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        煤氣化爐渣骨料對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響機(jī)理*

        2021-06-07 07:09:08張躍宏劉松輝張海波
        功能材料 2021年5期
        關(guān)鍵詞:界面

        張躍宏,劉松輝,2,王 上,周 蓉,張海波,2

        (1. 河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003;2. 河南省深地材料科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454003)

        0 引 言

        煤氣化爐渣(CGS)是煤制油過(guò)程中排放的固體廢棄物,根據(jù)中國(guó)煤炭加工利用協(xié)會(huì)報(bào)告,預(yù)計(jì)2020年中國(guó)煤制油的年產(chǎn)能達(dá)到1206萬(wàn)噸,CGS排放約482.2萬(wàn)噸,如不經(jīng)合理利用,將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1-2],亟需大規(guī)模利用CGS的技術(shù)。另一方面,我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)需要大量的砂石骨料。隨著天然砂(NS)骨料的過(guò)度開采,對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害日益嚴(yán)重,NS骨料資源面臨日益緊缺的問題,尋求可替代骨料迫在眉睫。

        CGS的主要化學(xué)組成為硅、鋁、鈣、鐵的氧化物和少量殘余碳[3-6];由于氣化爐溫度在1500℃以上,排渣經(jīng)水淬冷卻,其晶相以玻璃態(tài)為主[7-8],具有潛在的反應(yīng)活性;粒徑方面,CGS具有天然中砂相似的粒徑級(jí)配,而且其物理性能符合砂石國(guó)標(biāo)要求[9],有望替代NS制備水泥混凝土[10-12]。

        為了探討煤氣化爐渣水泥砂漿(CGSM)的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及其機(jī)理,本文對(duì)比測(cè)試了CGSM與天然砂水泥砂漿(NSM)強(qiáng)度隨齡期發(fā)展差別,并通過(guò)水泥凈漿析出液浸泡條件下CGS表面反應(yīng)的研究,探索了CGS對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響機(jī)理。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 原材料

        水泥:混凝土外加劑檢驗(yàn)專用基準(zhǔn)水泥,P·I 42.5,購(gòu)買自中國(guó)建筑材料研究總院有限公司,化學(xué)組成見表1。

        表1 水泥化學(xué)組成(%)

        煤氣化爐渣(CGS):山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司,煤間接液化制油Shell氣化爐產(chǎn)出的一種水淬工業(yè)固體廢渣,其粒徑、形貌如圖1所示,XRD圖譜見圖2,化學(xué)組成見表2,物理性能見表3。CGS中有大量球狀顆粒,主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和CaO,圖2中26°衍射角處為非晶態(tài)玻璃(Al2O3·2SiO2)[12],從化學(xué)組成和晶態(tài)看,爐渣具備有較高反應(yīng)活性的成分基礎(chǔ)。

        表2 CGS化學(xué)組成 (%)

        圖1 CGS形貌Fig 1 Morphology of coal gasification slag

        圖2 CGSXRD圖Fig 2 XRD pattern of coal gasification slag

        天然砂(NS):普通河砂,基本物理性能見表3。

        表3 CGS與NS基本物理性能參數(shù)

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 水泥砂漿的制備及性能測(cè)試

        按水泥∶骨料∶水=1∶4∶0.4[13]的比例分別配制CGSM和NSM,參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》測(cè)試砂漿流動(dòng)度,參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》制備水泥膠砂試樣并測(cè)試各齡期強(qiáng)度。

        1.2.2 CGS骨料的反應(yīng)活性測(cè)試

        配制水灰比為1.2的水泥凈漿,靜置2 h,用膠頭滴管將其上層析出清液吸出注入塑料瓶中,選擇CGS中球形度較好的顆粒(圖3a),放入裝有清液的塑料瓶中浸泡(圖3b),同時(shí)制備清水浸泡的對(duì)比試樣,分別浸泡3、7、28、90、180 d齡期,取出CGS顆粒用樹脂鑲嵌,并拋光表面直至爐渣顆粒露出較大平面(圖3c),進(jìn)行掃描電子顯微鏡和能譜(SEM-EDS)觀測(cè)。

        圖3 CGS骨料表面反應(yīng)活性測(cè)試Fig 3 Surface reaction activity test of coal gasification slag aggregate

        1.2.3 微觀測(cè)試

        熱重測(cè)試(TG),將通過(guò)酒精終止水化和烘干處理后的CGSM與NSM研磨至粉末狀,取過(guò)75 μm方孔篩的粉末,利用美國(guó)PerkinElmer STA 8000型同步熱分析儀進(jìn)行熱重測(cè)試,升溫速率為10℃/min,測(cè)試溫度范圍25~900 ℃。

        XRD測(cè)試,采用德國(guó)Bruker D8 Advance X射線衍射儀(CuKa射線:0.15406 nm,掃描速度5°/min,步長(zhǎng)0.02,掃描范圍5°~80°)。

        SEM-EDS觀測(cè),采用德國(guó)Carl Zeiss NTS GmbH Merlin Compact型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,配置英國(guó)OXFOFD型能譜儀(元素分析范圍Be4-U98),測(cè)試前樣品噴金處理。

        壓汞測(cè)試,取40 mm×40 mm×160 mm CGSM與NSM中心部分,破碎得到2.36~5 mm的顆粒,經(jīng)酒精浸泡、烘干處理后,采用美國(guó)Micromeritics Autopore Ⅳ 9510型壓汞儀進(jìn)行壓汞測(cè)試,設(shè)定最高壓力為30 000 psi。

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 CGSM流動(dòng)性

        圖4為CGSM和NSM擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果,CGSM擴(kuò)展度為142.3 mm,大于NSM的121.6 mm,而且可以看出CGSM較NSM表面更加濕潤(rùn),說(shuō)明爐渣骨料中大量的球形顆粒表現(xiàn)出了滾珠效應(yīng),改善了砂漿流動(dòng)性。

        圖4 砂漿擴(kuò)展度試驗(yàn)Fig 4 Mortar slump flow test

        2.2 CGSM力學(xué)性能

        水泥砂漿抗折抗壓和抗折強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖5所示,可以看出,NS對(duì)比樣砂漿強(qiáng)度在28 d后強(qiáng)度發(fā)展緩慢,與28 d相比,90、180 d抗壓強(qiáng)度分別提高了2.6%、5.7%,抗折強(qiáng)度分別提高了0.2%、2.9%。CGSM的早期強(qiáng)度低于對(duì)比樣的,但在28 d齡期后強(qiáng)度仍有明顯增加,與28 d相比,90、180d抗壓強(qiáng)度分別提升了6.0%、15.0%,抗折強(qiáng)度分別提升了17.9%、24.9%,明顯高于NSM的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速率。而且,在達(dá)到90 d齡期后,CGSM抗折、抗壓強(qiáng)度反超了NSM。

        圖5 水泥砂漿力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律Fig 5 Mechanical strength development of cement mortar

        2.3 CGS骨料表面反應(yīng)活性

        清水浸泡28 d爐渣試樣和水泥凈漿析出清液浸泡3、7、28、90、180 d爐渣試樣SEM圖如圖6a~f所示,在SEM圖中選擇垂直界面方向(圖6中虛線為線掃描位置)進(jìn)行線掃描,得到界面元素線分布規(guī)律如圖6(a′~f′)所示??梢园l(fā)現(xiàn),清水浸泡28 d爐渣試樣(圖6a)和水泥凈漿析出清液浸泡3、7、28 d爐渣試樣(圖6b、c、d)表面沒有明顯的反應(yīng)變化,而水泥凈漿析出清液浸泡90、180 d爐渣試樣(圖6e、f)表面出現(xiàn)了反應(yīng)層,而且隨齡期增加,反應(yīng)層變厚。線掃描能譜分析圖(a′、b′、c′、d′)中各種元素含量在樹脂與爐渣界面處出現(xiàn)突變,而圖(e′、f′)中在反應(yīng)層各元素含量有漸變的過(guò)程。

        圖6 不同浸泡時(shí)間后CGS骨料的SEM和EDS圖像Fig 6 SEM and EDS images of coal gasification slag aggregate after different soaking ages

        對(duì)CGS反應(yīng)層和CGS基體分別進(jìn)行點(diǎn)掃描(圖6e、f中標(biāo)注的1、2),進(jìn)一步表征Si、Al、Ca元素含量,結(jié)果如圖7、8所示??梢钥闯?,與CGS基體相比,反應(yīng)層Si、Al元素含量都有所減少,Ca元素含量從90 d到180 d逐漸增多。

        圖7 水泥凈漿析出清液浸泡90 d后CGS骨料的EDS圖譜Fig 7 EDS images of coal gasification slag aggregate soaked in the supernatant of cement paste for 90 days

        圖8 水泥凈漿析出清液浸泡180d后CGS骨料的EDS圖譜Fig 8 EDS images of coal gasification slag aggregate soaked in the supernatant of cement paste for 180 days

        2.4 CGSM微觀分析

        CGSM和NSM兩種水泥砂漿試樣的微分熱重曲線如圖9,在28 d時(shí)CGSM和NSM兩種試樣的C-S-H凝膠生成量幾乎相同,到180 d時(shí)CGSM的C-S-H凝膠明顯增多并超過(guò)了NSM的C-S-H凝膠生成量。

        圖9 水化28 和180 d后水泥砂漿的DTG曲線Fig 9 DTG curves of cement mortar after hydration curing for 28 days and 180 days

        CGSM孔結(jié)構(gòu)隨水化時(shí)間的變化規(guī)律如圖10所示,由圖10可知隨著齡期的發(fā)展CGSM的孔隙率逐漸降低,到180 d時(shí)孔徑細(xì)化大孔明顯減少。

        圖10 CGSM孔結(jié)構(gòu)Fig 10 Pore structures of coal gasification slag cement mortar

        從圖11中可以觀察到28 d時(shí)CGS顆粒與水泥基體間具有明顯的縫隙,隨著齡期的發(fā)展,CGS顆粒與水泥基體的界面逐漸粘結(jié)的更加緊密。

        圖11 CGSM不同齡期電鏡圖Fig 11 SEM images of coal gasification slag cement mortar at different ages

        2.5 CGS骨料對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響機(jī)理

        CGS化學(xué)組成(表2)和礦物組成(圖2)分析結(jié)果表明CGS主要是由SiO2、Al2O3和CaO等組成的玻璃態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在水泥漿液的堿性環(huán)境中,CGS表面會(huì)受到侵蝕(圖6e、f),Si4+、Al2+溶出[14](圖7、8),CGS表面發(fā)生如式(1) (2)的反應(yīng)[15],生成了C-S-H凝膠和鈣礬石(AFt)(圖12)。水泥漿液對(duì)CGS表面的侵蝕是OH-離子向CGS內(nèi)部擴(kuò)散,破壞CGS原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并重新形成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過(guò)程,在水泥漿液中,其侵蝕速率較慢,在28 d內(nèi)CGS表面沒有明顯侵蝕(圖6b、c、d),較長(zhǎng)齡期才有顯著表現(xiàn)。

        圖12 水泥砂漿中CGS骨料表面侵蝕生成產(chǎn)物的SEM圖像Fig 12 SEM images of hydration products on the surface of coal gasification slag aggregate in cement mortar

        xCa(OH)2+SiO2+(y-x)H2O=xCaO·SiO2·yH2O(C—S—H)

        (1)

        3Ca(OH)2+Al2O3+3CaSO4·2H2O+23H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

        (2)

        基于以上分析結(jié)果,提出水泥砂漿中CGS骨料與水泥基體界面反應(yīng)模型,如圖13所示,在較早齡期,CGS因其表面光滑,與水泥基體不易咬合,在爐渣-水泥基體界面存在較大孔隙(圖13a),界面結(jié)合薄弱,CGSM早期強(qiáng)度較低(1、3,7 d齡期);隨著齡期增加,CGS顆粒表面受到水泥漿液侵蝕,與水泥基體發(fā)生離子交換,消耗了水泥基體中的Ca(OH)2,生成了C-S-H凝膠,填充界面孔隙并與水泥基體結(jié)構(gòu)相互交叉結(jié)合,界面孔隙減小(圖10),界面結(jié)合增強(qiáng)(圖13b),CGSM強(qiáng)度增加(28,90 d齡期);隨著齡期進(jìn)一步增加,CGS表面生成的C-S-H凝膠進(jìn)一步增加(圖9),與水泥基體形成了良好結(jié)合,界面孔隙逐漸消失(圖13c),進(jìn)而提高了CGSM強(qiáng)度的后期增長(zhǎng)率(180 d齡期)。

        圖13 水泥砂漿中CGS骨料與水泥基體界面反應(yīng)原理圖Fig 13 Schematic of the interface reaction between coal gasification slag aggregate and cement paste in cement mortar

        砂漿作為一種多相復(fù)合材料,其力學(xué)性能取決于各相及其之間的界面結(jié)合能力,而水泥基體與骨料的界面過(guò)渡區(qū)由于邊壁效應(yīng),往往疏松多孔,被認(rèn)為是砂漿中最薄弱的部分[16-17]。CGS顆粒富含活性SiO2且吸水率較NS大(表3),不但能夠與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng),而且能夠?yàn)樗嗵峁┏浞值暮笃谒盟瑥亩鴥?yōu)化水泥基體的孔結(jié)構(gòu)使孔隙率和大孔比例下降[18](圖10)。新凝膠的生成使得CGS逐漸與水泥基體結(jié)合更加緊密(圖11),進(jìn)而使得CGSM強(qiáng)度逐漸趕超NSM(圖5)。CGS骨料可以與水泥漿液作用而生成良好結(jié)合的界面,從而使CGSM強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)。

        3 結(jié)論

        (1)CGSM在28 d之前強(qiáng)度較NSM低,在28 d之后強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)并逐漸超過(guò)NSM的強(qiáng)度。

        (2)CGS骨料活性激發(fā)發(fā)生在28 d之后,在水泥凈漿析出清液中浸泡90和180 d的CGS骨料表面存在明顯的反應(yīng)帶。CGS顆粒表面的反應(yīng)區(qū)元素與未反應(yīng)區(qū)元素相比,硅鋁元素均有減少,這是CGS處于堿性環(huán)境中表面活性SiO2、Al2O3中的Si2+、Al2+逐漸溶出所致。

        (3) CGSM的強(qiáng)度發(fā)展與CGS顆?;钚园l(fā)展規(guī)律一致,當(dāng)CGS顆粒未與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)時(shí)強(qiáng)度低于NSM,當(dāng)CGS顆粒與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)后其強(qiáng)度持續(xù)提升并超過(guò)NSM。

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