謝志英,白洪潮,柯昌君 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州434023)

蒸壓硅酸鹽制品已成為重要的新型墻體材料之一,其生產(chǎn)所用原料大部分來源于固體廢物,如粉煤灰等,利用其在蒸壓條件下與石灰等鈣質(zhì)原材料發(fā)生反應(yīng),生成水化硅酸鈣 (C—S—H)、托勃莫來石等水化產(chǎn)物,水化產(chǎn)物相互搭接,形成致密的顯微結(jié)構(gòu),從而給制品提供強度。工業(yè)固體廢物每年有數(shù)十億噸排除,如各種礦渣、鋼渣、尾礦以及建筑垃圾等,這些工業(yè)固體廢物是否適宜用作蒸壓硅酸鹽制品原料,目前還沒有權(quán)威的評價方法,雖然提出了多種評價方法,但大部分方法是以其化學(xué)成分來進行評價,如波任諾夫堿性系數(shù)[1]等,以簡單的化學(xué)成分來評價蒸壓材料水熱特性是不科學(xué)的。

對于以玻璃相為主要物相的工業(yè)廢物,如粉煤灰、廢玻璃粉、礦渣等,張志杰[2]等利用紅外光譜進行了深入的研究,研究表明,固體廢物紅外光譜強吸收區(qū)Si—O鍵伸縮振動頻率與其蒸壓條件下的反應(yīng)能力之間存在相關(guān)性,但工業(yè)廢物中鋁的存在形式對蒸壓樣品的強度影響很大。盡管固體廢物中紅外光譜強吸收區(qū)Si—O鍵所對應(yīng)的硅酸鹽均參與了水化反應(yīng),但礦渣蒸壓樣品的強度明顯受含鋁相參與水熱反應(yīng)形成水石榴石的影響,導(dǎo)致蒸壓樣品強度明顯下降。

下面,筆者選用含玻璃相較少的工業(yè)廢物鋼渣 (氧化渣)、廢混凝土等以結(jié)晶體為主要物相的固體廢物為研究對象,摻入一定量的熟石灰制成樣品,測定其蒸壓試樣結(jié)合水量和強度,并用最大結(jié)合水量來表示原料體系蒸壓反應(yīng)能力,研究了固體廢物紅外光譜強吸收區(qū)的Si—O伸縮振動頻率與其水熱反應(yīng)能力及其強度間的關(guān)系。

1 原材料

選用熟石灰 (Lime)、鋼渣 (OS1、OS2),廢混凝土 (WC1、WC2、WC3),全部通過0.08mm方孔篩。各種原材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 原材料化學(xué)學(xué)成分

2 試驗方法

按比例配料 (水固比0.20),攪拌均勻,在6000N的壓力下壓制成?36mm×36mm的試件。將成型好的每組樣品分別放入塑料盒中加蓋密封,常溫下靜置16h后,放入蒸壓釜中,按照一定的蒸壓規(guī)范進行蒸壓處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 鋼渣蒸壓系統(tǒng)的紅外光譜分析

試驗選用的2種鋼渣 (OS1、OS2)均為氧化渣,其礦物組成均主要為RO相 (FeO、MgO等的固溶體)、鎂薔薇輝石、鈣鋁黃長石、鈣鐵橄欖石、方解石和少量玻璃相。相對鋼渣2(OS2)而言,鋼渣1(OS1)中RO相和鈣鐵橄欖石較多。

圖1為2種鋼渣的紅外光譜圖。從圖1可以看出,鋼渣1與鋼渣2紅外光譜的主要區(qū)別表現(xiàn)在:一是鋼渣1中1427cm-1附近吸收峰更強,表明其碳酸鹽含量較高;二是900cm-1～990cm-1附近強Si—O鍵伸縮振動峰出現(xiàn)的位置:鋼渣1為 919cm-1和 982cm-1,鋼渣2為917cm-1和 979cm-1,分別相差值2cm-1和3cm-1,也就是說,根據(jù)強Si—O鍵伸縮振動峰值對應(yīng)的硅酸鹽,鋼渣2更易參與反應(yīng),水化產(chǎn)物更多,可獲得較高強度的蒸壓試樣。

圖2為鋼渣石灰蒸壓系統(tǒng)的紅外光譜圖。圖2表明900cm-1～990cm-1附近強Si—O鍵伸縮振動峰對應(yīng)的硅酸鹽參與水化反應(yīng)形成了新的水化產(chǎn)物。根據(jù)XRD(X射線衍射)和IR(紅外光譜)分析顯示,OS1的水化產(chǎn)物為C—S—H和托貝莫來石,OS2的主要水化產(chǎn)物為α-C2SH。2種鋼渣蒸壓試樣的水化產(chǎn)物存在顯著差異。

圖1 2種鋼渣的紅外光譜圖

圖2 鋼渣石灰蒸壓系統(tǒng)的紅外光譜圖

圖3和圖4分別為2種鋼渣不同C/S比 (鈣硅比)的鋼渣蒸壓試樣結(jié)合水量的變化情況和蒸壓試件抗壓強度。從圖3和圖4可以看出,鋼渣2所能獲得的蒸壓試樣最大強度大于鋼渣1;在相同C/S比下鋼渣2的蒸壓試樣的結(jié)合水量大于鋼渣1。

圖3 不同鋼渣蒸壓試件抗壓強度

圖4 鋼渣蒸壓試樣結(jié)合水量的變化

比較可知,OS2鋼渣強吸收區(qū)紅外光譜強Si—O鍵伸縮振動峰值較小,其蒸壓試樣的結(jié)合水量和強度大。

3.2 廢混凝土蒸壓試樣紅外光譜分析

取同一城市不同工程的3種廢混凝土,粗骨料均為花崗巖,但齡期不同,配合比不同,強度未知。3種廢混凝土的主要礦物均為石英、鉀長石、鈉長石、云母、羥鈣石以及少量的方解石,混凝土中水泥水化后形成的水化硅酸鈣C—S—H(I)衍射峰難以分辨。3種廢混凝土的紅外光譜圖如圖5。圖中,3種廢混凝土的紅外光譜在 1000cm-1～1100 cm-1范圍內(nèi)強Si—O鍵伸縮振動峰位置分別為 1082cm-1和1012cm-1、1081cm-1和1012cm-1和1082cm-1和1012cm-1,明顯受混凝土中粗細(xì)骨料 (粗骨料均為花崗巖)的影響。其紅外光譜特征峰基本相同。

圖5 不同廢混凝土的紅外光譜圖

為說明廢混凝土強Si—O鍵伸縮振動峰對應(yīng)的硅酸鹽參與蒸壓反應(yīng),選取WC1與熟石灰蒸壓試樣(熟石灰占固體總質(zhì)量的20%)進行紅外光譜分析,如圖6所示。顯然1082cm-1和1012cm-1對應(yīng)的硅酸鹽反應(yīng),形成了新的水化產(chǎn)物,出現(xiàn)新的Si—O鍵伸縮振動峰970cm-1。圖7為廢混凝土在不同蒸壓條件下的強度變化 (試樣中熟石灰含量占固體質(zhì)量的20%,蒸壓處理時間6h)。圖7顯示,不同廢混凝土蒸壓試樣在相同蒸壓條件下的最大強度值基本相同。這一結(jié)果表明廢混凝土蒸壓試樣的最大強度值與其強吸收區(qū)Si—O鍵伸縮振動峰相同是一致的。

圖6 廢混凝土蒸壓試樣紅外光譜圖

圖7 3種不同廢混凝土的蒸壓制品強度

4 結(jié) 論

1)含有高溫?zé)釟v史形成具有活性晶體的固體廢鋼渣,紅外光譜強吸收區(qū)Si—O鍵伸縮振動峰與其蒸壓試樣結(jié)合水量相關(guān),其試樣強度隨紅外光譜強吸收區(qū)Si—O鍵伸縮振動頻率的降低而提高。

2)3種廢混凝土的紅外光譜特征峰相同。蒸壓處理過程中,粗細(xì)骨料中部分參與水化,3種廢混凝土蒸壓試樣的水化產(chǎn)物均以托貝莫來石和C—S—H為主,其最大強度也相同。

[1] П·И·Б ОЖЕНОВ.Technology of autoclaved materials[M].Beijing:China Building Industry Press,1985.49～66.

[2]張志杰,唐正宇,柯昌君.含玻璃相固體廢物的蒸壓反應(yīng)特性 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報 (自科版),2009,37(12):32～36