劉日鑫，張錦洲，劉文斌，肖雪軍

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164；2.長江大學(xué)，湖北荊州 434023）

二氧化碳養(yǎng)護(hù)對礦渣/電石渣砌塊抗壓強(qiáng)度影響研究

劉日鑫1，張錦洲2，劉文斌1，肖雪軍1

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164；2.長江大學(xué)，湖北荊州 434023）

研究了不同養(yǎng)護(hù)方式對以礦渣和電石渣為膠凝材料，經(jīng)壓力成型所制備砌塊性能的影響。結(jié)果顯示，隨著電石渣取代率的增加，砌塊的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，在電石渣取代率為15%時(shí)，砌塊的抗壓強(qiáng)度最高。砌塊經(jīng)過二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min時(shí)的抗壓強(qiáng)度比純自然養(yǎng)護(hù)7 d的抗壓強(qiáng)度提高22.9%，與28 d抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。以電石渣取代率15%為例，研究了水膠比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對二氧化碳養(yǎng)護(hù)效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二氧化碳養(yǎng)護(hù)效果與砌塊的水膠比之間存在一定的關(guān)系，水膠比越大，砌塊抗壓強(qiáng)度越低；此外，二氧化碳與體系中的氧化鈣和二氧化硅發(fā)生反應(yīng)的速度很快，養(yǎng)護(hù)20 min時(shí)砌塊的抗壓強(qiáng)度幾乎達(dá)到二氧化碳養(yǎng)護(hù)的最大值。

電石渣；礦渣；二氧化碳養(yǎng)護(hù)；抗壓強(qiáng)度

利用工業(yè)廢渣作為砌體的原材料是許多學(xué)者熱衷研究的問題，如利用鉬尾礦為原料生產(chǎn)發(fā)泡保溫砌塊[1]，利用建筑垃圾生產(chǎn)混凝土密實(shí)砌塊[2]。礦渣是冶金行業(yè)的工業(yè)廢渣，而長期堆放的礦渣由于活性降低，仍然沒有被高附加值利用。電石渣是利用電石生產(chǎn)乙炔氣體后，形成的工業(yè)廢渣，對環(huán)境造成污染。礦渣的堿激發(fā)一直吸引著是許多學(xué)者去研究，Chen和Brouwersh[3]、Puertas[4]研究了礦渣的激發(fā)并建立了激發(fā)模型。將礦渣和電石渣作為膠凝材料，筆者等[5]進(jìn)行了研究，利用復(fù)合激發(fā)劑對以礦渣/電石渣膠凝體系進(jìn)行激發(fā)，起到了良好的效果。利用二氧化碳養(yǎng)護(hù)無機(jī)膠凝材料，既可提高膠凝材料的強(qiáng)度，同時(shí)又可以有效利用大量的二氧化碳，緩減溫室效應(yīng)。膠凝體系的二氧化碳養(yǎng)護(hù)研究，國內(nèi)史才軍等[6-7]進(jìn)行了大量的研究，并建立了養(yǎng)護(hù)動(dòng)力學(xué)模型，馬林[8]利用鈦礦渣制備超輕發(fā)泡混凝土砌體。Young等[9]、Bukowski和Berger[10]對二氧化碳養(yǎng)護(hù)的化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了大量研究，取得了一定進(jìn)展。本文研究了不同的養(yǎng)護(hù)制度對礦渣/電石渣砌塊的性能影響，總結(jié)了二氧化碳養(yǎng)護(hù)砌塊的規(guī)律。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

高爐礦渣：取自常州某鋼鐵集團(tuán)，堆放時(shí)間為3年，密度2900 kg/m3，比表面積350 m2/kg，化學(xué)成分見表1。電石渣：取自原常州新東化工集團(tuán)，密度2230 kg/m3，比表面積560 m2/kg，氫氧化鈣的含量約80%，化學(xué)成分見表1。32.5級普通硅酸鹽水泥，市售，常州。砂子：購于常州，密度2620 kg/m3，最大粒徑5.0 mm，24 h吸水率0.88%。

表1　礦渣和電石渣的化學(xué)成分%

1.2配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對礦渣的7 d和28 d的強(qiáng)度活性指標(biāo)系數(shù)進(jìn)行研究，配合比根據(jù)GB 18046—2000《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，見表2。以礦渣和電石渣為膠凝材料，以砂子為骨料經(jīng)過壓力成型制備砌塊試樣。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分4組。A組與B組砌塊配方中電石渣分別按體積取代率（以下簡稱取代率）0、5%、15%、25%和35%取代礦渣，分析在不同養(yǎng)護(hù)制度下，電石渣取代率對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響。A組為自然養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，B組先二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min，然后自然養(yǎng)護(hù)7 d和28 d。C組研究電石渣取代率為15%時(shí)，水膠比對二氧化碳養(yǎng)護(hù)效果的影響；D組研究電石渣取代率為15%時(shí)，二氧化碳養(yǎng)護(hù)時(shí)間對二氧化碳養(yǎng)護(hù)效果的影響。具體配合比設(shè)計(jì)見表3。

1.3試件制備及測試方法

根據(jù)GB/T 18046—2000，礦渣活性測試的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，在溫度為（20±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)，分別測試7 d和28 d的強(qiáng)度活性系數(shù)。

為了方便測試和養(yǎng)護(hù)，實(shí)驗(yàn)室自制砌塊試件，試件的內(nèi)徑和高均為50 mm的圓柱體，經(jīng)過壓力為20 MPa成型，成型時(shí)達(dá)到最大壓力時(shí)恒壓20 min，減壓脫模形成待測試件。將待測試件置入溫度為（23±1）℃，養(yǎng)護(hù)壓力為0.2 MPa的養(yǎng)護(hù)罐中進(jìn)行二氧化碳養(yǎng)護(hù)；或者將試件置入溫度為（23±1）℃，濕度為80%的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

2　結(jié)果與分析

2.1礦渣活性系數(shù)

礦渣的活性系數(shù)測試結(jié)果見表4。

表3　不同養(yǎng)護(hù)條件礦渣/電石渣砌塊的配合比

表4　礦渣強(qiáng)度活性系數(shù)

由表4可知，礦渣7 d和28 d的活性系數(shù)R7和R28分別為55%和74%，屬于S75類級別。礦渣堆放3年后的活性較低，礦渣中硅酸三鈣和硅酸二鈣的含量減少，致使其自身的水硬特性降低。

2.2不同養(yǎng)護(hù)制度下電石渣取代率對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

自然養(yǎng)護(hù)條件下電石渣取代率對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響見圖1。

圖1　自然養(yǎng)護(hù)條件下電石渣取代率對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，隨著電石渣取代率的增加，砌塊的抗壓強(qiáng)度迅速提高，在取代率為15%時(shí)，砌塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為14.0 MPa和18.8 MPa。此后，隨著電石渣取代率的增加，砌塊的7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降趨勢。究其原因，這主要是由于隨著電石渣取代率增加，在膠凝體系中提供的氧化鈣越來越多，發(fā)生火山灰反應(yīng)越來越劇烈，抗壓強(qiáng)度就會提高，此后隨著電石渣取代率進(jìn)一步增大，體系中的氧化鈣量已經(jīng)足夠發(fā)生火山灰反應(yīng)，因此抗壓強(qiáng)度變化不大。

二氧化碳養(yǎng)護(hù)后再自然養(yǎng)護(hù)條件下電石渣取代率對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響見圖2。

圖2　二氧化碳養(yǎng)護(hù)后再自然養(yǎng)護(hù)條件下電石渣取代率對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，在二氧化碳養(yǎng)護(hù)下，砌塊的抗壓強(qiáng)度隨電石渣取代率的變化趨勢與圖1相似，電石渣取代率為15%時(shí)，砌塊7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到最大值。值得注意的是，砌塊沒有經(jīng)過自然養(yǎng)護(hù)，直接在壓力為0.2 MPa下進(jìn)行二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min，砌塊的強(qiáng)度發(fā)展很快。以電石渣取代率15%為例，對比圖1和圖2，二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min后，砌塊抗壓強(qiáng)度為17.2 MPa，比7 d自然養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度提高22.9%，與28 d自然養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。二氧化碳養(yǎng)護(hù)提高砌塊強(qiáng)度的原因，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的探索，根據(jù)史才軍等利用二氧化碳養(yǎng)護(hù)混凝土的研究[4-7]，二氧化碳養(yǎng)護(hù)以礦渣和電石渣為膠凝材料，其化學(xué)反應(yīng)式可歸納如下：

反應(yīng)后生成硅酸凝膠和碳酸鈣，而碳酸鈣可以填補(bǔ)膠凝材料的孔隙，使其更加密實(shí)，抗壓強(qiáng)度更高。由于反應(yīng)速度快，因此砌塊強(qiáng)度發(fā)展很快，二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于自然養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度。此外，在圖2中，砌塊經(jīng)過二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min后，再繼續(xù)自然養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，抗壓強(qiáng)度仍稍有升高，這主要是由于部分區(qū)域二氧化碳?xì)怏w未進(jìn)入，經(jīng)過自然養(yǎng)護(hù)后這部分區(qū)域發(fā)生火山灰反應(yīng)，使砌塊抗壓強(qiáng)度繼續(xù)升高。

2.3水膠比對二氧化碳養(yǎng)護(hù)效果的影響

當(dāng)電石渣取代率為15%，不同水膠比下，砌塊經(jīng)過二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min時(shí)的抗壓強(qiáng)度見圖3。

由圖3可以看出，隨著水膠比的增大，砌塊抗壓強(qiáng)度逐漸下降，水膠比在0.30時(shí)，砌塊的抗壓強(qiáng)度為17.5 MPa，當(dāng)水膠比為0.36時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低到了13.2 MPa，較水膠比為0.30的砌塊強(qiáng)度降低了24.6%。二氧化碳與礦渣和電石渣體系反應(yīng)過程，與二氧化碳在體系中的擴(kuò)散有很大關(guān)系。隨著水膠比的增大，砌塊拌合物中的水分增多，部分二氧化碳向砌體內(nèi)部的擴(kuò)散通道被阻斷，從而阻止了二氧化碳與該區(qū)域的氧化鈣的反應(yīng)。水膠比越大，砌塊中越來越多的區(qū)域不能被二氧化碳養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致砌塊的強(qiáng)度越低。

2.4二氧化碳養(yǎng)護(hù)時(shí)間對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響（見圖4）

圖3　水膠比對二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min時(shí)砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

圖4　二氧化碳養(yǎng)護(hù)時(shí)間對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4可以看出，隨著二氧化碳養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，砌塊抗壓強(qiáng)度開始迅速提高，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為20 min左右時(shí)，砌塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到17.2 MPa，此后隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，砌塊抗壓強(qiáng)度基本不變。根據(jù)史才軍等的研究[6-7]可知，二氧化碳養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r，二氧化碳與水泥熟料反應(yīng)非常迅速，幾乎在15 min內(nèi)完成。對于二氧化碳養(yǎng)護(hù)以礦渣和電石渣為膠凝材料的體系，其反應(yīng)與水泥熟料相近，反應(yīng)約在20 min內(nèi)完成。

3　結(jié)論

（1）電石渣體積取代率為15%時(shí)，砌塊的抗壓強(qiáng)度最高，礦渣與電石渣的配比達(dá)到最優(yōu)。

（2）砌塊經(jīng)二氧化碳養(yǎng)護(hù)60 min時(shí)，抗壓強(qiáng)度高于自然養(yǎng)護(hù)7 d的強(qiáng)度，接近28 d的強(qiáng)度。

（3）二氧化碳養(yǎng)護(hù)效果與砌塊的水膠比存在依存關(guān)系，水膠比越大，砌塊抗壓強(qiáng)度越低。

（4）二氧化碳與氧化鈣和二氧化硅反應(yīng)的速度快，在20 min左右時(shí)砌塊抗壓強(qiáng)度幾乎達(dá)到二氧化碳養(yǎng)護(hù)的最大值。

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Effects of CO2curing on compressive strength of block prepared with blast-furnace slag and carbide slag

LIU Rixin1，ZHANG Jinzhou2，LIU Wenbin1，XIAO Xuejun1
（1.Changzhou Vocational Institute of Engineering，Changzhou 213164，China；2.Yangtze University，Jingzhou 434023，China）

This paper studied the effects curing methods on the properties of blocks prepared with the blast-furnace slag and carbide slag.The results show that the compressive strength increased with the increasing carbide slag contents and the strength is the highest at 15%.The compressive strength after 60min CO2curing is 22.9%higher than that of 7-day nature curing and equal to that of 28-day nature curing.The paper investigated the impact of W/C and CO2curing time on the curing effect.The relationship between the CO2curing effective and W/C was observed.The higher W/C，the lower is the compressive strength.In addition，the rate of reaction between the CaO and CO2is prompt and the compressive strength arrives the maximum value after 20 min.

carbide slag，blast-furnace slag，CO2curing，compressive strength

TU522.3+6

A

1001-702X（2016）10-0036-03

常州市科技局項(xiàng)目（CE20165033）；湖北省建設(shè)廳項(xiàng)目（鄂建文[2015]67號）

2016-01-13；

2016-03-11

劉日鑫，男，1975年生，內(nèi)蒙古烏盟人，副教授。