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        基于太鋼粉煤灰-水渣超細粉-脫硫石膏固廢制備加氣砼砌塊研究

        2022-06-04 10:53:54曹鵬飛胡榮建楊朝剛張美霞范卉娟張慧月
        山西冶金 2022年2期

        曹鵬飛,胡榮建,楊朝剛,張美霞,劉 鵬,范卉娟,張慧月,王 正,喬 波

        (太原鋼鐵(集團)粉煤灰綜合利用有限公司,山西 太原 030003)

        隨著科技的飛速發(fā)展,社會生產(chǎn)力的提高加快了現(xiàn)代化的發(fā)展,與此同時,也帶來了生態(tài)環(huán)境問題。尤其是工業(yè)領(lǐng)域中對天然資源的大量開采,不僅造成了不可再生資源的減少,還引起了大量的固體廢棄物的堆積,占用了有限的土地資源,甚至造成了二次污染[1-3]。因此,根據(jù)固體廢棄物的特性對其進行合理利用具有重要的現(xiàn)實意義。而粉煤灰主要成分是SiO2和Al2O3,還有少量的Fe2O3、CaO、MgO 及其他微量元素。因此,以粉煤灰為主要原料,再添加一些化學試劑,制備具有高附加值的建筑材料-加氣砼產(chǎn)品具有重大意義。這在一方面解決了燃煤產(chǎn)生的固體廢棄物,另一方面制造出具有高附加值加氣砼產(chǎn)品,使資源得到了循環(huán)再利用,為以后工業(yè)化發(fā)展提供了一種可行性方案[4-6]。

        蒸壓加氣砼產(chǎn)品主要以硅質(zhì)材料(粉煤灰、砂石)、鈣質(zhì)材料(生石灰、水泥)為原料,通過添加適量的發(fā)氣劑,經(jīng)過原料預處理、原料混合、攪拌、澆注、切割、蒸養(yǎng)等工序制備成具有多孔材料的制品[7-10]。用傳統(tǒng)的膠結(jié)材料生石灰-水泥原料成本高,且在冬季時會受環(huán)保政策限制,這些高耗能企業(yè)停產(chǎn),給加氣砼生產(chǎn)廠家造成嚴重影響?;诖?,尋找一種新型膠結(jié)材料替代生石灰-水泥進行生產(chǎn)具有重要意義。水渣超細粉是煉鐵廠煉鐵過程中經(jīng)過高溫水淬后,用球磨機球磨而成的物質(zhì),具有較高的活性,在一定的堿度和溫度條件下可以和粉煤灰硅質(zhì)材料發(fā)生水化反應,增大產(chǎn)品強度。

        本文主要以粉煤灰、生石灰、水渣超細粉、石膏、鋁粉為主要原料,制備加氣砼砌塊、板材。通過研究不同的超細粉添加量對制品性能的影響,得到最優(yōu)配比,最終應用到實際生產(chǎn)中,實現(xiàn)企業(yè)的降本增效。

        1 實驗材料與方法

        1.1 實驗材料

        粉煤灰、脫硫石膏、水渣超細粉均來自太原鋼鐵(集團)有限公司,生石灰來自山西陽泉某公司,鋁粉主要來自河北某公司。主要原料的化學成分如表1所示。

        表1 原料的化學成分 %

        1.2 樣品制備與養(yǎng)護

        在實驗室對原材料進行預處理,加入適量的水進行攪拌,加入鋁粉,再在砂漿攪拌機中攪拌,攪拌均勻后放入100 mm×100 mm×100 mm 的三聯(lián)模具中,然后放入蒸壓養(yǎng)護箱進行預養(yǎng),獲得一定強度后進行切割,最后放入蒸壓釜進行蒸壓養(yǎng)護。

        1.3 性能測試

        按照GB 11968—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》,樣品在烘干箱中烘至絕干,測量并計算砌塊的容重,利用萬能試驗機測試其抗壓強度。

        2 實驗探究及分析

        2.1 性能影響因素實驗

        2.1.1 超細粉摻加量對砌塊性能的影響

        按照前期實驗研究基礎(chǔ),確定生產(chǎn)工藝配比,粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質(zhì)量比為74∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2,水固質(zhì)量比為0.65,超細粉外摻可調(diào)。將澆注好的樣品放入60 ℃的恒溫養(yǎng)護箱中,進行預養(yǎng)2 h,預養(yǎng)完畢后脫模,放入蒸壓釜進行蒸壓養(yǎng)護,最后研究試塊超細粉摻入量對砌塊抗壓強度的影響,所得結(jié)果如圖1 所示。

        圖1 超細粉摻加量對砌塊的性能的影響

        由圖1 可知,摻加一定量的超細粉會使砌塊抗壓強度先上升后下降,主要是因超細粉的主要成分為CaO,在堿性和一定的溫度作用下CaO 和SiO2發(fā)生水化反應,體系快速反應生成C-S-H,從而提高砌塊的性能。但若超細粉摻加量過大,會吸更多的水分,散發(fā)更多的水化熱,后期收縮更大,因此不宜摻入過多。經(jīng)綜合考慮,超細粉摻加量確定為5%~7%為宜[11]。

        2.1.2 堿度對砌塊性能的影響

        對原料進行主要化學元素測定,發(fā)現(xiàn)粉煤灰主要提供硅質(zhì)元素,并且粉煤灰中硅元素活性低,經(jīng)查閱大量文獻,總結(jié)激發(fā)粉煤灰活性的主要方法有粉磨法、熱處理法、堿激發(fā)法[12]。此次研究主要通過堿性物質(zhì)(NaOH 溶液)來激發(fā)粉煤活性,從而提高粉煤灰活性。按照之前的配合比進行實驗,粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質(zhì)量比為74∶14∶6∶4∶1和80∶10∶5∶3∶2,水固質(zhì)量比為0.65,改變NaOH 溶液摻入量,研究其對砌塊抗壓強度的變化規(guī)律,所得結(jié)果如圖2 所示。

        圖2 NaOH 添加加量對砌塊的性能的影響

        由圖2 可知,隨著氫氧化鈉的加入,砌塊強度先上升后下降,在氫氧化鈉摻加量為0.4%~0.8%時,試樣抗壓強度最高。主要原因是氫氧化鈉的加入,直接破壞了粉煤灰玻璃體結(jié)構(gòu),增加了反應接觸面。同時添加量過大,會直接影響發(fā)氣反應速度,導致生產(chǎn)節(jié)奏不好控制,同時還會出現(xiàn)坯體內(nèi)部發(fā)泡不均勻的現(xiàn)象,嚴重影響質(zhì)量,故確定氫氧化鈉摻加量為0.8%~1.2%為宜[13]。

        2.2 超細粉替代水泥

        探究超細粉替代膠結(jié)材料(生石灰、水泥)的替代率以及A3.5 和A5.0 砌塊最佳原料配比。按照粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質(zhì)量比為74∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2,水固質(zhì)量比為0.65 進行實驗。以A3.5 為例,改變超細粉替代膠結(jié)料(生石灰、水泥)比例,測試砌塊的力學性能結(jié)果如圖3 所示。

        圖3 超細粉替代膠結(jié)料對砌塊的性能的影響

        從圖3 中可以看出,隨著超細粉替代率緩慢增加,砌塊抗壓強度漸漸增大,且用超細粉替代一定量的膠結(jié)料,最大替代率為4%。結(jié)合生產(chǎn)實際出發(fā),要達到連續(xù)生產(chǎn),鋁粉發(fā)氣速度和膠結(jié)料稠化速度應相匹配[8-11],最后確定其A3.5 和A5.0 砌塊最佳原料配比分別為:粉煤灰、生石灰、超細粉、石膏、鋁粉的質(zhì)量比為74∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2,水固質(zhì)量比為0.65。

        3 產(chǎn)品性能

        基于之前的實驗研究,最終得到A3.5 和A5.0砌塊最佳原料配比。粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質(zhì)量比分別為74∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2,水固質(zhì)量比為0.65。在靜養(yǎng)室時間2 h,溫度為60 ℃,在蒸壓釜蒸壓養(yǎng)護9 h,制得蒸壓加氣砼砌塊、板材性能參數(shù)如表2 所示,均滿足國標GB 11968—2020 要求。

        表2 產(chǎn)品性能指標

        4 結(jié)論

        1)利用太鋼廠內(nèi)固體廢棄物——粉煤灰、超細粉、脫硫石膏為主要原料,再添加生石灰和一定量的發(fā)氣材料可以制備加氣砼砌塊,為處理太鋼固廢提供一種新思路。

        2)用超細粉替代一定量的膠結(jié)材料(生石灰、水泥),最大替代率為40%,可以充分減少加氣砼生產(chǎn)成本,經(jīng)過計算得,每方砌塊可減少成本14.5 元。

        3)確定生產(chǎn)A3.5 和A5.0 徹塊最佳配合比為:粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質(zhì)量比為72∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2,各項指標都滿足國家GB 11968—2020 標準。

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