周君生 ，徐 偉，陳益蘭，潘榮偉

（1.廣西大學(xué)，廣西南寧 530004；2.南寧市建筑節(jié)能和墻體材料改革辦公室）

利用工業(yè)廢渣生產(chǎn)多微孔膠凝材料的研究*

周君生1，徐 偉2，陳益蘭1，潘榮偉1

（1.廣西大學(xué)，廣西南寧 530004；2.南寧市建筑節(jié)能和墻體材料改革辦公室）

以粉煤灰、電石渣和脫硫石膏為主要原料，摻加少量礦化劑、黏結(jié)劑和造孔劑，采用一次低溫?zé)晒に?，制備出具有多微孔結(jié)構(gòu)的新型無(wú)機(jī)膠凝材料，并對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行了研究。采用優(yōu)化配方，在預(yù)熱溫度為400℃、焙燒溫度為1 220℃、保溫時(shí)間為25 min條件下制備的多微孔膠凝材料，其吸水率為2.10%、表觀密度為1.32 g/cm3，3 d抗壓強(qiáng)度為8.56 MPa。通過(guò)XRD分析可知，合成材料的主要礦物相為硅酸鈣和鈣鋁黃長(zhǎng)石。材料采用工業(yè)廢渣制備，集多孔性和膠凝性，可部分代替水泥和陶粒制成保溫砂漿，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的。

多微孔；膠凝材料；正交試驗(yàn)

粉煤灰是燃煤電廠排出的固體廢棄物［1］，是排放量最大的工業(yè)廢渣［2］。脫硫石膏是煙氣脫硫（FGD）過(guò)程產(chǎn)生的廢棄物，主要成分是二水石膏（CaSO4·2H2O）［3-4］。電石渣是電石水解獲取乙炔氣后以氫氧化鈣為主要成分的廢渣，屬于難處理廢棄物［5］。以上3種廢棄物的排放量正逐年劇增，且以露天堆放為主，不僅占用土地、污染環(huán)境，而且浪費(fèi)資源。中國(guó)已量化生產(chǎn)的保溫材料無(wú)機(jī)保溫砂漿，以具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)而受到青睞［6］，其中陶粒作為無(wú)機(jī)保溫砂漿輕骨料已經(jīng)應(yīng)用于建筑工程［7］，但陶粒本身不具有膠凝性，施工性能較差。筆者以工業(yè)廢渣為主要原料，黏土為黏結(jié)劑，把焙燒陶粒工藝引入燒制膠凝礦物中，研制出一種同時(shí)具備膠凝性和多孔性的新型保溫材料，并以此材料作為骨料配制砂漿，用于建筑施工。

1 實(shí)驗(yàn)原料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料為粉煤灰、電石渣、黏土、脫硫石膏、電鍍廠濾泥等，其化學(xué)組成和物理性能見(jiàn)表1。

表1 原料的化學(xué)組成及物理性能 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）試樣制備：將原料按一定物質(zhì)的量比稱量并混合，粉磨至大于80 μm粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于6%，加水制成5～10 mm的料球；將料球放入105℃±5℃的恒溫干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定；在一定溫度下預(yù)熱，然后在高溫下焙燒，取出急冷即得到產(chǎn)品。

2）試樣表觀密度、吸水率和孔隙率的測(cè)定按照GB/T 17431.2—1998《輕集料及其試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

3）試樣強(qiáng)度測(cè)定：將試樣粉磨，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的二水石膏，選取水料質(zhì)量比為0.3∶1加水并攪拌均勻，把漿體注入2 cm×2 cm×2 cm的試模內(nèi)，放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d，脫模，繼續(xù)在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至3 d，測(cè)其強(qiáng)度。

2 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間的確定

表2列出試樣的3種配方。按表2配方制備試樣，結(jié)果為在焙燒過(guò)程中F3料球表面液相出現(xiàn)最明顯，因此采用F3配方確定預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間（焙燒溫度皆為1 250℃，保溫時(shí)間為15 min）。

表2 材料配方 %

預(yù)熱溫度的確定：預(yù)熱時(shí)間設(shè)定為15 min，考察預(yù)熱溫度對(duì)材料性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。預(yù)熱時(shí)間的確定：預(yù)熱溫度設(shè)定為400℃，考察預(yù)熱時(shí)間對(duì)材料性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 預(yù)熱溫度和時(shí)間對(duì)材料性能的影響

在預(yù)熱溫度實(shí)驗(yàn)中，隨著溫度遞增，料球的開(kāi)裂程度依次增大。350～450℃無(wú)明顯開(kāi)裂，但500～600℃出現(xiàn)開(kāi)裂且裂痕依次增大，550℃和600℃料球有較大裂痕。這是由于原料中含有水分和其他小部分揮發(fā)分，同時(shí)，脫硫石膏脫去結(jié)合水（見(jiàn)圖1脫硫石膏的熱重-差熱分析，在158.0℃質(zhì)量損失為19.49%）和電石渣中礦物成分氫氧化鈣分解（見(jiàn)圖2電石渣的熱重-差熱分析，在493.2℃質(zhì)量損失為8.30%），都會(huì)有氣體快速溢出，造成料球開(kāi)裂。因此，預(yù)熱溫度越高，開(kāi)裂越明顯，尤其是550℃以上。在約490℃時(shí)，電石渣有部分分解，而350～450℃材料性能并無(wú)明顯差別，因此，正交實(shí)驗(yàn)預(yù)熱溫度區(qū)間選擇400～500℃（預(yù)熱時(shí)間為15 min）。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

以3 d強(qiáng)度、表觀密度、1 h吸水率為考察指標(biāo)，以配方、預(yù)熱溫度、焙燒溫度和焙燒時(shí)間為考察因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平，按L9（34）正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表4，實(shí)驗(yàn)方案、結(jié)果見(jiàn)表5，極差分析見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)：對(duì)于3 d強(qiáng)度，極差順序?yàn)?A＞B＞C＞D，最優(yōu)方案為 A1B1C1D1，即配方F1、預(yù)熱溫度為400℃、焙燒溫度為1 220℃、焙燒時(shí)間為15 min；對(duì)于表觀密度，極差順序?yàn)锳>C>D>B，最優(yōu)方案為 A1B2C1D1，即配方F1、預(yù)熱溫度為450℃、焙燒溫度為1 220℃、焙燒時(shí)間為15 min；對(duì)于1 h吸水率，極差順序?yàn)锳>D>C>B，最優(yōu)方案為A3B3C2D3，即配方F3、預(yù)熱溫度為500℃、焙燒溫度為1 250℃、焙燒時(shí)間為25 min。根據(jù)極差分析：因素A對(duì)材料的3 d強(qiáng)度、表觀密度和1 h吸水率的影響均排在第一位，而對(duì)3 d強(qiáng)度和表觀密度的影響皆為A1，故A因素取A1；因素B對(duì)材料的表觀密度和1 h吸水率的影響都排在最后一位，而對(duì)3 d強(qiáng)度的影響排在第二位，故取 B1；同理分析，C 取 C1、D 取 D3。優(yōu)化組合為 A1B1C1D3，即配方為 F1、預(yù)熱溫度為400℃、焙燒溫度為1220℃、焙燒時(shí)間為25 min。

表4 正交實(shí)驗(yàn)因素和水平

表5 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表6 極差分析

對(duì)優(yōu)化配方A1B1C1D3進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：3 d強(qiáng)度＝8.56 MPa，1 h吸水率＝2.10%，表觀密度＝1.32 g/cm3。優(yōu)化配方的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與表5的各組配方相比，材料的表觀密度和1 h吸水率仍保持相對(duì)較低，3 d抗壓強(qiáng)度顯著提高。

2.3 材料的成孔膠凝機(jī)理

料球在焙燒過(guò)程中，1 220～1 280℃是形成液相的膨脹溫度，此溫度下料球具有一定的軟化現(xiàn)象和表面張力，液相包圍在料球表面，使料球成為一個(gè)半熔融軟化體。此外，原料中的電石渣礦物氫氧化鈣和碳酸鈣在受熱條件下分解釋放出CO2氣體，脫硫石膏分解和電鍍廠濾泥中的FeS礦物分解都釋放出SO2氣體，粉煤灰中含有的赤鐵礦也會(huì)反應(yīng)釋放出CO，于是，所產(chǎn)生的氣體逸出與液相形成的適宜黏度構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡；同時(shí)，原料在燒制過(guò)程中產(chǎn)生膠凝礦物，從而得到具有多微孔和膠凝性的材料。

2.4 XRD分析

圖3為F1樣品XRD譜圖。由圖3看出，在1220～1 280℃焙燒，形成的主要礦物為鈣鋁黃長(zhǎng)石和硅酸鈣類礦物。1 220℃時(shí)硅酸鈣類礦物的衍射峰比1 250、1 280℃略低，可知低溫下燒成的硅酸鈣類礦物的活性比高溫?zé)傻母?，表現(xiàn)為3 d強(qiáng)度高。

3 結(jié)論

1）利用工業(yè)廢渣制備具有膠凝性和保溫性能的多孔材料是可行的。料球在焙燒過(guò)程中，在形成膠凝礦物的同時(shí)受熱分解產(chǎn)生氣體逸出，與液相形成的適宜粘度構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。2）優(yōu)化配方為預(yù)熱溫度400℃，焙燒溫度1 220℃，焙燒時(shí)間25 min。在該條件下制備出了表觀密度及1 h吸水率較低而強(qiáng)度較高的多孔材料。3）材料的礦物組成主要是硅酸鈣類礦物，低溫下燒成的硅酸鈣類礦物的活性比高溫?zé)傻母?，可以提供一定的膠凝強(qiáng)度。

［1］劉興勇，劉應(yīng)剛，張利.粉煤灰沸石的合成及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2010，42（1）：13-16.

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Study on utilization of industrial waste residue for production of microporous cementitious materials

Zhou Junsheng1，Xu Wei2，Chen Yilan1，Pan Rongwei1
（1.Guangxi University,Nanning 530004，China；2.Nanning Reform Office for Construction Energy-saving and W all Materials）

A new inorganic cementitious material with microporous structure was prepared by single low-temperature sintering process with fly ash，carbide slag，and desulfurization gypsum as raw materials and with adding a small amount of mineralizer，adhesive agent，and pore-forming agent and the material′s performances were also studied.Taking the optimized formula and under the conditions of pre-heat temperature 400 ℃，roasting temperature 1 220 ℃，and holding time 25 min，water absorption，apparent density，and 3 d compressive strength of the prepared microporous cementitious material were 2.10%，1.32 g/cm3，and 8.56 MPa，respectively.XRD analysis showed the main phases of synthesized material were calcium silicate and gehlenite.Using industrial waste slag as raw material as well as the combination of porosity and cementitious character made the microporous cementitious material can partially replace cement and lightweight aggregates（haydite） to prepare insulating mortar so that the purpose of environmental protection and energy saving could be realized.

microporous；cementitious material；orthogonal tests

TQ172

A

1006-4990（2012）09-0039-03

南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目基金（合同編號(hào)：201003061G）。

2012-03-12

周君生（1985— ），男，碩士研究生，研究方向?yàn)椴牧匣瘜W(xué)化工工藝。

聯(lián) 系 人：陳益蘭

聯(lián)系方式：chenyilan0008@163.com