复合激发（共3篇）
复合激发 篇1
碱激发胶凝材料是由具有火山灰活性或潜在水硬性的原料与碱性激发剂反应形成的一类胶凝材料,它的发明扩展了水硬性矿物胶凝材料的范围。前苏联在这方面开展了大量研究,开发了碱矿渣水泥。与通用硅酸盐水泥相比,碱矿渣水泥具有强度高、水化热低、耐久性好等优点,但也存在凝结速度快、硬化干缩大等致命缺点,限制了其大范围推广应用。20世纪70年代,法国Davidovits以偏高岭土为主要原料,开发了新型碱激发偏高岭土胶凝材料,并将其命名为地质聚合物(geopolymer)。地质聚合物具有许多比硅酸盐水泥优异的性能,在建筑、化工、废物处理等方面显示出良好的应用前景。由于偏高岭土价格较高,近年来采用各种工业废渣部分或全部取代偏高岭土来制备绿色环保的碱激发复合胶凝材料成为国内外研究的热点[1]。
白云石或方解石是地球上储量巨大且相对便宜的天然矿物,除被广泛用作混凝土集料外,不同细度的碳酸盐矿物粉体还可用于其他工业作惰性填料。近年来的研究结果显示,碳酸盐矿物可以在常温下与水玻璃直接发生反应生成具有一定强度的胶凝产物[2],也可以在地质聚合物中参与反应,促进地质聚合物的强度发展和提高[3-4]。赵三银、余其俊等通过对矿渣进行预处理[5]、采用缓凝剂氯化钡或硝酸钡[6],解决碱激发碳酸盐-矿渣复合胶凝材料因矿渣的掺入所引起的快凝问题,但这两种方法工艺都相对较复杂,工期较长,不利于工程现场施工作业。他们也曾经研究过无机矿粉对碱激发碳酸盐胶凝材料性能的影响,结果发现,复合掺加矿渣、粉煤灰和偏高岭土后,碱激发碳酸盐胶凝材料的强度和抗渗性能得到了大幅度的提高[7]。本研究以白云石粉为主要原料,矿渣、粉煤灰和偏高岭土为辅助原料,进一步较系统地研究了各种因素对复合胶凝材料流动度、凝结时间和力学强度的影响,通过调整水玻璃溶液参数,发挥各组分的协同效应,制备出工艺简单、性能较好的碱激发碳酸盐复合胶凝材料,不仅可作为普通建筑材料使用,还可用于注浆回填[8]、固化有害废物[9]等特殊场合。
1 试验部分
1.1 试验原料
白云石粉(DM,D50为8.974μm),赣明矿业有限公司;粉煤灰(FA,Ⅱ级,细度13.6%),华电苇湖梁发电有限公司;矿渣(BFS,S75级,比表面积为455m2·kg-1),天山金特矿粉有限公司;偏高岭土(MK,D50为12.908μm),奇明耐火材料有限公司;水玻璃(模数2.8,固含量30.4%),使用时进行改性。固体粉料化学组成见表1。
%
1.2 样品制备
采用L25(56)正交设计表进行试验,其中6个因素分别为水玻璃的模数(A)、固含量(B),液固比(C),矿渣(D)、粉煤灰(E)和偏高岭土(F)在固体粉料中的质量分数。A因素的5个水平分别为1.2、1.4、1.6、1.8、2.0,B因素的5个水平分别是0.30、0.35、0.40、0.45、0.50,C因素的5个水平分别为0.60、0.70、0.80、0.90、1.00,D因素和F因素的5个水平分别均为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30,E因素的5 个水平分别为0、0.05、0.10、0.15、0.20。按照上述设计的配合比称取所需的固体粉料和改性水玻璃溶液,先将水玻璃溶液倒入行星式水泥胶砂搅拌机的搅拌锅中,慢速搅拌,然后再将混合均匀的固体粉料分批加入,加料时间控制在10秒钟内,加料完毕后,快速搅拌3~5min,即制备得到碱激发碳酸盐复合胶凝材料。
1.3 测试方法
流动度按照GB/T 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行;凝结时间按照GB/T 1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中的终凝时间测定方法进行;力学强度按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行;绝热温升按照图1进行测试。水化产物XRD分析采用TD-3500型铜靶X射线衍射仪,SEM分析采用HI-ROX SH-3000型扫描电子显微镜。
[1—保温桶;2—温度传感器;3—保温瓶;4—浆体;5—保温棉]
2 结果和讨论
2.1 流动度、凝结时间和力学强度
对碱激发碳酸盐复合胶凝材料的测试结果如表2 所示。正交试验的分析结果如表3所示。从表中可以看出:(1)在6个因素中,对流动度影响显著的依次是固含量、液固比和偏高岭土,随着固含量的增大和液固比的减小,体系的黏度增加,流动度变小,由于偏高岭土是脱水产物、比表面积大,掺量过大会在一定程度上降低体系流动性;(2)对凝结时间影响显著的因素是固含量和液固比,在3种矿粉中矿渣对凝结时间的影响最大,但变化趋势却和文献[7]相反;(3)随着龄期的不同,对抗折强度影响显著的因素有所变化,3d时依次是液固比、模数和偏高岭土,7d时依次是模数、偏高岭土、液固比和固含量,28d时是模数,在3种矿粉中偏高岭土对所有龄期抗折强度的影响最大;(4)随着龄期的不同,对抗压强度影响显著的因素也有所变化,3d时依次是液固比、偏高岭土、模数、矿渣和固含量,7d时依次是液固比、固含量和偏高岭土,28d时是液固比,在3种矿粉中偏高岭土对3d、7d抗压强度影响最大,矿渣对28d抗压强度影响最大;(5)在25组试验中,#18试样的试验结果最为优异,具有较好的流动性、凝结时间和抗折强度,3d抗压强度可达到37.9MPa,28d抗压强度接近于60MPa。
注:“*”表示“显著”,“O”表示不显著
2.2 绝热温升
#18试样的绝热温升曲线如图2 所示。从图中可以看出,碱激发碳酸盐复合胶凝材料的绝热温升曲线和32.5R级复合硅酸盐水泥的绝热温升曲线(水胶比为0.3)相比明显平缓,达到温峰的时间大概在2d左右,绝热温升仅为31.8℃,明显比32.5R级复合硅酸盐水泥的绝热温升低得多,而32.5R级复合硅酸盐水泥达到温峰的时间大概在1d左右,绝热温升达到69.4℃。考虑到碱激发碳酸盐复合胶凝材料的综合优异性能,在某些方面,使用碱激发碳酸盐复合胶凝材料要比通用硅酸盐水泥更有优势。
2.3 XRD分析
18#试样经过7d、28d龄期后的XRD谱图如图3 所示,为了比较,白云石粉的XRD谱图也示于图中。从图中可以看出,#18样品和白云石粉的主要结晶相都是白云石和方解石。和白云石粉的谱图相比,18#试样中白云石和方解石的特征衍射峰明显变弱,说明其已发生了反应[8]。除此之外,18#试样的谱图中还有微弱的水化硅酸钙(C-S-H)的衍射峰出现,赵三银等的研究认为,碱激发碳酸盐复合胶凝材料的反应产物与C-S-H(I)凝胶类似[9-10]。
2.4 SEM分析
#18试样经过7d、28d龄期后的SEM图片如图4所示。从图中可以看出,7d时试样结构较为疏松,表面凸凹、孔洞较多,白云石颗粒被凝胶基体机械地包裹着,随着龄期的增加,到28d时试样结构变得比较致密,表面较为平滑,没有明显的内在裂纹或较大的孔洞,白云石颗粒与凝胶基体的界面逐渐模糊,表明白云石发生了反应,与凝胶基体很好地结合在了一起。一般认为,白云石中溶出的Ca、Mg离子与凝胶基体结合,能够减少基体不同尺度的孔隙率,增强基体本身的强度[4]。由于掺入的粉煤灰含量较少,试样中没发现可见的球形粉煤灰颗粒,说明掺入的粉煤灰已全部参加反应。这些现象从另外一方面显示,虽然主要原料为活性很低的白云石粉,但碱激发碳酸盐复合胶凝材料是可能具有较高的强度的。
[a、b为7d;c、d为28d]
3 结论
(1)以白云石粉为主要原料,矿渣、粉煤灰和偏高岭土为辅助原料,改性水玻璃为激发剂,制备出流动性较好、凝结时间适宜、力学强度较高、绝热温升较低的碱激发碳酸盐复合胶凝材料,各组分发挥了协同效应,白云石粉参与了反应,并与凝胶基体较好地结合在一起。
(2)在3种辅助原料中,偏高岭土是影响流动度的显著因素,矿渣对凝结时间的影响最大,偏高岭土显著影响着所有龄期的抗折强度和3d、7d的抗压强度,而矿渣显著影响着28d的抗压强度。
(3)和混合水泥相比,碱激发碳酸盐复合胶凝材料的早期强度和绝热温升都存在明显优势,有望将来作为工程材料使用,但耐久性需要进一步研究。
复合激发 篇2
钢渣是炼钢时生成的副产物, 为钢产量的15%~20%[1]。废弃的钢渣不仅占用土地, 对渣场周围环境造成严重污染, 同时还造成资源的浪费。研究表明, 钢渣含有C3S, C2S等多种活性矿物, 当粉磨到一定细度并附以激发剂能起到水硬性胶凝材料的作用[2,3,4,5]。试验研究了几种常用化学剂对钢渣复合胶凝材料的激发效果, 为钢渣复合胶凝材料的推广应用提供参考。
2 原材料及试验方法
2.1 原材料
硅酸盐水泥熟料由陕西冀东水泥股份有限公司提供, 硅酸盐水泥熟料强度等级为32.5;钢渣由陕西龙门钢铁股份有限公司提供, 化学成分如表1所示;将钢渣粉磨至比表面积为475kg/m2, 检测指标如表2所示;矿渣粉由西安德龙粉体材料有限公司提供, 为S95级, 密度为2.86g/m3, 比表面积为448kg/m2;石膏为市售工业石膏;激发剂水玻璃、硫酸钠、氢氧化钠、氧化钙为市售分析纯化学试剂。共选用两种高效减水剂, 其中西卡聚羧酸减水率25%, 固含量9%, 格瑞林聚羧酸减水率25%, 固含量29%。
(wt./%)
2.2 试验方法
按照水泥熟料:钢渣粉:矿粉:硅灰:石膏为7:8:3:1:1的比例配制钢渣复合胶凝材料, 在已有单体激发剂的研究基础上, 确定单体激发剂水玻璃、硫酸钠、氢氧化钠、生石灰的水平掺量, 进行激发剂正交试验, 优选最佳复合激发剂。其中, 钢渣复合胶凝材料性能试验方法参考《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》 (GB/T 1346-2011) , 胶砂强度试验方法参考《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》 (GB/T 17671-1999) , 与外加剂适应性试验方法参考《混凝土外加剂匀质性试验方法》 (GB/T8077-2012) 。所选因素及水平见表3, 正交试验安排见表4。
(%)
3 结果与讨论
3.1 正交试验结果分析
正交实验结果如表5、表6所示。从抗压与抗折两个方面来考虑, 4种单体激发剂所表现出来的效果相差较大。氧化钙对抗压作用强, 但对于抗折较弱, 其次氢氧化钠, 硫酸钠与水玻璃在两方面的激发效果略有不同。A因素对于抗压最优是2水平, 对于抗折最优是1水平, 但二者影响效果相差较小, 且抗压是主要性能, 所以对于A因素最优是2水平。D因素1水平最佳。B因素对抗压影响更大, 对于抗折影响较小, 所以对于B因素最优是1水平。C因素是2水平最优。综合考虑最优方案是:A2D1B1C2。
3.2 复合胶凝材料的物理性能
实验中称取已配制好的钢渣复合水泥500g, 选择正交试验中效果最好的复合激发剂 (A2D1B1C2) , 复合激发剂的掺量为13.5%。按照标准规定进行实验操作, 其中水灰比为0.29。实验结果如表7所示。
从表7可以看出, 复合激发剂对钢渣复合胶凝材料的标准稠度需水量影响不大, 但初凝和终凝时间过快。这是因为复合激发剂中水玻璃的比例较大, 而水玻璃除了激发作用外, 自身也可以发生快速的凝结硬化, 从而导致复合胶凝体系的凝结时间很短。激发剂对复合胶凝体系的体积安定性没有影响。
3.3 复合胶凝材料的力学性能
用复合激发剂激发钢渣复合胶凝材料测试其胶砂强度, 试验结果如1、图2所示。
从图1可以看出, 钢渣复合胶凝材料抗压强度的总体发展趋势相同, 从3d到7d, 抗压强度增加较为缓慢, 7d之后抗压强度迅速增加, 但复合激发剂的激发效果不明显, 除3d的强度略高于未加激发剂的胶砂强度外, 在后期都小于未加激发剂的强度。分析认为, 由于复合后水玻璃所占的比例太高, 使得复合激发剂对钢渣复合水泥不适应, 在试验中出现了比较严重的快凝现象, 无法振捣密实, 胶砂试件中存在大量的气孔, 从而导致强度未能有效得到激发而发挥效果。图2的抗折强度试验结果呈现类似趋势。对于本试验获得的复合激发剂, 其激发作用需要进一步验证。
3.4 复合胶凝材料外加剂适应性
复合胶凝材料与外加剂适应性检测结果如表8所示。
从试验结果看, 在激发剂与外加剂添加时间相差20s时, 钢渣复合胶凝材料净浆初始流动度很大, 但其经时损失也较大, 90min损失100mm。在相差40s、60s时, 钢渣复合胶凝材料净浆初始流动度与经时损失均相对较小。钢渣复合胶凝材料与两种外加剂的适应性均较差, 主要表现在经时损失太大, 同时外加剂的缓释作用也未展现。
4 结论
⑴从正交试验结果来看, 4种单体激发剂对钢渣复合胶凝材料激发效果有较大差异。综合抗压与抗折等强度指标, 最优方案是A2D1B1C2。
⑵复合激发剂对钢渣复合胶凝材料的标准稠度和安定性影响很小, 主要影响其凝结时间, 其中初凝时间和终凝时间均过快。
⑶复合激发剂对钢渣复合胶凝材料的抗压与抗折强度的表现出类似的影响规律, 激发效果一般, 抗折强度好于抗压强度。
⑷钢渣复合胶凝材料与选用的2种外加剂的适应性均较差, 主要表现在经时损失大, 同时外加剂的缓释作用也未展现。通过激发剂与外加剂加入时间的调整, 钢渣复合胶凝材料与外加剂的适应性可以得到一定程度的改善。
摘要：钢渣是硅酸盐工业固体废弃物, 应用其制备胶凝材料是其高附加值利用途径之一。本试验在研究单体激发剂的基础上制备复合激发剂, 测试了复合激发剂激发钢渣复合胶凝材料的各项性能。试验结果表明:复合激发剂对钢渣复合胶凝材料的凝结时间影响大, 促进了复合胶凝材料抗折强度增长;激发制备的复合胶凝材料与外加剂适应性较差。
关键词：钢渣,复合胶凝材料,激发剂,性能
参考文献
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复合激发 篇3
1 原材料
水泥:本试验用的水泥为P.O32.5普通水泥, 化学成分见表1, 物理性能见表2。磷渣粉:取自贵阳国华天成磷业有限公司生产, 灰白色粉末, 密度2.65 g/cm3, 比表面积为400 m2/kg, 化学成分分见见表表33。。粉粉煤煤灰灰::取取自自贵贵阳阳发发电电厂厂, , ⅡⅡ级级粉粉煤煤灰灰, , 基基本本性性能能符符合合Ⅱ级粉煤灰标准规定。复合外加剂:自配。砂:外购, 细度模数2.4, 粒径小于2.5 mm, 中砂, 级配为Ⅱ区, 含水率小于0.5%, 含泥量小于3.0%。
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2 实验方法
本试验砂浆配合比参照JGJ 98-2000砌筑砂浆配合比设计规程执行, 本试验方法主要以JGJ/T 70-2009建筑砂浆基本性能试验方法标准、GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检测方法和GB/T25181-2010预拌砂浆标准为依据。
3 实验结果与分析
激发剂种类及掺量对砂浆性能的影响。综合考虑磷渣粉的掺量对干混砂浆的和易性、强度和凝结时间的影响, 磷渣粉按70%等量取代水泥掺入砂浆, 激发剂分别选用硫酸钠、消石灰粉、电石渣、磷石膏、脱硫石膏[5,6], 其掺量分别按外掺胶凝材料质量百分数计, 外掺1%的高效减水剂, 实验结果见表4。
从表4可得出如下结果:
1) 掺入电石渣、消石灰粉作激发剂时, 因需水量增大, 水灰比增加, 随掺量增大, 强度降低越多, 因此最佳掺量为5%。
2) 掺入磷石膏时, 需水量稍有增加, 强度也有所降低, 但随掺量增大, 强度提高, 需水量基本不变, 分层度增大, 保水性变差, 所以最佳掺量为3%。
3) 掺入脱硫石膏时, 随掺量增大, 强度逐渐增加, 但需水量增大, 分层度增加, 保水性变差, 因而其最佳掺量为3%。
综合考虑激发剂对砂浆各项性能的影响, 将确定了掺量的不同品种激发剂及几种复合激发剂作28 d抗压强度和凝结时间的比较, 其中磷渣粉掺量保持70%不变, 试验结果见表5。
从表5可得出, 掺入激发剂为胶凝材料用量的0.5%硫酸钠、3%脱硫石膏与5%消石灰粉时, 砂浆凝结时间小于9 h达到标准要求[7], 因此, 综合考虑砂浆的性能及经济性, 确定掺0.5%硫酸钠时, 掺脱硫石膏3%和消石灰粉5%为最佳配比。
4 激发机理研究
为了解磷渣粉干混砂浆中激发剂的作用机理, 选取未掺激发剂与掺激发剂的磷渣粉砂浆水化28 d的试样进行XRD分析, 结果见图1, 图2。
由图1, 图2可见, 无激发剂的磷渣粉砂浆水化后主要含有Si O2, Ca2Si O4·H2O, AFt, Mg Al2O4, Mg Al2Si2O6 (OH) 4, 掺激发剂后的磷渣粉砂浆水化后主要含有Si O2, Ca2Si O4·H2O, AFt, Mg Al2Si2O6 (OH) 4, 但是这些矿物衍射强度不一, 含量不一样, 这是因为磷渣粉掺合料加入砂浆中, 取代一部分水泥作胶结料, 其水化过程为:砂浆加水后, 水泥熟料矿物发生水化反应, 生成的水化产物之一氢氧化钙和加入的消石灰粉则为磷渣的碱性激发剂, 使玻璃体中的Ca2+, [Al O4]5-, Al3+, [Si O4]4-进入溶液, 生成新的水化物, 即水化硅酸盐和水化铝酸盐等。同时加入的硫酸盐激发剂, 对熟料水化有促进作用, 早强、高强矿物也在含硫酸盐的溶液中迅速发生水化反应生成钙矾石, 即水化硫铝 (铁) 酸钙、水化硅铝酸钙C2ASH8等。硫酸盐对磷渣活性的激发机理主要是SO42-在Ca2+作用下, 与夹杂在磷渣颗粒表面的凝胶及溶解于液相中的Al O2-反应生成水化硫铝酸钙AFt, 反应式为:
部分水化铝酸钙也可与石膏反应生成AFt。
AFt磷渣颗粒表面形成纤维状或网络状包裹层, 其紧密度要小于水化硅酸钙层, 有利于Ca2+扩散到磷渣颗粒内部, 与内部活性Si O2, Al2O3反应, 生成大量的水化产物, 因而, Ca2Si O4·H2O峰特别明显。同时由于掺合料中活性成分溶解与Ca (OH) 2反应生成了新的水化产物, 因此, 图谱中均未见Ca (OH) 2特征峰, 磷渣掺量越大, Ca (OH) 2量越低。图谱上, 无二水石膏的特征峰, 说明二水石膏参与了生成钙矾石的反应, Ca CO3在图谱中较明显, 是由于原料中带进来的杂质, 因为两个图谱相比, 掺激发剂后其特征峰降低;从表5的数据可知, 砂浆中未掺激发剂的磷渣粉砂浆凝结时间较长, 磷渣粉等量取代水泥70%时, 凝结时间为15 h, 掺复合激发剂后, 砂浆凝结时间为6 h 36 min。而从图谱中可看出Ca2Si O4·H2O的衍射峰强度明显增强, 这表明掺激发剂后其含量增加, 该水化产物增多, 说明激发剂有效地改善了浆体的微观结构和孔结构, 凝结时间缩短, 与实验数据相符。
5 结语
掺加一定量的硫酸钠、脱硫石膏与消石灰粉复合外加剂对胶凝体系活性的改进效果明显, 能明显提高砂浆抗压强度, 缩短凝结时间。通过XRD微观分析表明:复合外加剂对磷渣粉起到了有效的激发作用, 改善了浆体内部结构, 胶凝体系水化产物增多, 孔隙率降低, 磷渣粉大掺量掺入砂浆, 大幅度降低了水泥用量, 即提高了磷渣的资源化利用率。
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