孫 浩,于林玉,劉萬(wàn)剛,嚴(yán)家江,馬金來(lái)

(山東魯橋建材有限公司,濟(jì)南 250000)

傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)存在能耗高、污染大的問(wèn)題。近年來(lái),雙碳目標(biāo)對(duì)水泥的生產(chǎn)要求越來(lái)越高,低能耗、低污染成為重要的技術(shù)指標(biāo)[1]。因此,基于工業(yè)固廢的低碳膠凝材料技術(shù)開(kāi)發(fā)成為了研究熱點(diǎn)。低碳膠凝材料主要是以尾礦、煤矸石、電石渣、赤泥、硅渣、硅鈣渣等具有潛在可利用水化膠凝性組分為主要原材料,通過(guò)活性激發(fā)工藝和多種組分復(fù)配,實(shí)現(xiàn)其火山灰活性的提高,實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥用量的替代,降低碳排放;同時(shí)減少環(huán)境污染[2]。目前,低碳膠凝材料的研究主要包括堿激發(fā)膠凝材料和低熟料水泥兩大類[3]。其中,堿激發(fā)膠凝材料是由硅鋁質(zhì)材料和堿性激發(fā)劑混合磨細(xì)而成的水硬性膠凝材料,具有優(yōu)異的耐酸性和抗硫酸鹽侵蝕能力,但是存在收縮變形大的問(wèn)題無(wú)法解決[4]。因此,目前基于大量工業(yè)固廢的行業(yè)背景下,以?；郀t礦渣為主要成分,復(fù)合石膏和活性熟料物質(zhì)進(jìn)行活性激發(fā)的低熟料水泥為主要的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方向。研究表明,硅酸鹽水泥熟料或石灰水化為?；郀t礦渣的溶解提供了堿性環(huán)境,?；郀t礦渣溶出的鈣、硅、鋁離子與CaSO4反應(yīng)生成鈣礬石和水化硅酸鈣凝膠。通過(guò)調(diào)整活性熟料的成分能夠優(yōu)化其早期強(qiáng)度,提高其抗硫酸鹽侵蝕性能和抗酸侵蝕性能[5]。基于現(xiàn)有研究,論文以?；郀t礦渣為主要成分,復(fù)合石膏和具有潛在活性的硅渣為主要組分,研究其摻入比例對(duì)制備的低碳膠凝材料活性和力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為寶山生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰為信源電廠F類Ⅱ級(jí)粉煤灰;礦粉為玉蘭集團(tuán)S95級(jí)礦粉;硅質(zhì)廢渣為功能性二氧化硅生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的壓濾淤泥經(jīng)烘干獲得的粉末顆粒。水泥、礦粉和硅質(zhì)廢渣化學(xué)組成如表1所示。分散助磨劑為市售產(chǎn)品,主要成分為三乙醇胺。石子為碎石,粒徑5～20 mm,泥塊含量0.1%,針片狀含量2%;砂子為產(chǎn)自黃河的天然黃砂,細(xì)度模數(shù)2.6,含泥量1.5%;外加劑為聚羧酸減水劑,減水率18%,推薦摻量2%。

表1 原材料化學(xué)組成 /%

1.2 低碳膠凝材料及混凝土制備

1)低碳膠凝材料制備 將硅質(zhì)廢渣微粉與S95級(jí)礦粉按質(zhì)量比0∶100、15∶85、30∶70、50∶50、70∶30、100∶0混合后,加入混合料總質(zhì)量4%的CaSO4和0.2%的分散助磨劑,采用細(xì)粉球磨機(jī)進(jìn)行粉磨,粉磨時(shí)間為20 min,形成摻合料A、B、C、D、E和F,測(cè)定其比表面積,并進(jìn)行活性檢測(cè)試驗(yàn)。

2)混凝土制備 在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,按表2的配合比制備混凝土,每次成型混凝土20 L,攪拌時(shí)間均為180 s。

表2 混凝土基準(zhǔn)配合比

表2中試驗(yàn)摻合料分別為礦粉原樣品、摻入硅質(zhì)廢渣微粉原樣和低碳膠凝材料A、B、C、D、E、F。

在混凝土試驗(yàn)中,確定低碳膠凝材種類,控制水泥與低碳膠凝材料總量為295 kg/m3不變,調(diào)整低碳膠凝材料摻量分別為0、55 kg/m3、110 kg/m3、165 kg/m3和220 kg/m3,制備混凝土并研究其性能變化。

1.3 試驗(yàn)方法

水泥、礦粉、低碳膠凝材料比表面積按《水泥比表面積測(cè)定方法勃氏法》GB/T 8074—2008規(guī)定的方法進(jìn)行檢測(cè),精確值1 m2/kg。低碳膠凝材料活性按《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T 18046—2017附錄A規(guī)定檢測(cè),精確至0.1%。混凝土坍落度、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度、收縮率分別按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2016、《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2019以及《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009規(guī)定的接觸法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅質(zhì)廢渣微粉對(duì)低碳膠凝材料活性的影響

圖1所示為硅質(zhì)廢渣微粉不同摻量條件下低碳膠凝材料的比表面積變化。從圖1中可以看出,相比于未進(jìn)行粉磨的礦粉和硅質(zhì)廢渣,礦粉和硅質(zhì)廢渣互摻粉磨后,其比表面積出現(xiàn)明顯的升高,且隨著硅質(zhì)廢渣摻入比例的增加,低碳膠凝材料比表面積出現(xiàn)輕微的升高。這說(shuō)明硅質(zhì)廢渣微粉摻入比例的增加,有利于低膠凝材料粉磨細(xì)化。

圖2為硅質(zhì)廢渣微粉不同摻量條件下低碳膠凝材料的活性指數(shù)。從圖2中可以看出,相比于未進(jìn)行粉磨的礦粉和硅質(zhì)廢渣,礦粉和硅質(zhì)廢渣互摻粉磨后,其活性指數(shù)均有所升高。結(jié)合圖1可以看出,這主要是因?yàn)榛椒勰ズ?摻合料比表面積增加,機(jī)械粉磨使得其活性提高,同時(shí)可以在砂漿中起到很好的微集料填充效應(yīng),使得其強(qiáng)度提高,表現(xiàn)出活性升高。進(jìn)一步分析可以看出,隨著硅質(zhì)廢渣微粉摻量的增加,低碳膠凝材料不同齡期的活性指數(shù)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),而在圖1中,其比表面積隨著硅質(zhì)廢渣微粉摻量的增加而增加,兩者表現(xiàn)出相反的發(fā)展趨勢(shì)。分析原因主要是因?yàn)?硅質(zhì)廢渣活性相比于礦渣較低,隨著其摻量的增加,在激發(fā)劑和分散助磨劑保持不變的情況下,所制備的低碳膠凝材料整體活性出現(xiàn)下降。雖然其比表面積表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì),但是根據(jù)圖2活性指數(shù)可以看出,機(jī)械粉磨提高比表面積對(duì)活性的影響小于材料本身活性激發(fā)效果,低碳膠凝材料活性與材料本身活性相關(guān)性較大。進(jìn)一步比較圖2中不同互摻比例條件下低碳膠凝材料的活性指數(shù)可以看出,在硅質(zhì)廢渣微粉與礦粉互摻比例為0∶100～50∶50時(shí),制備的低碳膠凝材料活性指數(shù)均不低于摻入原礦粉樣品。

2.2 低碳膠凝材料對(duì)混凝土性能的影響

1)低碳膠凝材料對(duì)混凝土拌和物性能的影響

圖3所示為硅質(zhì)廢渣微粉不同摻量條件下制備的低碳膠凝材料摻入后制備的混凝土坍落度變化。從圖3中可以看出,隨著低碳膠凝材料中硅質(zhì)廢渣微粉摻入比例的增加,混凝土拌和物的坍落度表現(xiàn)出先輕微上升后下降的趨勢(shì),其中硅質(zhì)廢渣微粉與礦渣互摻比例為30∶70時(shí),混凝土坍落度出現(xiàn)最大值為215 mm。之所以兩者互摻會(huì)提高混凝土拌和物坍落度,改善其流動(dòng)性,主要是因?yàn)閮煞N原材料本身顆粒性狀不同,易磨性不同,粉磨后表面形態(tài)也存在較大差異,相比于單一組分,互摻可以優(yōu)化顆粒間的孔隙結(jié)構(gòu),能夠更好地在水泥顆粒中發(fā)揮微集料和滾珠效應(yīng),從而使得其坍落度出現(xiàn)輕微的升高。

2)低碳膠凝材料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

圖4所示為硅質(zhì)廢渣微粉不同摻量條件下制備的低碳膠凝材料制備的混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度。從圖4中可以看出,隨著低碳膠凝材料中硅質(zhì)廢渣微粉摻入比例的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先輕微上升后下降的趨勢(shì)。比較圖4和圖3變化曲線可以看出,在硅質(zhì)廢渣微粉與礦渣互摻比例從0∶100～100∶0之間時(shí),其變化規(guī)律相同。其中硅質(zhì)廢渣微粉與礦粉互摻比例為30∶70時(shí),混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,分別為37.8 MPa和49.8 MPa。同時(shí)可以看出,在低膠凝材料中,當(dāng)?shù)V粉摻量高于50%時(shí),即低碳膠凝材料中主要成分為礦粉時(shí),其摻入后制備的混凝土抗壓強(qiáng)度高于摻入原樣礦粉。分析其變化規(guī)律主要是因?yàn)楣栀|(zhì)廢渣微粉活性相對(duì)于礦粉較低,摻入后會(huì)造成低碳膠凝材料活性降低,但通過(guò)機(jī)械粉磨,實(shí)現(xiàn)其超細(xì)粉化后,有利于其活性的提高,同時(shí)有利于其在混凝土中發(fā)揮微集料填充效應(yīng),有利于抗壓強(qiáng)度提升。而礦粉本身顆粒相對(duì)較粗,針片狀較多,且礦粉的表面積與水泥接近,不易在水泥顆粒中發(fā)揮微集料效應(yīng)。因此,通過(guò)摻入低活性的硅質(zhì)廢渣微粉形成低碳膠凝材料其拌和物性能和力學(xué)性能均更好,且摻量達(dá)到50%時(shí),依然能夠表現(xiàn)出不低于原樣礦粉的性能。

2.3 低碳膠凝材料替代量對(duì)混凝土性能的影響

以硅質(zhì)廢渣微粉和礦粉比例為50∶50進(jìn)行低碳膠凝材料的制備,并以不同摻量替代水泥,研究其替代量對(duì)混凝土性能的影響。

1)低碳膠凝材料替代量對(duì)混凝土拌和物性能的影響

圖5所示為不同摻量低碳膠凝材料替代水泥制備的混凝土坍落度。從圖5中可以看出,隨著低碳混凝土摻量的增加,混凝土坍落度呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì),在低碳膠凝材料替代量為55 kg/m3時(shí),混凝土坍落度達(dá)到最大值為215 mm。分析其原因是因?yàn)榈吞寄z凝材料比表面積較大,遠(yuǎn)高于水泥,摻入到混凝土中能夠起到微集料填充效應(yīng),從而改善混凝土內(nèi)部缺陷,改善顆粒間的接觸點(diǎn),增加滾珠效應(yīng),從而使得其坍落度升高;但是當(dāng)其摻量較大時(shí),因其比表面積較大,所以吸水量增大,從而導(dǎo)致混凝土粘度增大,流動(dòng)性變差,坍落度出現(xiàn)下降。

2)低碳膠凝材料替代量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

圖6所示為不同摻量低碳膠凝材料替代水泥制備的混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度。從圖6中可以看出,隨著低碳膠凝材料的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì),在低碳膠凝材料替代量為55 kg/m3時(shí),混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,分別為34.2 MPa和46.4 MPa。分析原因是因?yàn)榛炷林袚饺氡缺砻娣e較大的低碳膠凝材料,雖然其活性低于水泥,但是其可以顯出較好的微集料填充效應(yīng),從而改善混凝土內(nèi)部缺陷,提高混凝土整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,使得其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)升高,但是當(dāng)摻量較高時(shí),由于較大的比表面積需水量過(guò)大,使得混凝土和易性變差,內(nèi)部氣孔增多,缺陷增多,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。從圖6中可以看出,當(dāng)?shù)吞寄z凝材料替代量達(dá)到110 kg/m3時(shí),依然能夠顯出不低于未摻入低碳膠凝材料的水泥混凝土的力學(xué)性能。

3)低碳膠凝材料替代量對(duì)混凝土收縮率的影響

圖7所示為不同摻量低碳膠凝材料替代水泥制備的混凝土收縮率。從圖7中可以看出,隨著低碳混凝土摻量的增加,混凝土的收縮率先下降后升高,在低碳膠凝材料替代量為55 kg/m3時(shí),混凝土收縮率達(dá)到最小值。這也與粒度較細(xì)的低碳膠凝材料起到的微集料效應(yīng)有關(guān),通過(guò)對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的填充,使得混凝土結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,收縮變小。進(jìn)一步比較圖7中摻入不同低碳膠凝材料的混凝土的收縮率可以看出,當(dāng)摻量低于110 kg/m3時(shí),混凝土的收縮率均低于不摻入低碳膠凝材料的混凝土,這說(shuō)明適量的低碳膠凝材料替代水泥不僅能夠?qū)崿F(xiàn)固廢的資源化利用,而且有利于混凝土性能的改善和體積穩(wěn)定性的提高。

3 結(jié) 論

a.互摻粉磨有利于低碳膠凝材料比表面積的提升和活性指數(shù)的提高,隨著硅質(zhì)廢渣微粉摻量的增加,活性逐漸下降。但其摻入比例不高于50%時(shí),其活性仍不低于礦粉。

b.隨著低碳膠凝材料中硅質(zhì)廢渣微粉摻入比例的增加,混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出先輕微上升后下降的趨勢(shì),在摻入比例為30∶70時(shí)達(dá)到最佳。

c.通過(guò)低碳膠凝材料替代水泥制備混凝土,隨著替代量的增加,混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度先升高后下降、收縮率先下降后升高,在低碳膠凝材料替代量為55 kg/m3時(shí),混凝土性能最佳。