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        聚合硫酸鋁改性低堿度水泥性能研究

        2022-05-13 12:02:56耿海寧馬浩森王東文潘社奇
        硅酸鹽通報(bào) 2022年4期

        韋 琦,劉 艷,耿海寧,馬浩森,陳 偉,王東文,潘社奇,李 秋

        (1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070;2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430070;3.中國(guó)工程物理研究院材料研究所,綿陽(yáng) 621907;4.湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430205)

        0 引 言

        核工業(yè)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量包含活性金屬鋁、鋅的放射性焚燒灰,通常需要固化處理[1]。常規(guī)水泥固化方法由于水泥孔溶液pH值較高,會(huì)與焚燒灰中的單質(zhì)金屬鋁反應(yīng)造成固化體膨脹及性能劣化[2]。本文作者前期采用水泥、硅灰(silica fume, SF)和粉煤灰(fly ash, FA)制備低堿度水泥,利用硅灰和粉煤灰的火山灰活性消耗水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣可以有效降低體系堿度,抑制焚燒灰中單質(zhì)鋁的腐蝕反應(yīng),經(jīng)測(cè)試其各項(xiàng)性能均滿(mǎn)足GB 14569.1—2011《低、中水平放射性廢物固化體性能要求-水泥固化體》相關(guān)規(guī)定。此體系中硅灰細(xì)度大,活性高,與氫氧化鈣接觸面積大,反應(yīng)生成的C-(A)-S-H凝膠對(duì)早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)大[3]。而粉煤灰這類(lèi)玻璃體的結(jié)構(gòu)難解體,常溫下即使有足夠多的氫氧化鈣,火山灰反應(yīng)仍然發(fā)生很慢[4]。賈世杰等[5]在水泥中摻入粉煤灰,發(fā)現(xiàn)固化體強(qiáng)度與粉煤灰摻量呈負(fù)相關(guān),其原因在于水化產(chǎn)物C-S-H凝膠顆粒不斷累積包裹在粉煤灰表面,阻礙了OH-的侵蝕和硅氧單體、鋁氧單體的溶出。故激發(fā)粉煤灰和硅灰的水化活性是提升焚燒灰水泥固化體性能的關(guān)鍵[6]。

        聚合鋁是由氫氧根離子架橋、聚合而形成的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑[7]。Chen等[8]在堿礦渣體系中引入聚合鋁,發(fā)現(xiàn)礦渣顆粒表面的C-A-S-H凝膠微孔含量增加且礦渣的溶蝕程度增加,可以促進(jìn)礦渣早期反應(yīng)速率,提高力學(xué)性能。王奕仁等[9]發(fā)現(xiàn)鋰渣-水泥復(fù)合膠凝材料體系中引入聚合鋁能加速鋰渣的溶解與侵蝕,進(jìn)而加速早期反應(yīng)過(guò)程。陳偉等[10]研究發(fā)現(xiàn)將聚合鋁引入礦粉再生膠凝材料中可以使膠凝材料水化產(chǎn)物數(shù)量增加,使砂與水泥漿黏結(jié)界面更加密實(shí),可提高礦粉再生膠凝材料的力學(xué)性能與耐久性。

        基于上述文獻(xiàn)中提出的聚合鋁對(duì)礦渣、鋰渣等硅鋁質(zhì)玻璃體早期水化的促進(jìn)機(jī)制與性能提升作用,針對(duì)低堿度水泥在固化含單質(zhì)鋁的放射性焚燒灰過(guò)程中早期強(qiáng)度發(fā)展慢、后期強(qiáng)度較低的問(wèn)題,本文提出在低堿度水泥中引入聚合鋁,以期加速早期火山灰反應(yīng),提高水泥固化體力學(xué)性能,同時(shí)進(jìn)一步降低低堿度水泥的pH值,抑制水泥孔溶液對(duì)焚燒灰中單質(zhì)鋁的腐蝕作用,提高水泥固化體耐久性。通過(guò)將不同摻量聚合硫酸鋁(polyaluminum sulfate, PAS)引入低堿度水泥體系,結(jié)合抗壓強(qiáng)度、水化產(chǎn)物組成含量和水化放熱等探究聚合硫酸鋁對(duì)低堿度水泥早期水化硬化的影響規(guī)律和作用機(jī)理,對(duì)設(shè)計(jì)制備高性能低堿度焚燒灰固化體具有一定指導(dǎo)意義。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 材 料

        水泥為湖北華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 52.5水泥,比表面積為340 m2/kg;粉煤灰和硅灰均生產(chǎn)于鞏義市元亨凈水材料廠(chǎng),粉煤灰比表面積為2 030 m2/kg;減水劑為929型高效聚羧酸減水劑,生產(chǎn)于江蘇蘇博特新材料股份有限公司;聚合硫酸鋁為顆粒狀工業(yè)純?cè)噭?,其XRD譜見(jiàn)圖1。聚合硫酸鋁、水泥、硅灰和粉煤灰的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

        圖1 聚合硫酸鋁的XRD譜

        表1 原材料的主要化學(xué)成分

        1.2 配合比

        設(shè)計(jì)聚合硫酸鋁摻量為膠凝材料的0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),水膠比為0.32。具體配合比見(jiàn)表2所示。

        表2 配合比設(shè)計(jì)

        1.3 制備方法

        按配合比稱(chēng)取物料加入攪拌鍋中攪拌1~2 min,使物料預(yù)混均勻,再加水慢攪拌10~12 min,快攪2~3 min。將拌合均勻的水泥漿倒入φ50 mm×50 mm的圓柱體模具,并將上表面抹平蓋上保鮮膜,1 d后脫模,室溫密封養(yǎng)護(hù)至各齡期并進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

        1.4 測(cè)試與表征

        1.4.1 凝結(jié)時(shí)間與流動(dòng)度測(cè)試

        依據(jù)GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》來(lái)測(cè)定凝結(jié)時(shí)間。依據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行漿體流動(dòng)度測(cè)定。

        1.4.2 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

        依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法(ISO法)》測(cè)定試樣抗壓強(qiáng)度,采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)成型和WAY-300型抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,加載速度為0.6 kN/s,于1 d、3 d、7 d、14 d和28 d時(shí)取6個(gè)試樣測(cè)試抗壓強(qiáng)度,取平均值作為最終結(jié)果。

        1.4.3 pH值測(cè)試

        低堿度水泥新拌漿體的初始pH值使用Mettler Toledo pH計(jì)直接插入讀數(shù)獲得。在1 d、3 d和7 d時(shí)分別進(jìn)行pH值測(cè)試,首先將試樣破碎,加入異丙醇終止水化,并放入40 ℃真空干燥箱中干燥至恒重。將烘干的試樣粉磨至過(guò)75 μm篩,取10 g粉末與10 g去離子水?dāng)嚢枵袷? min,用Mettler Toledo pH計(jì)測(cè)量其pH值[11]。

        1.4.4 微觀(guān)表征

        將各齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)試后的固化體破碎后取中間部位作為試樣,用異丙醇浸泡試樣6 h終止水化,并放入40 ℃烘箱中烘6 h后進(jìn)行微觀(guān)表征。采用D8 Advanced型X射線(xiàn)衍射儀分析不同齡期試樣水化產(chǎn)物組成,掃描范圍為5°~60°;采用TGA5500型熱分析儀對(duì)不同齡期試樣在室溫至1 000 ℃進(jìn)行TG-DSC分析,保護(hù)氣氛為氮?dú)猓郎厮俾蕿?0 ℃/min;采用TAM air型微量熱儀測(cè)試新拌漿體的水化放熱速率及放熱總量;采用麥克AutoPore IV 9500型高性能全自動(dòng)壓汞儀對(duì)試樣進(jìn)行孔隙率和孔徑分布分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 聚合硫酸鋁對(duì)低堿度水泥漿體凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度的影響

        圖2(a)為不同摻量聚合硫酸鋁對(duì)低堿度水泥漿體凝結(jié)時(shí)間的影響,圖中結(jié)果顯示,漿體的初凝和終凝時(shí)間都隨著聚合硫酸鋁摻量的增加而減少,相比未摻入聚合硫酸鋁漿體,聚合硫酸鋁摻量達(dá)3.0%時(shí),低堿度水泥漿體的初凝時(shí)間減少了9.1 h,終凝時(shí)間減少了10.3 h,初凝和終凝的間隔時(shí)間也隨著聚合硫酸鋁摻量的增加而減少,這說(shuō)明聚合硫酸鋁對(duì)低堿度水泥體系有很好的促凝作用。

        圖2(b)為不同摻量聚合硫酸鋁對(duì)新拌漿體流動(dòng)度的影響,結(jié)果顯示,漿體的流動(dòng)度隨著聚合硫酸鋁摻量的增加而逐漸降低,相比未摻入聚合硫酸鋁漿體,聚合硫酸鋁摻量達(dá)3.0%時(shí),低堿度水泥漿體的流動(dòng)度減少了30.4%。原因可能是聚合硫酸鋁水解成比表面積大的絮凝體,吸水導(dǎo)致漿體水灰比降低,流動(dòng)度變小,也可能是聚合硫酸鋁水解提供了硫酸根離子和鋁膠,促進(jìn)了鈣礬石等吸水產(chǎn)物的生成,降低流動(dòng)度的同時(shí)也導(dǎo)致了速凝[12]。本文后面XRD分析結(jié)果也證實(shí)生成了更多的鈣礬石。

        圖2 不同摻量聚合硫酸鋁對(duì)低堿度水泥漿體凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度的影響

        2.2 水化放熱分析

        圖3為低堿度水泥的早期放熱曲線(xiàn)。從圖3(a)中可以看出,當(dāng)聚合硫酸鋁摻量達(dá)到膠凝材料質(zhì)量的1.5%以上時(shí),水化放熱峰比未加聚合硫酸鋁試樣明顯提前,且水化放熱峰隨聚合硫酸鋁摻量的增加而向前移動(dòng);從圖3(b)中可以看出,當(dāng)聚合硫酸鋁的摻量達(dá)到膠凝材料質(zhì)量的2.0%以上時(shí),水化放熱總量相比未摻入聚合硫酸鋁試樣明顯提高。這說(shuō)明聚合硫酸鋁一定程度能促進(jìn)低堿度水泥水化放熱,提高水化反應(yīng)程度。

        圖3 低堿度水泥早期水化放熱曲線(xiàn)和水化放熱總量曲線(xiàn)

        2.3 聚合硫酸鋁對(duì)低堿度水泥固化體抗壓強(qiáng)度和孔隙率的影響

        圖4為不同摻量聚合硫酸鋁對(duì)低堿度水泥固化體抗壓強(qiáng)度的影響,圖中結(jié)果顯示摻入聚合硫酸鋁試樣的早期強(qiáng)度明顯高于未摻入聚合硫酸鋁試樣。1 d時(shí)抗壓強(qiáng)度最高的為聚合硫酸鋁摻量2.0%組,比未摻入聚合硫酸鋁試樣強(qiáng)度高49.5%;3 d時(shí)抗壓強(qiáng)度最高的為聚合硫酸鋁摻量2.5%組,比未摻入聚合硫酸鋁試樣強(qiáng)度高73.6%;7 d時(shí)抗壓強(qiáng)度最高的為聚合硫酸鋁摻量3.0%組,比未摻入聚合硫酸鋁試樣強(qiáng)度高138.8%;28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度最高的為聚合硫酸鋁摻量3.0%組,比未摻入聚合硫酸鋁試樣強(qiáng)度高49.0%。

        圖4 低堿度水泥固化體的抗壓強(qiáng)度

        表3為不同聚合硫酸鋁摻量下低堿度水泥固化體28 d的孔隙結(jié)構(gòu)特征,從表中可以看出孔隙率、總孔容和總孔面積均隨著聚合硫酸鋁摻量的增加而依次降低,相比未摻入聚合硫酸鋁試樣,聚合硫酸鋁摻量達(dá)3.0%時(shí),28 d的孔隙率下降了36.5%。這說(shuō)明聚合硫酸鋁的摻入使固化體的結(jié)構(gòu)趨于致密,可能是由于聚合硫酸鋁促進(jìn)了低堿度水泥的火山灰反應(yīng),生成了更多的水化產(chǎn)物,填充了孔隙。從中值孔徑和平均孔徑的數(shù)值可以看出低堿度水泥固化體中的孔大多屬于微孔,這種微孔多的結(jié)構(gòu)有利于提高固化體的抗凍融性能和抗浸泡性能。從抗壓強(qiáng)度和孔隙特征的結(jié)果可以看出,聚合硫酸鋁能顯著降低低堿度水泥固化體的孔隙率,改善孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高固化體的抗壓強(qiáng)度。

        表3 低堿度水泥固化體28 d的孔隙特征

        2.4 聚合硫酸鋁對(duì)低堿度水泥漿體pH值的影響

        圖5為低堿度水泥初期pH值變化,圖中顯示漿體初始pH值隨著聚合硫酸鋁摻量的增加而降低,可能是由于聚合硫酸鋁水解后呈弱酸性,隨著聚合硫酸鋁摻量增加,漿體的初始pH值下降程度越大。1 h后水泥水化出現(xiàn)的堿金屬離子使加入聚合硫酸鋁的漿體pH值得到緩沖。從1 d、3 d以及7 d的pH值變化可以看出體系的堿度隨聚合硫酸鋁摻量的增加而依次降低,相比未摻入聚合硫酸鋁試樣,聚合硫酸鋁摻量達(dá)3.0%時(shí),7 d的孔溶液pH值從12.6降到11.8。一方面可能是由聚合硫酸鋁水解呈弱酸性的特征導(dǎo)致的,另一方面水化熱的結(jié)果(圖3)顯示放熱總量隨著聚合硫酸鋁摻量的增加而提高,說(shuō)明水化程度加深,其原因是火山灰反應(yīng)程度增加,進(jìn)而消耗更多由水泥水化生成的Ca(OH)2,使體系堿度下降,孔溶液pH值降低。而普通硅酸鹽水泥水化初始階段的孔溶液pH值由可溶性堿主導(dǎo),然后由于Ca(OH)2的溶解得以緩沖,最終pH值通常穩(wěn)定在12~13[13]。金屬鋁在硅酸鹽水泥的高堿環(huán)境中會(huì)和堿液反應(yīng)生成氫氣,導(dǎo)致固化性能的劣化,加入聚合硫酸鋁導(dǎo)致低堿度水泥水化早期堿度迅速降低,有助于減緩焚燒灰中單質(zhì)鋁的腐蝕反應(yīng),增強(qiáng)固化體的力學(xué)性能。

        圖5 低堿度水泥漿體pH值變化

        2.5 水化產(chǎn)物分析

        2.5.1 物相分析

        圖6 低堿度水泥固化體的XRD譜

        2.5.2 物相含量

        圖7為低堿度水泥固化體水化產(chǎn)物1 d的熱分析曲線(xiàn),表4為低堿度水泥固化體1 d水化產(chǎn)物的定量分析。由圖7中TG曲線(xiàn)可將溫度區(qū)間分為三個(gè)部分,30~200 ℃為鈣礬石和C-A-S-H的主要失重區(qū)間,失重率隨著聚合硫酸鋁摻量的增加而增加,說(shuō)明聚合硫酸鋁可以促進(jìn)鈣礬石和C-A-S-H凝膠的生成[15]。400~500 ℃為Ca(OH)2的主要失重區(qū)間[16],摻入聚合硫酸鋁試樣的失重率比未摻入聚合硫酸鋁試樣的低,說(shuō)明聚合硫酸鋁可以加速Ca(OH)2的消耗。水化熱結(jié)果(見(jiàn)圖3)表明聚合硫酸鋁提高了放熱總量,加深了水化程度,熱分析結(jié)果中30~200 ℃區(qū)間的失重規(guī)律證實(shí)了水化產(chǎn)物生成量增加,印證了水化熱的結(jié)果,進(jìn)一步證實(shí)了聚合硫酸鋁可以促進(jìn)火山灰反應(yīng)。此外熱分析結(jié)果中400~500 ℃區(qū)間的失重規(guī)律說(shuō)明了聚合硫酸鋁降低了體系中Ca(OH)2的含量,其原因是聚合硫酸鋁促進(jìn)了原料中粉煤灰和硅灰與水泥水化生成的Ca(OH)2之間的火山灰反應(yīng),同樣證實(shí)了聚合硫酸鋁可以加速火山灰反應(yīng)。600~800 ℃為CaCO3的主要失重區(qū)間[17]。熱重結(jié)果與XRD分析結(jié)果一致。

        圖7 低堿度水泥固化體1 d水化產(chǎn)物TG-DSC曲線(xiàn)

        表4 低堿度水泥固化體1 d水化產(chǎn)物TG-DSC定量分析

        結(jié)合水化熱、水化產(chǎn)物及性能分析可知,在低堿度水泥水化極早期,聚合硫酸鋁水解提供硫酸根離子與鋁膠,在降低體系pH值的同時(shí)參與水化反應(yīng),增加早期鈣礬石生成量,促進(jìn)凝結(jié)的同時(shí)降低了流動(dòng)度。隨后在低堿度水泥水化早期,聚合硫酸鋁促進(jìn)了原料中粉煤灰和硅灰與水泥水化生成的Ca(OH)2的火山灰反應(yīng),在消耗大量Ca(OH)2降低體系pH值的同時(shí),提高了C-(A)-S-H凝膠等水化產(chǎn)物的生成量,改善了固化體孔結(jié)構(gòu),降低了孔隙率,進(jìn)而提高了固化體的抗壓強(qiáng)度。聚合硫酸鋁在低堿度水泥早期水化過(guò)程中大幅降低了體系的pH值,有效延緩了焚燒灰中單質(zhì)鋁的腐蝕反應(yīng),避免了大量氫氣的生成,可以大幅提升低堿度水泥焚燒灰固化體力學(xué)性能與耐久性能,對(duì)于保障焚燒灰固化體長(zhǎng)期穩(wěn)定性與安全性具有重要意義。

        3 結(jié) 論

        (1)相比未摻入聚合硫酸鋁的低堿度水泥,聚合硫酸鋁摻量達(dá)3.0%時(shí),低堿度水泥的初凝時(shí)間減少了9.1 h,終凝時(shí)間減少了10.3 h,流動(dòng)度減少了30.4%,28 d抗壓強(qiáng)度增加了49.0%。

        (2)摻入聚合硫酸鋁可以使低堿度水泥的水化放熱峰提前,水化放熱總量增加,促進(jìn)火山灰反應(yīng),消耗水泥水化生成的氫氧化鈣,降低體系的堿度,提高早期鈣礬石和C-(A)-S-H凝膠的生成量,改善孔結(jié)構(gòu)。相比未摻入聚合硫酸鋁的低堿度水泥,聚合硫酸鋁摻量達(dá)3.0%時(shí),低堿度水泥7 d的孔溶液pH值從12.6降低到11.8,28 d的孔隙率下降了36.5%。

        (3)聚合硫酸鋁可以有效提高低堿度水泥的力學(xué)性能,同時(shí)降低體系的早期堿度,有利于抑制焚燒灰中單質(zhì)鋁的腐蝕反應(yīng),避免生成大量氫氣,對(duì)于提高含單質(zhì)鋁焚燒灰固化體的力學(xué)性能及耐久性有重要意義。

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