黃鳳會,周宗輝,張軍華,程 新

(濟(jì)南大學(xué)山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,教育部先進(jìn)建筑材料工程中心,山東 濟(jì)南, 250022)

地質(zhì)聚合物是近年來國內(nèi)外研究非常活躍的材料之一．它是以工業(yè)廢渣、尾礦、粘土等為原料,經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に囂幚砑盎瘜W(xué)反應(yīng)得到的一類新型的、性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料[1]．

隨著我國工業(yè)的發(fā)展,每年產(chǎn)生約7億t[2]工業(yè)固體廢棄物,如粉煤灰、鋼渣、煤矸石、礦渣、城市生活垃圾等．這些廢棄物利用率低,不僅造成資源的浪費(fèi),還要占用大面積耕地堆放,污染周圍的水源和環(huán)境,進(jìn)而危害人民的健康．另一方面,隨著我國經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,使得磚的需求急速增加．傳統(tǒng)的粘土磚在生產(chǎn)過程中占用大面積耕地、消耗大量能源和排放大量污染．因此,加快墻體材料的研發(fā),并實(shí)現(xiàn)粘土磚的可替代,成為國家墻體材料改革的重要任務(wù)和目標(biāo)[3]．利用鋼渣、粉煤灰、礦渣等工業(yè)固體廢棄物,采用壓制成型的方法制備地質(zhì)聚合物制品,有望替代或部分替代粘土磚．因此,本文研究采用壓制成型時(shí)成型壓力對制品強(qiáng)度、吸水率、體積密度、耐水性、耐磨性等性能的影響,具有十分重要的意義．

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

原材料為鋼渣、粉煤灰、礦渣、普通河砂、氫氧化鉀、水玻璃等,主要原材料的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1所示.

表1 原材料的化學(xué)成分

1.2 樣品的制備

將原料按一定比例混合、攪拌均勻,然后將堿激發(fā)劑溶于水中徐徐加入到原料中,繼續(xù)攪拌使其混合均勻．稱取一定量的物料倒入90 mm×40 mm×40 mm的自制模具里,在一定的壓力下進(jìn)行成型,并將脫模后的樣品放在20 ℃室內(nèi)自然灑水養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行各項(xiàng)性能測試,并利用SEM及XRD對材料的微觀形貌和礦物組成進(jìn)行分析．

1.3 試驗(yàn)儀器及性能測試

YE-2000液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī),抗壓抗折一體機(jī),氣氛保護(hù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),凍融循環(huán)試驗(yàn)儀,水泥膠砂攪拌機(jī),場發(fā)射掃描電子顯微鏡,英國牛津X-MAX-50型能譜儀,D8-ADVANCE型X射線衍射儀,90 mm×40 mm×40 mm的自制鋼模具等．

由于該廢棄物基地質(zhì)聚合物制成制品希望其替代或部分替代粘土磚,所以制品的強(qiáng)度、體積密度、吸水率、耐水性測試方法參照GB/T542—2003《砌墻磚試驗(yàn)方法》[4],而耐磨性根據(jù)公式(1)計(jì)算:

(1)

式中：Ia—磨損率(g),Δm—試樣被磨損掉的質(zhì)量(g);r—試樣磨損過程中經(jīng)歷的轉(zhuǎn)數(shù)．

2 結(jié)果與討論

通過前期試驗(yàn)確定原料最佳配比為：鋼渣30%,礦渣30%,粉煤灰10%,砂子30%,外摻3%的KOH和2%的水玻璃作為激發(fā)劑,并加入10%的水.通過改變成型壓力研究不同的成型壓力對地質(zhì)聚合物材料制品性能的影響．

2.1 成型壓力對地質(zhì)聚合物制品的強(qiáng)度、體積密度的影響

表2和圖1分別為不同成型壓力下制品的強(qiáng)度和體積密度,從試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著成型壓力的增大,地質(zhì)聚合物制品的強(qiáng)度、體積密度呈現(xiàn)出增大的趨勢,當(dāng)成型壓力增加到一定數(shù)值時(shí),制品的強(qiáng)度不再增加甚至有下降的趨勢．這是因?yàn)殡S著壓力的增加,粉料顆粒產(chǎn)生移動(dòng)和變形而逐漸靠攏,粉料中所含的氣體同時(shí)被擠壓排出,原來松散的粉料形成了較致密的坯體,使得制品的強(qiáng)度和體積密度急劇增加[5],當(dāng)壓力從5 MPa增加到18 MPa時(shí),3天抗壓、抗折強(qiáng)度分別增加約59%和28%,28天抗壓、抗折強(qiáng)度分別增加約36%和28%．當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí),由于顆粒間的內(nèi)摩擦力使顆粒進(jìn)一步靠攏受到影響,制品的強(qiáng)度和體積密度增加緩慢[6]．當(dāng)壓力超過一定數(shù)值時(shí),顆粒在高壓下產(chǎn)生變形和破裂,從而使顆粒堆積更加緊密,體積密度隨壓力增加而提高;當(dāng)壓力超過一定數(shù)值時(shí),壓力的增加并不能使顆粒間接觸面積繼續(xù)增加,此時(shí)出現(xiàn)分子間力的相互作用,壓力過大時(shí),坯體會產(chǎn)生“彈性后效”[7],使制品的尺寸不準(zhǔn)確,甚至出現(xiàn)壓坯開裂或分層現(xiàn)象,這也很可能是壓力超過30 MPa后制品強(qiáng)度出現(xiàn)略微下降的原因．綜合各種因素,制品的最佳成型壓力為30 MPa．

表2 不同成型壓力下制品的抗壓、抗折強(qiáng)度

注:因?yàn)锳9組成型壓力過大,導(dǎo)致模具很難脫模,“—”表示A9組后續(xù)試驗(yàn)沒有進(jìn)行．

圖1 不同成型壓力下制品的體積密度

2.2 成型壓力對地質(zhì)聚合物制品的吸水率、軟化系數(shù)、耐磨性的影響

圖2和圖3分別為成型壓力與制品的吸水率、軟化系數(shù)和耐磨性的關(guān)系,從試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著成型壓力的增加,制品的軟化系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢,制品的吸水率和磨損率呈現(xiàn)出下降的趨勢．這是因?yàn)殡S著壓力的增加,制品內(nèi)的氣體被排除,使得原料顆粒間相互接觸．成型壓力越大,制品內(nèi)的空氣就越容易被排除,顆粒間就接觸越緊密,從而保證了物料顆粒間的物理化學(xué)反應(yīng)能夠高效進(jìn)行,這樣得到的制品就越密實(shí)[8]．制品內(nèi)部越密實(shí),其吸水率就越低,耐水性就越好,從而制品的軟化系數(shù)提高．

圖2 制品的吸水率、軟化系數(shù)與成型壓力的關(guān)系 圖3 不同成型壓力下制品的耐磨性

圖4為不同成型壓力下試樣的SEM-EDS圖片.從圖4(a)中我們可以看出,成型壓力為5 MPa時(shí),制品內(nèi)部的水化產(chǎn)物較少,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較疏松且存在大量孔隙;當(dāng)成型壓力增加到18 MPa時(shí)(圖4(b)),水化產(chǎn)物的數(shù)量有所增加,內(nèi)部孔隙數(shù)量減少,未水化的煤灰顆粒與水化產(chǎn)物連接在一起使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密;當(dāng)成型壓力增加到30 MPa時(shí)(圖4(c)),水化產(chǎn)物已充滿整個(gè)空間,大量的水化產(chǎn)物相互交織連接,以致在掃描電鏡下看不到獨(dú)立存在的粉煤灰顆粒,廢渣顆粒的殘余部分幾乎全部被水化產(chǎn)物覆蓋,制品內(nèi)部十分致密;成型壓力為40 MPa時(shí)(圖4(d)),試樣內(nèi)部大量的水化產(chǎn)物和形成的晶體交織在一起,但試樣內(nèi)部仍存在未反應(yīng)的粉煤灰顆粒和少量孔隙;對圖4(d)試樣任取1、2兩點(diǎn)測試其元素組成(表3),由能譜儀測試結(jié)果可知,砌塊內(nèi)的凝膠組分為C-S-H和Na-A-S-H凝膠的共存體．從圖5的XRD圖譜中可以看出,不同成型壓力制備的試樣所生成的水化產(chǎn)物的種類沒有太大的變化,所生成的晶體物質(zhì)主要為沸石類、硅鈣石和長石類礦物,但晶體的發(fā)育程度有所不同;隨著成型壓力的增加,晶體的衍射峰逐漸尖銳,說明晶體發(fā)育程度逐漸變好,這也是隨著壓力增大,制品的耐磨性提高,圖3中制品的磨損率呈現(xiàn)出下降的原因．

圖4 不同成型壓力下制品的SEM圖片

表3 由能譜儀得出圖4(d)中1點(diǎn)和2點(diǎn)的元素組成

圖5 不同成型壓力下制品的XRD圖譜

2.3 成型壓力對地質(zhì)聚合物材料制品抗凍融循環(huán)的影響

凍融試驗(yàn)按照GB/T4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)法》[9]進(jìn)行25個(gè)凍融循環(huán),試驗(yàn)結(jié)束后以試樣凍后抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率、凍后外觀質(zhì)量來表示與評定,試驗(yàn)結(jié)果見表4．

表4 試樣經(jīng)過25個(gè)凍融循環(huán)后的強(qiáng)度及質(zhì)量損失

從表4的試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著成型壓力的增加,地質(zhì)聚合物砌塊的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率減少,成型壓力為5 MPa時(shí),質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率最大．試樣經(jīng)過凍融循環(huán)后破壞的原因是,孔隙中水結(jié)冰,體積膨脹,對孔壁造成壓力,使材料的局部遭到破壞[10]．隨著壓力的增大,制品的氣體被排除,原料顆粒間接觸的越緊密,制品內(nèi)的孔隙越小,抗凍能力越好,凍融后試樣的質(zhì)量及強(qiáng)度損失率也越?。?dāng)成型壓力增加到一定數(shù)值時(shí),隨著成型壓力的增加,地質(zhì)聚合物砌塊的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率不再減小,甚至?xí)黾樱@是因?yàn)槌尚蛪毫υ黾?地質(zhì)聚合物砌塊內(nèi)的氣體被排除,顆粒間接觸就越緊密,越有利于顆粒間的地質(zhì)聚合反應(yīng)．但當(dāng)成型壓力增加到一定數(shù)值時(shí),砌塊內(nèi)的氣體基本上被排盡,顆粒間的接觸緊密程度不會再進(jìn)一步增加．當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加時(shí),有可能破壞砌塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[11],從而使砌塊的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率變大．

3 結(jié) 論

成型壓力的增加有利于制品顆粒間的接觸,使得物料顆粒間的地質(zhì)聚合反應(yīng)能夠高效進(jìn)行,獲得的制品內(nèi)部就越密實(shí),從而使得制品的強(qiáng)度、體積密度、軟化系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢,制品的吸水率、磨損率呈現(xiàn)出下降的趨勢．當(dāng)壓力增加到一定數(shù)值后,制品的強(qiáng)度不再隨壓力的增加而增高甚至可能降低,壓力過高對制品其它性能的改善不再顯著且高壓力對模具的損傷也較嚴(yán)重．綜合考慮各種因素,確定制備該廢棄物基地質(zhì)聚合物制品的最佳成型壓力為30 MPa,在此壓力下制備出的地質(zhì)聚合物制品其各項(xiàng)性能均滿足相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求．

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