況下,所制備的低碳膠凝材料整體活性出現下降。雖然其比表面積表現出逐漸升高的趨勢,但是根據圖2活性指數可以看出,機械粉磨提高比表面積對活性的影響小于材料本身活性激發效果,低碳膠凝材料活性與材料本身活性相關性較大。進一步比較圖2中不同互摻比例條件下低碳膠凝材料的活性指數可以看出,在硅質廢渣微粉與礦粉互摻比例為0∶100～50∶50時,制備的低碳膠凝材料活性指數均不低于摻入原礦粉樣品。

2.2 低碳膠凝材料對混凝土性能的影響

1)低碳膠凝材料對混凝土拌和物性能的影響

圖3所示為硅質廢渣微粉不同摻量條件下制備的低碳膠凝材料摻入后制備的混凝土坍落度變化。從圖3中可以看出,隨著低碳膠凝材料中硅質廢渣微粉摻入比例的增加,混凝土拌和物的坍落度表現出先輕微上升后下降的趨勢,其中硅質廢渣微粉與礦渣互摻比例為30∶70時,混凝土坍落度出現最大值為215 mm。之所以兩者互摻會提高混凝土拌和物坍落度,改善其流動性,主要是因為兩種原材料本身顆粒性狀不同,易磨性不同,粉磨后表面形態也存在較大差異,相比于單一組分,互摻可以優化顆粒間的孔隙結構,能夠更好地在水泥顆粒中發揮微集料和滾珠效應,從而使得其坍落度出現輕微的升高。

2)低碳膠凝材料對混凝土力學性能的影響

圖4所示為硅質廢渣微粉不同摻量條件下制備的低碳膠凝材料制備的混凝土7 d和28 d抗壓強度。從圖4中可以看出,隨著低碳膠凝材料中硅質廢渣微粉摻入比例的增加,混凝土抗壓強度表現出先輕微上升后下降的趨勢。比較圖4和圖3變化曲線可以看出,在硅質廢渣微粉與礦渣互摻比例從0∶100～100∶0之間時,其變化規律相同。其中硅質廢渣微粉與礦粉互摻比例為30∶70時,混凝土7 d和28 d抗壓強度達到最大值,分別為37.8 MPa和49.8 MPa。同時可以看出,在低膠凝材料中,當礦粉摻量高于50%時,即低碳膠凝材料中主要成分為礦粉時,其摻入后制備的混凝土抗壓強度高于摻入原樣礦粉。分析其變化規律主要是因為硅質廢渣微粉活性相對于礦粉較低,摻入后會造成低碳膠凝材料活性降低,但通過機械粉磨,實現其超細粉化后,有利于其活性的提高,同時有利于其在混凝土中發揮微集料填充效應,有利于抗壓強度提升。而礦粉本身顆粒相對較粗,針片狀較多,且礦粉的表面積與水泥接近,不易在水泥顆粒中發揮微集料效應。因此,通過摻入低活性的硅質廢渣微粉形成低碳膠凝材料其拌和物性能和力學性能均更好,且摻量達到50%時,依然能夠表現出不低于原樣礦粉的性能。

2.3 低碳膠凝材料替代量對混凝土性能的影響

以硅質廢渣微粉和礦粉比例為50∶50進行低碳膠凝材料的制備,并以不同摻量替代水泥,研究其替代量對混凝土性能的影響。

1)低碳膠凝材料替代量對混凝土拌和物性能的影響

圖5所示為不同摻量低碳膠凝材料替代水泥制備的混凝土坍落度。從圖5中可以看出,隨著低碳混凝土摻量的增加,混凝土坍落度呈現出先升高后下降的趨勢,在低碳膠凝材料替代量為55 kg/m3時,混凝土坍落度達到最大值為215 mm。分析其原因是因為低碳膠凝材料比表面積較大,遠高于水泥,摻入到混凝土中能夠起到微集料填充效應,從而改善混凝土內部缺陷,改善顆粒間的接觸點,增加滾珠效應,從而使得其坍落度升高;但是當其摻量較大時,因其比表面積較大,所以吸水量增大,從而導致混凝土粘度增大,流動性變差,坍落度出現下降。

2)低碳膠凝材料替代量對混凝土力學性能的影響

圖6所示為不同摻量低碳膠凝材料替代水泥制備的混凝土7 d和28 d抗壓強度。從圖6中可以看出,隨著低碳膠凝材料的增加,混凝土抗壓強度呈現出先升高后下降的趨勢,在低碳膠凝材料替代量為55 kg/m3時,混凝土7 d和28 d抗壓強度達到最大值,分別為34.2 MPa和46.4 MPa。分析原因是因為混凝土中摻入比表面積較大的低碳膠凝材料,雖然其活性低于水泥,但是其可以顯出較好的微集料填充效應,從而改善混凝土內部缺陷,提高混凝土整體的結構穩定性,使得其抗壓強度出現升高,但是當摻量較高時,由于較大的比表面積需水量過大,使得混凝土和易性變差,內部氣孔增多,缺陷增多,導致抗壓強度下降。從圖6中可以看出,當低碳膠凝材料替代量達到110 kg/m3時,依然能夠顯出不低于未摻入低碳膠凝材料的水泥混凝土的力學性能。

3)低碳膠凝材料替代量對混凝土收縮率的影響

圖7所示為不同摻量低碳膠凝材料替代水泥制備的混凝土收縮率。從圖7中可以看出,隨著低碳混凝土摻量的增加,混凝土的收縮率先下降后升高,在低碳膠凝材料替代量為55 kg/m3時,混凝土收縮率達到最小值。這也與粒度較細的低碳膠凝材料起到的微集料效應有關,通過對混凝土內部缺陷的填充,使得混凝土結構更加穩定,收縮變小。進一步比較圖7中摻入不同低碳膠凝材料的混凝土的收縮率可以看出,當摻量低于110 kg/m3時,混凝土的收縮率均低于不摻入低碳膠凝材料的混凝土,這說明適量的低碳膠凝材料替代水泥不僅能夠實現固廢的資源化利用,而且有利于混凝土性能的改善和體積穩定性的提高。

3 結 論

a.互摻粉磨有利于低碳膠凝材料比表面積的提升和活性指數的提高,隨著硅質廢渣微粉摻量的增加,活性逐漸下降。但其摻入比例不高于50%時,其活性仍不低于礦粉。

b.隨著低碳膠凝材料中硅質廢渣微粉摻入比例的增加,混凝土的坍落度和抗壓強度均表現出先輕微上升后下降的趨勢,在摻入比例為30∶70時達到最佳。

c.通過低碳膠凝材料替代水泥制備混凝土,隨著替代量的增加,混凝土坍落度和抗壓強度先升高后下降、收縮率先下降后升高,在低碳膠凝材料替代量為55 kg/m3時,混凝土性能最佳。