水玻璃性能參數(shù)對堿激發(fā)礦渣體系性能的影響

水玻璃性能參數(shù)對堿激發(fā)礦渣體系性能的影響

紙張薄的表面是造紙行業(yè)在進(jìn)行堿回收過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品。這種回收和使用已成為造紙行業(yè)必須盡快解決的問題。制漿黑液經(jīng)提取、蒸發(fā)濃縮,燃燒得到熔融物,溶入水后成為綠液(主要成分為碳酸鈉),然后將石灰加入綠液中進(jìn)行苛化,使碳酸鈉轉(zhuǎn)化為氫氧化鈉(回收利用),同時得到沉淀物白泥,白泥經(jīng)洗滌后,進(jìn)一步回收其中的殘堿,化學(xué)反應(yīng)式如下:從造紙白泥的來源可以初步分析,白泥的主要礦物組成應(yīng)為(CaCO3),且含有少量殘堿(NaOH)與鋁、鎂、鐵的化合物及塵埃雜質(zhì)等,一般呈強(qiáng)堿性(pH≥10),含水率可達(dá)40%~60%的范圍。含水率高、硅干擾、殘堿及雜質(zhì)含量高是造紙白泥回收利用的技術(shù)性難題[2~5]。利用造紙白泥精制碳酸鈣用作無機(jī)填料是其一項(xiàng)重要的資源化利用途徑,但無機(jī)填料一般要求pH值在8~9之間,且親油疏水,因此必須對白泥進(jìn)行改性處理,增大了白泥回收的技術(shù)難度和成本。針對白泥強(qiáng)堿性以及殘堿含量高(2%左右)的特性,本文嘗試其在堿激發(fā)礦渣膠凝體系中的應(yīng)用技術(shù)研究,充分利用白泥的強(qiáng)堿性特點(diǎn),化害為利,且造紙白泥無需改性處理,吃渣量大,可為造紙白泥的建材資源化利用提供一條新思路。1原材料和實(shí)驗(yàn)方法1.1樣品含水率實(shí)驗(yàn)用造紙白泥來自金安漿業(yè)有限公司(四川雅安),樣品含水率為40%~45%。原材料化學(xué)組成見表1。水玻璃(市售)的性能指標(biāo)見表2,用NaOH(市售,純度99%)調(diào)整水玻璃模數(shù)。1.2玻璃的養(yǎng)護(hù)凈漿實(shí)驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行:將稱量好的粉體物料加入凈漿攪拌鍋中,慢攪1min、快攪1min至均勻,加入相應(yīng)比例的水玻璃和水后,慢攪1min后,將攪拌鍋壁和葉片上的漿體刮入攪拌鍋中,再快攪2min,將漿體加入凈漿模具(40mm×40mm×40mm)中,振動成型,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(相對濕度≥90%,溫度20±2℃)中養(yǎng)護(hù)24h后脫模,脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至不同齡期測試其力學(xué)性能。膠砂試塊抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度參照GB17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。2結(jié)果與討論2.1玻璃對堿性-白污泥礦渣體系的影響2.1.1堿比例對膠凝材料表面形態(tài)的影響通過外摻NaOH(以Na2O%計)調(diào)整水玻璃的堿含量,討論了堿摻量變化對體系抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。配比及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、圖1所示。由圖1可知:白泥摻量30%時,體系的強(qiáng)度隨著堿比例的增大而不斷提高,特別是超過8%以后,強(qiáng)度增加幅度較大。堿激發(fā)膠凝材料的水化過程是礦渣玻璃體的解體和水化產(chǎn)物新結(jié)構(gòu)形成的過程,堿比例的增加,直接影響OH-離子濃度,加速了礦渣玻璃體的解體過程,為下一步的水化反應(yīng)提供條件[6~8]。同時,堿比例的增大將可能對白泥顆粒表面產(chǎn)生更嚴(yán)重的溶蝕破壞,顆粒表面Ca2+溶出量加大,有利于水化產(chǎn)物的形成和界面過渡微區(qū)結(jié)構(gòu)的改善。但堿摻量過大,同樣會增大制品收縮和泛堿的可能性,因此,適宜的堿摻量應(yīng)控制在8%~12%。2.1.2模數(shù)對堿-白泥-礦渣體系力學(xué)性能的影響模數(shù)是水玻璃的重要參數(shù),決定了水玻璃中硅酸的凝聚狀態(tài),固定白泥摻量30%,討論了水玻璃模數(shù)變化對堿-白泥-礦渣體系力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:無論是早期還是后期,強(qiáng)度隨著水玻璃模數(shù)的增加呈先增大后減小的變化趨勢,模數(shù)超過1.5時,強(qiáng)度隨著模數(shù)的增加而減小。本實(shí)驗(yàn)配比及條件下,水玻璃模數(shù)最佳為1.5。2.1.3礦渣體系力學(xué)性能由于白泥顆粒細(xì)小,測試發(fā)現(xiàn),其含水率一般在40%~45%之間,具有一定的膠體特性,這種特殊性質(zhì)的混合物勢必對堿-礦渣體系產(chǎn)生一定的影響,因此,討論了溶礦比對堿-白泥-礦渣體系力學(xué)性能的影響規(guī)律。由表5和圖3可以看出:堿摻量為8%,水玻璃模數(shù)為1.5的體系強(qiáng)度隨著溶礦比的增大而逐漸減小,這一點(diǎn)同水灰比對普通硅酸鹽水泥混凝土的影響規(guī)律是一致的。一方面,溶礦比的增加稀釋了體系的堿濃度,堿對礦渣的激發(fā)能力就減弱了,早期[SiO4]4-和[AlO4]5-陰離子以及Ca2+等陽離子濃度減小,早期強(qiáng)度的發(fā)展變慢。另一方面,溶礦比增加導(dǎo)致體系的有效水灰比減小,殘存的毛細(xì)管水、吸附水在養(yǎng)護(hù)中的大量失去,體系孔隙率增大,礦渣水化反應(yīng)形成的固化體內(nèi)部的密實(shí)度會降低,導(dǎo)致強(qiáng)度下降。2.2膠砂強(qiáng)度測試膠砂實(shí)驗(yàn)參照GB17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(ISO法)進(jìn)行,白泥用量分別等質(zhì)量代替礦渣比例0、20%、30%、50%,測試膠砂3d、7d、28d強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)配比及結(jié)果如表6、圖4所示。可以看出:堿-白泥-礦渣體系的膠砂強(qiáng)度與凈漿強(qiáng)度變化趨勢是一致的,隨著白泥的摻量增加而減小。在摻量超過30%后,強(qiáng)度隨著白泥摻量的增加而降幅進(jìn)一步增大。堿-礦渣的膠砂強(qiáng)度較高,白泥摻量達(dá)到30%,礦渣的膠砂強(qiáng)度也能滿足強(qiáng)度等級為P.O42.5R的要求,但其抗折強(qiáng)度較普通水泥膠砂低,這可能與水化產(chǎn)物類型及其結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.3膠凝體系中白泥顆粒的作用由圖5可以看出:堿激發(fā)礦渣體系水化3d時生成大量的層片狀水化產(chǎn)物及低密度的絮凝狀硅酸凝膠,隨著齡期的增長,水化產(chǎn)物結(jié)合地更加緊密。水化3d時,凝膠體中可以觀察到較多的空隙,同時有少量微裂縫。摻有30%白泥(圖6)膠凝體系中,水化3d時,部分白泥已被礦渣的水化產(chǎn)物包裹住,少量較細(xì)小白泥顆粒仍然分散和填充于在這些水化產(chǎn)物周圍及空隙中。水化28d時,可以觀察到,大量的顆粒狀白泥完全被水化產(chǎn)物所包裹。白泥的加入,減少了參與水化反應(yīng)的礦渣的數(shù)量,生成的水化產(chǎn)物減少,這是體系力學(xué)性能下降的主要原因。同時,微細(xì)的白泥顆?？梢云鸬健拔⒕Ш恕奔啊拔⒓稀毙?yīng)。早期水化過程中,微細(xì)的白泥顆粒作為水化產(chǎn)物的晶核,白泥顆粒完全被水化產(chǎn)物包裹[圖6(b)],同時可以改善水化產(chǎn)物的分布和結(jié)構(gòu)狀態(tài)。試塊在受到應(yīng)力作用時,分散于體系中的白泥可以起到微集料作用,即阻礙微裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展,減小裂縫的寬度。這可能是在加入少量白泥后,體系強(qiáng)度下降幅度不大的原因。3結(jié)論3.1最佳模數(shù)的確定體系強(qiáng)度隨著堿摻量的增加而增大,適宜的堿摻量為10%~12%;體系強(qiáng)度隨著水玻璃模數(shù)的增加而先增大后減小,最佳模數(shù)為1.5;體系強(qiáng)度隨著溶礦比的增加而減小,溶礦比0.4時,其1d、3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別為46.9MPa、77.4MPa、91.9MPa、103.8MPa。3.2水泥膠砂強(qiáng)度堿激發(fā)白泥礦渣的膠砂早期強(qiáng)度發(fā)展較快,該體系在白泥摻量在30%時,28d