固體堿激發(fā)制備堿礦渣高鈣粉煤灰水泥的研究

固體堿激發(fā)制備堿-礦渣-高鈣粉煤灰水泥的研究Prepa ra t ion of A lka l i- Sla g- H igh L im e F ly A sh Cem en t Exc ited by So l id A lka l i馬保國(guó)( 武漢理工大學(xué)朱平華430070) ( 湖北雙環(huán)科技股份有限公司)黃立付( 武漢理工大學(xué))摘 要 研究了采用固體堿激發(fā)制備堿- 礦渣- 高鈣粉煤灰水泥的方法途徑。 結(jié)果表明: 在堿激發(fā)劑最佳摻量條件下, 調(diào)整礦渣與高鈣粉煤灰的配比, 可制備出 325 號(hào) 525 號(hào)的堿- 礦渣- 高鈣粉煤灰水泥。該水泥生產(chǎn)成本低、性能優(yōu)良, 是一種具有發(fā)展前景的綠色環(huán)保節(jié)能建材。關(guān)鍵詞 堿激發(fā) 高鈣粉煤灰 礦渣中圖分類(lèi)號(hào): TQ 172: X 705前言文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A用, 其活性組分 S iO 2 + A l2O 3 + F e2O 3 = 68. 26% , 活性較高。礦渣取自武漢鋼鐵公司, 為水淬粒化高爐礦渣,化學(xué)成分見(jiàn)表 2。高鈣粉煤灰是火力發(fā)電廠采用褐煤、次煙煤作為動(dòng)力燃料而排放出來(lái)的。 由于其含有較高的 f2C aO ,將其作為水泥混合材料或混凝土摻合材料有可能會(huì) 帶來(lái)水泥或混凝土體積穩(wěn)定性不良等后果, 加上人們對(duì)高鈣粉煤灰的認(rèn)識(shí)沒(méi)有低鈣灰那樣充分, 因而至今仍未能得到很好的應(yīng)用。 高鈣粉煤灰的大量堆積, 已 造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前制備堿激發(fā)水泥常常采用液體堿 (如水玻璃等) 作為堿性激發(fā)劑, 但同時(shí)具有以下缺點(diǎn): ( 1) 不能 直接生產(chǎn)出堿激發(fā)類(lèi)水泥, 只能生產(chǎn)堿激發(fā)水泥混凝土, 使用十分不便。 (2) 凝結(jié)時(shí)間難以控制, 緩凝問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。用固體堿激發(fā)制備堿- 礦渣- 高鈣粉煤灰水泥, 從實(shí)驗(yàn)中尋找高鈣粉煤灰與礦渣的匹配關(guān)系, 確定固 體堿激發(fā)劑的最佳摻量范圍, 從而最大程度地提高高 鈣粉煤灰的利用率, 同時(shí)又使該種新型水泥具有生產(chǎn) 成本低、性能優(yōu)良、能滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)要求的優(yōu)勢(shì), 其 巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益不言而喻。1原材料與實(shí)險(xiǎn)1. 1原材料高 鈣粉煤灰渣 (H C FA ) 取自湖北雙環(huán)科技股份 有限公司熱電廠, 其化學(xué)成份見(jiàn)表 1。表 2礦渣的化學(xué)成分化學(xué)成份 C aOS iO 2A l2O 3 F e2O 3 T iO 2 M gO M nO 2 IL T o ta l%34. 9134. 09 11. 83 1. 660. 58 7. 40 0. 27 1. 10 91. 86C aO + M gO =堿度系數(shù): M o =0. 92 1. 0S iO 2 + M nO 2 + T iO 2A l2O 3活度系數(shù): M n = S iO 2 = 0. 347在前期探索實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 本研究采用了 N aO HnN a2CO 3 系列的固體堿激發(fā)劑。-1. 2實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)時(shí), 先將高鈣粉煤灰與礦渣分別置于 105 的烘箱中烘干 24h 與 2h , 各稱(chēng) 6k g 原料倒入 500900mm 實(shí) 驗(yàn) 球 磨 機(jī) 內(nèi) 進(jìn) 行 粉 磨 90m in , 再 用 0.080mm 方孔篩篩分。 以上實(shí)驗(yàn)的目的旨在通過(guò)機(jī)械激發(fā), 增大高鈣粉煤灰與礦渣的比表面積, 提高其活性。水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間按 GB 1346- 89標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 水泥膠砂強(qiáng)度按 GB 177 - 92 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn) 行實(shí)驗(yàn), 水泥的凈漿強(qiáng)度采用 20 20 20mm 立方體試模成型, 在溫度為 (202) , 濕度90% 的濕氣養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù) 24h 后脫模, 置于溫度 (202) , 濕度70% 的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期, 用 10 t 試驗(yàn)機(jī)測(cè)表 1高鈣粉煤灰的化學(xué)成分化學(xué)成份 S iO 2F e2O 3 A l2O 3T iO 2 C aO M gOSO 3 IL T o ta l% 38. 404. 51 25. 450. 78 26. 49 3. 30 0. 13 0. 15 99. 11從化學(xué)成分上看, 高鈣粉煤灰的燒失量很小, 基本可以忽略不計(jì), 這有利于其在膠結(jié)材中的推廣應(yīng)4COAL A SH CH IN A42001定其強(qiáng)度。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析2. 1高鈣粉煤灰摻量對(duì)堿礦渣高鈣粉煤灰水泥 強(qiáng)度的影響本項(xiàng)目研究的目的就是要開(kāi)辟一條有效利用高 鈣粉煤灰的新途徑。實(shí)驗(yàn)中讓高鈣粉煤灰在水泥中的比例在 0 100% 的范圍內(nèi)變化, 得出了最佳配比。有 關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3。表 3 高鈣粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響2. 2固體堿激發(fā)劑摻量對(duì)堿- 礦渣- 高鈣粉煤灰水泥強(qiáng)度的影響先將市售 N a2CO 3 研磨加工, 用 0. 080mm孔篩篩分, 取篩下物與 N aO H 按一定比例加入。有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 4。表 4N aO H - nN a2CO 3 摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響N aO H 2nN a2CO 3 摻量抗壓強(qiáng)度 (M P a)編號(hào) ( % ) 3d 7d 28d H -H - H - H -01234681032. 2345. 4334. 2038. 2743. 8448. 3050. 2942. 5846. 5056. 0153. 1051. 62抗壓強(qiáng)度 (M P a)編號(hào)高鈣灰摻量 (% )3d7d28dD -D - D - D - D -0123402040608034. 1033. 9423. 6115. 786. 4249. 6047. 6938. 5327. 4911. 3662. 3658. 9638. 5832. 3119. 97 H - 4 12 34. 94 41. 23 50. 98 D - 5 100 3. 09 6. 01 10. 92 (N aO H - nN a2CO 3 摻量為 6% , 下同)圖 2 N aO H 2nN a2CO 3 摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響由表 4 及圖 2 可以得出如下結(jié)論:( 1)齡期不同, 不同 N aO H - nN a2CO 3 摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響強(qiáng)度峰值也不同, 3d 和 7d 強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在 8% 附近, 而 28d 強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在 6% 附近。究 其原因, 是由于“濃度效應(yīng)”起的。當(dāng)摻量低于 8% 時(shí),隨著 N aO H - nN a2CO 3 摻量的增大, O H 2離子的濃度 逐漸增大, 水化反應(yīng)速度加快, 強(qiáng)度隨之上升, 但是,當(dāng)摻量超過(guò) 8% 時(shí), O H 2離子濃度太高, 在礦渣與粉煤 灰物料顆粒表面快速激發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物形成一層保護(hù)膜, 阻止反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行, 所以后期強(qiáng)度跟不上來(lái)。 當(dāng)摻量為 8% 時(shí), 這種效應(yīng)要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的 時(shí)間才能顯示出來(lái), 所以 28d 強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在 6%的點(diǎn)上。圖 1 高鈣粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響由表 3 可知:( 1)高鈣粉煤灰在摻加 20% 時(shí), 水泥 3d 強(qiáng)度比純礦渣的低 0. 47% , 28d 強(qiáng)度低 5. 45% , 這說(shuō)明高鈣粉煤灰和礦渣之間有匹配關(guān)系。( 2)高鈣粉煤灰最優(yōu)摻量范圍較大: 高鈣粉煤灰 的 含 量 從 40% 上 升 到 60% 時(shí), 3d 強(qiáng) 度 從 23.61M P a 下降到 15. 78M P a, 28d 強(qiáng)度從 38. 58M P a 下 降到 32. 3M P a。這說(shuō)明高鈣粉煤灰摻量不斷增大時(shí),會(huì)顯著影響水泥強(qiáng)度。 當(dāng)高鈣粉煤灰的含量達(dá) 60%時(shí), 從圖 1 可以看出, 此時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折性的突變, 強(qiáng)度 下 降 得 非 常 快。 3d 強(qiáng) 度 從 15. 78M P a 下 降 到 6.42M P a, 再下降到 3. 09M P a, 28d 強(qiáng) 度 從 32. 31M P a下降到 19. 97M P a, 進(jìn)而降到 10. 92M P a。 這說(shuō)明, 在 配制低標(biāo)號(hào)水泥時(shí), 高鈣粉煤灰的摻量采用 60% 比較合適, 配制高標(biāo)號(hào)水泥時(shí), 則控制在 20% 左右。 因此, 高鈣粉煤灰的最優(yōu)摻量范圍為 20% 60% 。(2)N aO H 2nN a2CO 3 的適宜摻量范圍為 4%8% , 最佳摻量為 6% 。摻加 6% 的激發(fā)劑, 一方面可以使 28d 強(qiáng)度達(dá)到最大, 另一方面也可以降低成本。2. 3高鈣粉煤灰摻量對(duì)堿礦渣高鈣粉煤灰水泥 凝結(jié)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響高鈣粉煤灰摻量對(duì)堿礦渣高鈣粉煤灰水泥 凝結(jié)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響數(shù)據(jù)見(jiàn)表 5。42001粉煤灰5表 5 高鈣粉煤灰摻量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間的影響由以上結(jié)果可知, 在高鈣粉煤灰摻量為 20%30% 時(shí), 水 泥 的 初 凝、終 凝 時(shí) 間 更 合 理。 摻 20%30% 的高鈣粉煤灰后, 堿- 礦渣- 高鈣粉煤灰水泥的 表面泛霜及疏松現(xiàn)象已基本消除, 其原因主要是由于 粉煤灰的摻入改善了水泥的泌水性能, 從而使水泥表 面的強(qiáng)度和試塊內(nèi)部一樣得到發(fā)展。凝結(jié)時(shí)間高鈣灰摻量 標(biāo)準(zhǔn)稠度編號(hào)初凝(h m in )終凝(h m in )(% )用水量 (% )T -T - T - T - T -0123402030405025. 9326. 1226. 4728. 3128. 36056156208301515137327252511751 T - 5 60 29. 65 610 853 2. 4堿礦渣高鈣粉煤灰水泥強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表 6水泥強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果高鈣灰摻量抗折強(qiáng)度 (M P a)抗壓強(qiáng)度 (M P a)編號(hào) ( % ) 3d 7d 28d 3d 7d 28d C -C - C - C - C -1234520304050608. 318. 046. 966. 786. 139. 479. 138. 938. 628. 4110. 8310. 079. 719. 218. 9940. 1138. 7835. 3332. 1729. 3850. 3849. 1246. 3140. 0838. 1659. 7356. 3851. 3745. 4341. 35由表 6 可見(jiàn), 在高鈣粉煤灰的最佳摻量范圍內(nèi),堿礦渣高鈣粉煤灰水泥的強(qiáng)度可達(dá)到 325 號(hào)525 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。2. 5堿礦渣高鈣粉煤灰水泥水化機(jī)理 從水化 歷 程 看, 堿礦 渣高 鈣 粉 煤 灰 水 泥 在N aO H - nN a2CO 3 的作用下, 水化過(guò)程可分為四個(gè)階 段:( 1)N a2CO 3 及 N aO H 的水解, 釋放 出 O H 2離 子;元t, 比普通水泥的成本要 低 30% 40% , 另 外, 生產(chǎn)這種水泥能變廢為寶, 減少環(huán)境污染, 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn) 單, 只需球磨機(jī)等主要設(shè)備。4 結(jié)語(yǔ) 高鈣粉煤灰與礦渣之間具有匹配關(guān)系, 高鈣粉煤 灰的最優(yōu)摻量范圍為 20% 60% 。 固體堿激發(fā)劑 N aO H - nN a2 S iO 3 的適宜摻量范 圍為 4% 8% , 最佳摻量為 6% 。 在固體堿激發(fā)劑的最佳摻量下, 調(diào)整礦渣與高鈣 粉煤灰的配比, 可制備 325 號(hào) 525 號(hào)的堿礦渣 高鈣粉煤水泥。該種水泥性能優(yōu)良, 成本低, 能滿(mǎn)足工業(yè)化大生產(chǎn)的要求, 是一種十分理想的、具有發(fā)展前 景的環(huán)保節(jié)能建材。參考文獻(xiàn)(2)礦渣與粉煤灰表面結(jié)構(gòu)解體;溶液中 O H 2離子穿透礦渣、粉煤灰顆粒的表面,進(jìn) 入 玻 璃 體 內(nèi) 孔 穴, 與 C a2+ 離 子 作 用, 使 玻 璃 體 解 體, 游離出 C a2+ 和 S iO 4 4- 離子。(3)C - S- H 的形成由于 C a2+ 擴(kuò)散速度較大, 較快進(jìn)入溶液中, 并與 緩慢釋放的活性 S iO 4 4- 發(fā)生反應(yīng), 生成了低堿度的 C- S- H 凝膠并膠連成網(wǎng)形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。1吳中偉. 綠色高性能混凝土與科技創(chuàng)新. 建筑材料學(xué)報(bào),1998, 1 (1) : 1- 7吳其勝, 李玉壽等 固體堿激發(fā)制備 525 號(hào)礦渣水泥的研 究。 新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào), 2000 (5)楊力遠(yuǎn), 楊久俊, 管宗莆 高摻量粉煤灰礦渣水泥的研究 新 型建筑材料, 1999 (11) 14- 16潘群雄, 張長(zhǎng)森 影響堿- 粉煤灰- 礦渣基膠凝材料性能 因素的探討. 水泥工程, 1999 (2)楊立信, 國(guó)外堿性粉煤灰膠凝材料的研究, 粉煤灰綜合利 用, 1996