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        關(guān)于混凝土中摻和料活性的推斷探討

        2018-05-10 09:19:34王烜
        建筑與裝飾 2018年4期
        關(guān)鍵詞:二氧化硅

        王烜

        蘭州瑞原混凝土有限公司 甘肅 蘭州 730050

        前言

        水泥加水?dāng)嚢韬蟪蓾{體,能在空氣中硬化或者在水中更好的硬化,并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起。這是純水泥發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),但工程上還經(jīng)常在水泥里摻加工業(yè)廢料——粉煤灰和礦渣粉作為摻和料,作用是什么呢?

        1 摻和料的作用

        我們常用的摻和料是粉煤灰和礦渣粉。

        粉煤灰,是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰,粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰外觀類似水泥,顏色在乳白色到灰黑色之間變化。粉煤灰的顏色是一項重要的質(zhì)量指標(biāo),可以反映含碳量的多少和差異。在一定程度上也可以反映粉煤灰的細度,顏色越深粉煤灰粒度越細,含碳量越高。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為:SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等,此外還有P2O5等。其中氧化硅、氧化鈦來自黏土、巖頁;氧化鐵主要來自黃鐵礦;氧化鎂和氧化鈣來自與其相應(yīng)的碳酸鹽和硫酸鹽。

        礦渣,是高爐煉鐵產(chǎn)生的水渣,礦渣粉是高爐水渣通過細磨后,達到相當(dāng)細度且符合相當(dāng)活性指數(shù)的粉體[1]。作為摻和料的粉煤灰和礦渣粉,其主要作用是火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、界面效應(yīng)?;鹕交倚?yīng)也就是二次水化反應(yīng),也就是摻和料中的SiO2、Al2O3等潛在活性物質(zhì)與堿性物質(zhì)或石膏反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣是具有水硬性的產(chǎn)物:

        可以看出,發(fā)揮火山灰作用的是活性二氧化硅和活性三氧化二鋁,而且需要氫氧化鈣和水分作用才能反應(yīng)。二氧化硅和三氧化二鋁是都是穩(wěn)定的晶體材料,而晶體材料化學(xué)性質(zhì)是很穩(wěn)定的,比如鵝卵石就是二氧化硅為主的材料,被認(rèn)為是自然界著最穩(wěn)定的材料之一,怎么又有活性了呢?

        2 摻和料為什么會有活性?-由鋼材冷卻工藝受到的啟發(fā)

        在現(xiàn)實生產(chǎn)過程中,鋼件本身的性能往往無法達到預(yù)期的要求。在一定范圍內(nèi),鋼水在冷卻過程中工件內(nèi)部顯微組織會發(fā)生相變。冷卻速度大小的控制對顯微組織的定向改變起著至關(guān)重要的作用。合理的控制冷卻速度能得到所希望的組織,達到性能的要求[2]。冷卻速度越大,相變所發(fā)生開始和結(jié)束的溫度下降越明顯,組織中鐵素體的含量也就越少,晶粒會明顯細化,強度和韌性方面有所改善。

        實際生產(chǎn)中,同一鑄件上,由于位置不同,冷卻速度不同,鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)也不同壁厚處→冷速慢→ F基體的灰口鐵→壁薄處→ 冷速快→ P基體的白口鐵冷卻是不是一個切入點呢?

        粉煤灰在爐膛的燃燒尾氣中處于熔融懸浮狀態(tài),大概1500度左右,瞬間排入大氣中,急速冷卻。礦渣在鋼鐵冶煉中也處于熔融狀態(tài),浮在鐵水表面,定期排出時受到冷卻水沖擊,形成顆粒狀。都是經(jīng)過了一個激冷過程,是不是這個過程賦予了摻和料活性呢?

        圖1 鐵碳合金雙重相圖

        3 玻璃的啟示

        一次偶然的機會,我可能發(fā)現(xiàn)了:玻璃!對!就是玻璃。

        玻璃的生產(chǎn)工藝也是二氧化硅等熔融后快速冷卻,形成了我們常見的玻璃——要不快速冷卻就會形成析晶,形成穩(wěn)定晶體就不再透明了。玻璃的生產(chǎn),需要快速冷卻,而玻璃的主要成分,也是二氧化硅,與粉煤灰和礦粉的成分相似,也經(jīng)歷了相似的急速冷卻過程!對玻璃的研究現(xiàn)在開展的比較多,這應(yīng)該是我們揭開謎團的線索。

        圖2 玻璃成型過程

        1150℃左右的玻璃液熔體,通過熔窯與錫槽相連接的流道、流槽,流入熔融的錫液面上,在自身重力、表面張力以及拉引力的作用下,玻璃液攤開成為玻璃帶,在錫槽中完成拋光與拉薄,在錫槽末端的玻璃帶已冷卻到600℃左右,輥道的拉引把即將硬化的玻璃帶引出錫槽,通過過渡輥臺進入退火窯。熔體狀態(tài)溫度最高,空間粒子間的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)混亂,在快速冷卻時,難以迅速歸位,保留了原來的無序狀和高能態(tài)結(jié)構(gòu),而緩慢冷卻過程中,相關(guān)的粒子逐步穩(wěn)定歸位,形成晶體,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,內(nèi)能最低。粉煤灰在熔融狀態(tài)下排入大氣,相當(dāng)于最上“氣相冷凝獲得的無定形物質(zhì)”,位能處于最高,理想晶體處于最低能態(tài),也最穩(wěn)定[3]。

        4 不同結(jié)構(gòu)的二氧化硅能態(tài)

        無定型二氧化硅的活性分析玻璃和粉煤灰、礦粉中的二氧化硅都屬于無定型二氧化硅,或是非晶態(tài),因為快速冷卻使得二氧化硅沒有足夠的時間進行結(jié)晶。可以看出,熔融的二氧化硅不同的冷卻速度,形成不同的結(jié)構(gòu)。

        5 結(jié)束語

        青磚、紅磚和瓦片是用黏土在600~900℃的溫度下燒制而成的。黏土的主要礦物成分高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)經(jīng)過800℃左右煅燒后,分解為無水偏高嶺土(Al2O3·2SiO2),甚至部分分解為氧化鋁(Al2O3)和無定形的二氧化硅(SiO2),因而增加了黏土礦物的活性。把這種煅燒后具有活性的黏土作混合材,在水泥水化時析出的Ca(OH)2就會同活性的Al2O3和SiO2分別生成水化硅鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·2SiO2·aq)和水化硅酸鈣

        (CaO·SiO2·aq)及水化鋁酸鈣(mCaO·Al2O3·aq),從而產(chǎn)生一定的強度。正因為這樣,在火山灰質(zhì)混合材料中,青磚、紅磚、瓦片均屬于燒黏土一類的人工火山灰質(zhì)混合材,只要青磚、紅磚、瓦片等燒粘土質(zhì)材料符合水泥生產(chǎn)中作為火山灰質(zhì)混合材的技術(shù)條件,就可應(yīng)用于水泥生產(chǎn)中。但對于煅燒溫度低于600℃燒出的嫩火磚和超過900℃燒出的老火磚由于其化學(xué)活性很低,故不宜作活性混合材料使用。

        參考文獻

        [1] 宋俊紅.廢玻璃處理以及資源化[J].黑龍江環(huán)境通報,2010,34(4):68-70.

        [2] 徐美君.國際國內(nèi)廢玻璃的回收和利用[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,2007,(3):55-59.

        [3] 李湘洲.發(fā)達國家廢玻璃回收利用借鑒與經(jīng)驗[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟,2012,5(5):41-44.

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