堿激發(fā)磷渣加氣混凝土水化產(chǎn)物分析

堿激發(fā)磷渣加氣混凝土水化產(chǎn)物分析

磷渣是在典黃醇轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢物。據(jù)統(tǒng)計，中國每年排放約500.10%60010%。由于其含有磷和氟，它長期被放置在室外，雨水后有毒物質(zhì)滲透到土壤，造成污染氏合金磷渣中含有氧化硅和氧化鋅，是潛在活性材料。磷浪費不僅是減少污染和改善生態(tài)環(huán)境的有效手段，而且是防止資源浪費、提高效益、發(fā)展生態(tài)清潔技術(shù)等重要措施。加氣混凝土是通過發(fā)氣劑使水泥料漿拌合物發(fā)氣產(chǎn)生大量均勻封閉的氣泡,并經(jīng)過養(yǎng)護硬化而形成的一種多孔混凝土［３］,具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、利廢、防火和易加工等優(yōu)點.加氣混凝土根據(jù)養(yǎng)護方式可以分為免蒸壓養(yǎng)護(NAAC)和蒸壓養(yǎng)護混凝土(AAC)［４］,目前加氣混凝土產(chǎn)品主要以蒸壓養(yǎng)護為主,對免蒸壓養(yǎng)護加氣混凝土的研究相對較少.關(guān)于堿激發(fā)磷渣免蒸壓加氣混凝土的制備研究,作者已有過論述［５－６］,本文在此研究基礎(chǔ)上對免蒸壓堿磷渣加氣混凝土的孔隙進行了測試和研究,利用XRD,SEM,DSC-TG和FTIR等分析手段對水化產(chǎn)物進行了分析和探討.1實驗1.1磷渣水泥、粉煤灰的磨細實驗所用磷渣(P)的主要化學(xué)成分中SiO２質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%~43%,CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47%~52%,Al２O３質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~5%,經(jīng)磨細后的磷渣粉比表面積為380~420m２/kg,磨細磷渣粉的密度為2.6~2.8g/cm３;水泥(C)為貴州“烏江”P.O42.5;粉煤灰(F)是凱里電廠Ⅲ級濕排粉煤灰;市售水玻璃,模數(shù)M=3.2~3.4,固含量≥40%;貴州遵義堿廠NaOH,含量≥96%;發(fā)氣劑為河北省辛集市金鹿銀粉廠生產(chǎn)的鋁粉.1.2試件結(jié)構(gòu)和養(yǎng)護實驗時將磷渣、粉煤灰和水泥等粉料與堿激發(fā)劑(由水玻璃和NaOH混合而成)、水等混合后充分?jǐn)嚢杈鶆?約2min左右),摻入Al粉后再攪拌30s,將料漿注入100mm×100mm×100mm的三聯(lián)模中靜置,待料漿發(fā)氣結(jié)束后用細鐵絲割去坯體上部多余部分.將試件帶模放入混凝土養(yǎng)護室(溫度:20℃±2℃,濕度:95%±5%)中養(yǎng)護,1d后拆模,試件繼續(xù)放入養(yǎng)護室養(yǎng)護.28d齡期后取出試件進行力學(xué)性能測試和微觀形貌分析.實驗按照土木工程材料基本物理性能試驗［７］中的孔隙率測定方法,對加氣混凝土材料的孔隙率進行測試;將需要進行微觀形貌分析的試件浸泡在無水乙醇中終止水化,分析時將試樣從無水乙醇中取出烘干,制作分析樣品進行測試和分析.2標(biāo)準(zhǔn)表觀密度的加壓混凝土在前期實驗研究基礎(chǔ)上［５－６］,確定堿磷渣加氣混凝土的基準(zhǔn)配合比(見表1),通過調(diào)整鋁粉摻量制備出不同表觀密度的加氣混凝土.實驗對不同表觀密度的加氣混凝土試件進行了性能測試和分析.2.1堿磷渣加壓混凝土的孔徑分布實驗對表觀密度為500~800kg/m３的加氣混凝土的抗壓強度和孔隙率進行了測試,結(jié)果見表2.堿磷渣免蒸壓加氣混凝土抗壓強度達到3.3~7.8MPa,滿足《蒸壓加氣混凝土砌塊》(GB11968—2006)的要求.加氣混凝土孔隙率在66.79%~77.06%之間,孔隙率隨著試件表觀密度的增加不斷減小.實驗中用SEM對試樣截面的孔徑進行了掃描分析,結(jié)果如圖1所示.從圖1(a)中可以看出,堿磷渣加氣混凝土樣品的孔徑分布較均勻,大都在0.5~1.5mm之間;相互聯(lián)通的孔隙較少.圖1(b)是單獨對一個孔徑進行掃描放大的結(jié)果,從中可以看出孔隙呈橢圓形,且呈閉合狀.2.2磷渣的水化產(chǎn)物實驗對磷渣原材料和堿磷渣加氣混凝土水化樣進行了XRD分析,結(jié)果見圖2:磷渣的XRD譜線呈彌散的饅頭狀,表明磷渣主要由玻璃態(tài)物質(zhì)構(gòu)成.通過分析XRD圖譜可知,磷渣中含有假硅灰石、槍晶石、硅鈣石和少量的磷酸鈣等礦物.從水化樣的XRD圖分析,譜線仍然以呈彌散峰為主,但是彌散峰的強度明顯減弱,說明磷渣的水化過程主要是由玻璃相向凝膠轉(zhuǎn)變的過程,即由玻璃態(tài)物質(zhì)向水化硅酸鈣凝膠轉(zhuǎn)變.XRD圖譜分析表明,水化產(chǎn)物中還有白鈣沸石(Ca４[(Si６O１５)·(OH)]·3H２O)、類沸石產(chǎn)物水化硅鋁酸鈣和方解石(CaCO３)等物質(zhì)存在.2.3m圖3是磨細磷渣粉的微觀形貌,從圖中可以看到磨細磷渣顆粒大小不均勻,粒徑在數(shù)微米到數(shù)十微米之間,大多分布在10~30μm之間;磷渣顆粒表面光滑,呈不規(guī)則的棱角狀、塊狀和碎屑狀.圖4是堿磷渣加氣混凝土水化樣的微觀形貌.從圖中可看出,堿磷渣加氣混凝土材料的水化產(chǎn)物密實度較高,整個凝膠體緊密相連,空隙較少.從圖4(b)中可以看到褶皺的板狀和花朵狀的凝膠體,其中以花朵狀的凝膠居多,結(jié)合前面的XRD分析可知水化產(chǎn)物主要是水化硅酸鈣凝膠體.2.4堿磷渣膠加壓混凝土材料熱分析圖5是堿磷渣加氣混凝土水化樣差熱和熱重分析結(jié)果,從圖中差熱分析曲線可知:水化樣在116.8℃附近有一個很強的吸熱峰,這是由于水化硅酸鈣凝膠脫水吸熱形成的.在737.7℃附近的吸熱峰主要是白鈣沸石和水化硅鋁酸鈣分解的結(jié)果.在828.3℃的放熱峰則是部分非晶態(tài)水化產(chǎn)物結(jié)晶化的結(jié)果.熱分析結(jié)果驗證了前面對水化產(chǎn)物的成分和形態(tài)的分析.由圖5中熱重分析曲線可知:堿磷渣膠加氣混凝土材料在溫度200℃時質(zhì)量損失高達7.27%,占到總質(zhì)量損失的40.2%,這是由于試樣中的部分水化硅酸鈣凝膠脫水分解所引起的質(zhì)量損失.730℃附近的質(zhì)量損失是白鈣沸石和水化硅鋁酸鈣分解引起的.2.5磷渣的ir譜及xrd結(jié)果分析圖6是磷渣和堿磷渣加氣混凝土水化樣的紅外光譜,圖中509cm－１附近的吸收帶為Si-O的彎曲振動吸收帶,718cm－１附近吸收峰歸屬于鋁氧四面體的特征吸收帶,1000cm－１附近的吸收帶為Si—O—Si(Al)的伸縮振動,1440cm－１附近的吸收帶為CO３２－的非對稱伸縮振動的特征吸收帶(此處出現(xiàn)的吸收帶可能是磷渣樣品少量碳化引起的),1630cm－１附近的吸收帶為OH–的彎曲振動(此處出現(xiàn)的吸收帶可能是磷渣在未烘干狀態(tài)下存放時間較長導(dǎo)致部分水化引起的),3400cm－１附近的吸收帶為OH–的不對稱伸縮振動［８－９］.與磷渣的IR譜相比,水化試樣的IR譜中500cm－１和1000cm－１附近2個特征吸收帶都明顯減弱,說明隨著水化的進行,磷渣中的Si—O—Si(Al)在堿的作用下不斷地發(fā)生斷裂,使玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭受破壞,從而形成了新的水化產(chǎn)物.1000cm－１附近的吸收帶減弱并且分裂成兩個吸收帶,這是在強堿性環(huán)境下,Si—O—Si(Al)斷裂后生成了新的物質(zhì).結(jié)合XRD分析可知,新生成的水化產(chǎn)物是白鈣沸石和水化硅鋁酸鈣凝膠.水化樣在713cm－１附近的吸收帶減弱,是強堿性環(huán)境下磷渣中的鋁氧四面體不斷分解的結(jié)果.1630cm－１和3400cm－１附近OH–的彎曲振動吸收帶增強,是由于磷渣在強堿的激發(fā)下反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠,凝膠中的OH–引起吸收帶增強.而1421cm－１附近的吸收帶增強,可能是水化樣品表面少量碳化引起的.2.6堿磷渣改性混凝土的xrd分析由2.5節(jié)紅外吸收光譜分析可知,在強堿性環(huán)境下磷渣中的鋁氧四面體分解,Si—O—Si(Al)鍵發(fā)生斷裂,新的物質(zhì)不斷聚合,這與堿礦渣膠凝材料的水化產(chǎn)物形成過程［１０－１１］相似,即堿磷渣膠凝材料水化產(chǎn)物形成過程為“溶解-聚合”過程［１２］.堿磷渣加氣混凝土水化產(chǎn)物的SEM掃描結(jié)果呈褶皺的板狀和花朵狀的凝膠體,水化產(chǎn)物XRD圖譜以彌散峰為主,表明水化產(chǎn)物中有水化硅酸鈣凝膠生成.DSC-TG分析中,水化樣品在116.8℃附近有一個很強的吸熱峰,低于200℃時樣品質(zhì)量損失達7.27%,這驗證了水化產(chǎn)物中有水化硅酸鈣凝膠存在.結(jié)合XRD圖譜中出現(xiàn)的結(jié)晶相可知,水化樣品在737.7℃的放熱峰和730℃附近的質(zhì)量損失,驗證了水化產(chǎn)物中有白鈣沸石和水化硅鋁酸鈣生成.由于加氣混凝土是一種高孔隙率的材料,空氣中CO２易進入到加氣混凝土孔隙中,與水化產(chǎn)物中的水化硅酸鈣凝膠反應(yīng)生成CaCO３,這是XRD分析發(fā)現(xiàn)水化產(chǎn)物中有方解石存在的原因.3堿激發(fā)磷渣免蒸壓加壓混凝土水化產(chǎn)物的組成1)表觀密度500~800kg/m３的加氣混凝土孔隙率在66.79%~77.06%之間,孔隙呈橢圓形,相互聯(lián)通的孔隙較少.孔徑大小比較均勻,孔徑在0.5~1.5mm之間.2)磨