工业废渣粉

工业废渣粉（共7篇）

工业废渣粉 篇1

节约水泥用量和利用工业废渣作为水泥和混凝土掺合料的资源化一直都是世界性的研究热点。作为工业废渣粉主要成分的矿粉和粉煤灰主要由氧化硅和氧化铝组成,具有潜在的水化活性。但由于矿粉和粉煤灰的硅氧和铝氧三维空间———网络结构玻璃体中的硅氧键和铝氧键比较牢固,当粉煤灰单独与水拌和时,水化反应极慢,水化产物数量较少,得不到足够的胶凝性能,影响了大掺量工业废渣粉混凝土的强度。要提高大掺量工业废渣粉混凝土的性能,就必须通过激发剂破坏玻璃体表面光滑致密、牢固的Si—O—Si、Al—O—Al和Si—O—Al网络结构[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

发达国家工业废渣的利用率达到70%以上,而我国的利用率低于40%。国外应用工业废渣激发剂已有几十年的发展历史,国内起步较晚而且应用效果不理想。

目前,国内市场上的激发剂产品大都采用无机材料或者无机与有机材料通过简单复配而成,存在掺量大、成本高、稳定性低、激发效果和适应性差的问题[11,12]。

为此,本文研制了一种能有效地激发工业废渣粉活性的混凝土用大掺量工业废渣粉增效剂,从而实现在保证混凝土性能的前提下,可以用工业废渣粉代替80%的水泥,早期强度明显提高,且制法简单合理,易于生产,配制的混凝土抗压强度高、耐久性能好。

1 实 验

1.1 原材料

甲基烯丙基聚氧乙烯醚(HPEG):辽宁奥克化学股份有限公司;甲基丙烯酸(MAA):工业级,山东开泰实业有限公司;烯丙基磺酸钠、过硫酸钾(K2S2O8):试剂级,天津市凯通化学试剂有限公司;亚硫酸氢钠(Na HSO3):试剂级,天津光复化学试剂公司;巯基类链转移剂:试剂级,天津市科密欧化学试剂有限公司;三乙醇胺:分析纯,烟台市双双化工有限公司;二羟乙基乙二胺:分析纯,苏州联胜化学有限公司;硫氰酸钠、硫氰酸镁:分析纯,淄博市博山双田化工制造有限公司;糖蜜:青州宏盛科技。

山铝牌P·O42.5水泥;临朐中砂,细度模数为2.6~3.0,含泥量<2.0%;边河碎石,5~25 mm连续级配,含泥量<1.0%;莱芜电厂Ⅱ级粉煤灰;张店钢铁厂矿粉,S95级。

1.2 试验仪器

恒温水浴锅:HH-S1,金坛市晶玻试验仪器厂;数显电动搅拌器:JJ-1A,常州普天仪器制造有限公司;旋转黏度计:NDJ1,上海安德仪器设备有限公司;电热鼓风干燥箱:龙口市电炉总厂;水泥净浆搅拌机:NJ-160A,无锡建仪仪器机械有限公司;混凝土试验用强制式搅拌机:HJW60型,无锡建仪仪器机械有限公司;微机控制压力试验机:WHY-2000,上海华龙测试仪器有限公司。

1.3 分散激发组分的制备

向四口烧瓶中加入一定量的HPEG大单体和去离子水, 升温至40 ℃后,加入一定量的SAS和Na HSO3,搅拌10 min。开始向烧瓶内滴加共聚单体溶液A和引发剂溶液B。A料由MAA、链转移剂和一定量水配成,3.0 h加完;B料由K2S2O8和一定量的水配成,3.5 h加完。B料加完后,保温1.0 h,降温,加碱调节p H值至7~8,得到固含量为40%的产品,作为聚羧酸增效剂的分散激发组分,待用。

1.4 聚羧酸增效剂的制备

将一定量的水、硫氰酸钠、硫氰酸镁和糖蜜按顺序加入四口反应瓶中,搅拌10 min,使其完全溶解;再向烧瓶中依次加入分散激发组分、三乙醇胺、二羟乙基乙二胺,搅拌至其混合均匀,即得固含量为20%的聚羧酸增效剂产品。

1.5 混凝土性能测试方法

按GB 8076—2008《混凝土外加剂》和GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期耐久性能试验方法》对混凝土的强度和耐久性进行测试。基准混凝土配合比为:m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)∶ m(水)=330∶760∶1120∶210,大掺量工业废渣粉混凝土中聚羧酸增效剂添加量为胶凝材料用量的3%~5%,用水量以达到混凝土初始坍落度为(80±10)mm时为准。相对耐久性(200次)测试时,将28 d龄期的受检混凝土试件快速冻融循环200次后, 测试动弹性模量保留值。

2 结果与讨论

2.1 聚羧酸盐减水剂中原料配合比的确定

在混凝土用大掺量工业废渣粉增效剂成分中,聚羧酸盐减水剂作为分散激发组分起到主要的作用。增效剂必须能破坏工业废渣粉玻璃体表面光滑致密、牢固的Si—O—Si、Al—O—Al和Si—O—Al网络结构,还要具有一定的吸附分散能力。

研究了HPEG、MAA与SAS最佳摩尔比对大掺量工业废渣粉混凝土性能的影响。根据前期试验探索,选择HPEG、MAA和SAS的摩尔比分别为1∶3∶1、1∶4∶1、1∶5∶1、1∶3∶0.5,研究了4种配合比条件下,大掺量工业废渣粉混凝土的抗压强度及相对耐久性,试验结果见表1。其它试验条件完全相同,试验所用的增效剂用量为胶凝材料的3.5%,大掺量工业废渣粉混凝土配合比为:m(水泥)∶m(矿粉)∶m(粉煤灰)∶m(砂)∶m(石子)=70∶155∶ 105∶760∶1120,用水量以达到基准混凝土初始坍落度(80±10) mm为准。

由表1可见,当聚羧酸盐减水剂中n(HPEG)∶n(MAA)∶ n(SAS)=1∶4∶1时,制得的聚羧酸增效剂在大掺量工业废渣粉混凝土中的应用效果最好,此时,混凝土早期强度较高,状态较好,不离析、不泌水,28 d抗压强度比为115%,动弹性模量保留值(200次)达97%。

2.2 聚羧酸增效剂掺量对混凝土性能的影响(见表2)

从表2可以看出,随着聚羧酸增效剂掺量的增加,混凝土的3 d、7 d及28 d抗压强度比提高,当掺量为3.5%时,混凝土3 d抗压强度比为102%,继续增加聚羧酸增效剂的掺量,抗压强度比变化不大,综合考虑混凝土成本及性能,选择聚羧酸增效剂的掺量为3.5%。试验中发现,当聚羧酸增效剂掺量达到5.0%时,混凝土出现泌水现象。聚羧酸增效剂掺量为3.5% 时,制得的混凝土和易性较好,不离析、不泌水,28 d抗压强度比达到112%。

2.3 工业废渣粉替代水泥的量

节约水泥用量和工业废渣资源化作为水泥和混凝土掺合料的资源化一直都是世界性的研究热点。用大量工业废渣粉替代水泥,可以得到低碳环保的混凝土,符合国家的发展战略。

研究了在自制聚羧酸增效剂的作用下,大掺量工业废渣粉混凝土中工业废渣粉对水泥的替代量对混凝土综合性能的影响,结果见表3。

由表3可见,在不掺加聚羧酸增效剂时,制得的大掺量工业废渣粉混凝土早期强度低,达不到施工要求。当工业废渣粉替代水泥量为80%时,3 d抗压强度比只有26%,掺加聚羧酸增效剂的工业废渣混凝土,早期强度增长快,3 d抗压强度明显提高,28 d强度为基准混凝土的90%以上;掺加聚羧酸增效剂的工业废渣粉混凝土,在保证混凝土性能相同的情况下, 可以实现80%的水泥替代量。掺聚羧酸增效剂工业废渣粉混凝土比不掺聚羧酸增效剂工业废渣粉混凝土具有更高的抗压强度比和更好的耐久性。

3 结 语

制备了一种可以用于大掺量工业废渣混凝土的聚羧酸增效剂。考察了分散激发组分中单体配比对混凝土抗压强度及相对耐久性的影响,并研究了在大掺量工业废渣粉混凝土中, 聚羧酸增效剂掺量及替代水泥量对混凝土性能的影响。

(1)在其它试验条件相同的条件下,当n(HPEG)∶n(MAA)∶ n(SAS)=1∶4∶1时,制备的聚羧酸增效剂在大掺量工业废渣粉混凝土中应用效果较好,当其掺量为胶凝材料质量的3.5% 时,制得的混凝土和易性较好,不离析、不泌水,28 d抗压强度比为115%,动弹性模量保留值(200次)达到97%。

(2)聚羧酸增效剂用于混凝土中,在保证其性能的前提下, 可以用工业废渣粉(例如粉煤灰和钢厂废渣等)代替80%的水泥;掺加聚羧酸增效剂可以大大提高混凝土的早期强度,并具有优异的相对耐久性。

(3)用工业废渣替代大量水泥后,能有效降低混凝土的成本,具有高的性价比及广阔的市场前景。

工业废渣粉 篇2

1 钢 渣

钢渣是钢铁生产过程中产生的固体渣体,由造渣材料、炼钢原料、脱落的炉体、金属炉料带入的杂质所组成。在生产中,每生产1 t钢铁,会排出15%~20%的钢渣。我国目前炼钢厂排出的钢渣总量超过2亿t,且每年仍以2 000多万t的数量增长,堆积占地达1万多亩,这些钢渣若不综合利用,会占用越来越多的土地,污染环境,造成资源的浪费。

近年研究发现钢渣具有和水泥相似的矿物组分,在水泥中可以作为混合材或铁质校正原料及矿化剂加以利用。

1.1 钢渣作为水泥混合材的应用

水泥中的硅酸盐矿物C3S和C2S是水泥强度的主要来源。在中碱度钢渣中,石灰相大部分化合,以硅酸二钙和硅酸三钙的形式存在;在高碱度钢渣中,石灰相主要又以硅酸三钙的形式存在。钢渣出炉时的冷却速度很慢,钢渣中的硅酸二钙在缓慢冷却过程中会由介稳态的β-C2S转变为稳态的γ-C2S,在慢冷过程中介稳态的C3S也会转变成稳态。这样的冷却方式和生产水泥时快速冷却有较大差异,水泥熟料出窑时需要快速冷却,快冷的水泥熟料中C3S和C2S是介稳态的,故具有很高的水化活性,而钢渣由于冷却速度很慢故活性很低,有研究表明钢渣在水化48 h放出的总热量仅为水泥的10.5%。在传统水泥生产中,将钢渣和水泥熟料共同入磨粉磨,因钢渣难磨,水泥细度达到国家标准要求时,水泥中钢渣的粒径在70 μm左右,粒度过粗,导致钢渣活性不能很好的发挥出来。如将钢渣粉磨到比表内面积400 m2/kg以上时,钢渣的活性会大大提高,研究表明此时钢渣在水泥中的掺入量可达到30%以上。

1.2 钢渣作为生料的原料和矿化剂

如硅酸盐熟料中的C3A和C4AF两种矿物含量多,硅酸盐矿物C3S和C2S含量少时,利用钢渣中FeO含量高的特点,可以用钢渣作为铁质校正原料,一般配入量在5%~7%。另外,利用钢渣具有与水泥熟料相似矿物组成的特点,在水泥生料中掺入钢渣还可以起到晶种的作用,改善水泥熟料的易烧性,缩短熟料烧成所需时间,达到降低熟料热耗,减少CO2排放量的目的。

2 铜 渣

铜渣是铜冶炼过程中,熔融态铜渣经水淬急冷成菱角状或玻璃体粒状渣。我国的粗铜产量约为60万t,每年排出约170万t左右的铜渣。铜渣主要通过三种途径对环境造成污染:一是较大颗粒堆放占用了大量土地;二是铜渣中10 μm以下的微细粉尘造成大气污染,毒害人类和动物;三是在堆放过程中有害物质渗入土壤、流入江河,造成水污染。

铜渣中各种有用的成份大都以亚稳态的玻璃体存在,具有一定的水化活性,目前认为铜渣在水泥生产中可以作为矿化剂和混合材使用。

一是作为水泥生产的混合材。铜渣中Al2O3、SiO2、CaO三组分,都是形成水泥熟料硅酸盐矿物所需的成分。研究表明以炼铜水淬渣为主要原料,掺入少量激发剂和其它材料细磨即可制成水泥,这种水泥与其它品种水泥相比,具有收缩率小、抗冻性能好、水化热低、耐腐蚀和耐磨损好等特点,且生产工艺简单,能耗低,因此铜渣作为混合材掺入水泥中,既可以提高水泥产量,还可以降低水泥生产成本,同时铜渣中的活性组分在激发剂的作用下在水泥水化后期还会发生水化反应提供强度,故水泥的后期强度得到改善,但由于水泥中熟料量较少,水泥等级低,主要用于制备低标号混凝土及空心小型砌块等环保墙体材料,或制备抹灰砂浆。

二是作为矿化剂。铜渣含有较高的SiO2、FeO和其他微量元素,由于FeO的熔点较Fe2O3低,FeO的存在可以降低最低共熔温度,使煅烧熟料时液相提前出现,同时降低液相粘度,使离子扩散阻力降低,增加了质点扩散速度,促进C3S的形成。

3 粒化高炉矿渣

在高炉炼铁过程中,除了使用原料和燃料外,为了降低冶炼温度,还需加入适量的白云石和石灰石作熔剂,铁矿石中的土质成分及焦炭中的灰分与溶剂在高炉内分解所得的CaO、MgO发生反应形成熔融物,经水淬急冷处理形成粒状颗粒物,称为粒化高炉矿渣。

据统计,每生产1 t生铁,大约要排出300~1 000 kg的矿渣。我国钢铁厂每年矿渣排放量高达6 000万t以上,这些矿渣的排放和堆积,侵占了土地,污染了环境。

粒化高炉矿渣含有大量的玻璃体,是一种具有很高潜在活性的材料。当矿渣细度较粗时,单独与水拌和几乎没有水化反应发生,水硬性能极弱。但有石灰、水泥熟料或石膏提供氢氧化钙溶液存在时,即可与水发生强烈的水化作用,生成水化产物,产生强度。

传统的水泥生产粉磨工艺是将熟料与矿渣混合粉磨,由于矿渣的易磨性较水泥熟料差,在水泥粉磨中,熟料磨到要求细度时,矿渣颗粒仍然较粗,潜在活性难以发挥,无法提高矿渣的掺量,传统的混合粉磨生产水泥的工艺,矿渣在水泥中的掺入量一般仅为20%~40%,远未达到矿渣硅酸盐水泥国家标准中矿渣最高掺入量为70%的上限。

随着粉磨装备和技术的提高,生产中采用矿渣与熟料分别粉磨的工艺,通过采用高细超细粉磨设备,将矿渣细度磨至400 m2/kg以上的细度,使矿渣颗粒内部晶格产生缺陷,晶体结构变得不规则,由于比表面积增大,表面能增加,矿渣粉与水反应速度加快,使水泥中矿渣微粉的掺加量可达65%~70%,减少熟料的使用量,降低了水泥的生产成本。

4 粉煤灰

粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后所得的粉状灰烬。根据不完全统计,我国粉煤灰的年排放量已经达到约300 Mt,累计堆存2 000 Mt左右。

4.1 代替粘土作为原料使用

粉煤灰主要由硅铝玻璃,微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒所组成,粉煤灰的成分与粘土相似,可以部分替代粘土配料生产水泥熟料。对于较差煤质或燃烧效果差的燃烧炉所产生的粉煤灰,因有机械不完全燃烧,烧失量较高,此时可利用残余可燃物发热量,用于生料配料中,掺入量约3%~5%,可降低熟料的热耗。

4.2 作为水泥的混合材

粉煤灰是一种密实的玻璃质球,粉煤灰中玻璃体含量约50%~80%,玻璃体是粉煤灰具有活性的主要组成部分,结构比较致密且稳定。通过控制不同掺量的粉煤灰,可生产粉煤灰水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。

5 磷石膏

磷石膏是硫酸分解磷矿萃取磷酸过程中的副产物,生产1 t磷酸,约产生5 t磷石膏。据统计,目前我国磷石膏累计堆存量已超过1亿t,每年的排放磷石膏在5 500万t左右,磷石膏不仅占用大量土地,而且容易造成大气和水等环境污染。水泥行业对磷石膏综合利用,既利于保护环境,又能节约自然资源,降低水泥生产成本,符合我国可持续发展战略要求。

磷石膏通过脱酸改性后可代替天然石膏在水泥中作为缓凝剂使用。磷石膏中由于P2O5含量高,作为水泥缓凝剂时,通常会出现水泥强度偏低、凝结时间缓慢等缺点,不能直接代替天然石膏,但经过脱酸改性处理后的磷石膏在水泥中能有效调节水泥凝结时间,且价格低、使用方便。如果改性后的磷石膏掺加量控制合理,水泥的强度还优于天然石膏。

磷石膏替代天然石膏进入建材行业,可以有效扭转天然石膏无序开采和长途运输的现状,保护生态资源,为石膏产业调整结构、增加效益提供了机遇。

6 脱硫石膏

含硫煤燃烧后产生的烟气中含有大量的SO2,用CaCO3对烟气中的SO2进行脱硫处理生成的工业副产品即为脱硫石膏。近年我国要求对火力发电企业产生的二氧化硫排放进行强化控制,近年燃煤电厂对烟气进行脱硫处理产业发展迅速,到2010年底,我国90%以上的火力发电企业采用湿法脱硫工艺处理烟气,我国每年需要处理的脱硫石膏达1 000万t以上。

我们曾对脱硫石膏代替天然石膏作水泥缓凝剂进行过研究,结果表明,脱硫石膏与天然石膏相似,能正常调节水泥凝结时间,掺入2%~5%的脱硫石膏,生产的水泥凝结时间、水泥强度、安定性等指标均达到国家有关标准,且脱硫石膏掺入水泥后可以在一定程度上改善水泥的性能。脱硫石膏用作水泥缓凝剂既利用了工业废渣,变废为宝,又降低了生产成本。脱硫石膏用于水泥生产是其处理利用的有效方式和适宜途径,具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]陈连发,高新雨.粉煤灰硅酸盐水泥的研制[J].吉林化工学院学报,2011(9):5-7.

[2]张毅,王小鹏.大掺量工业废石膏制备石膏基胶凝材料的性能研究[J].硅酸盐通报,2011(4):367-370.

[3]磷石膏在硅酸盐水泥生产中的应用[J].化工矿物与加工,2011(4):8.

[4]周惠群,杨晓杰.脱硫石膏代替天然石膏作水泥缓凝剂的研究[J].昆明冶金高等专科学校学报,2010(1):1-4.

浅析各种工业废渣筑路性能 篇3

1 粉煤灰的筑路性能

1.1 粉煤灰的材料特性

粉煤灰属于CaO,Al2O3-SiO2系统,其化学成分以Al2O3和SiO2为主;次要成分为CaO和Fe2O3以及少量的MgO和SO3等。由于煤粉高温燃烧,其中主要成分铝、硅形成了活性成分,同时粉煤灰的比表面积较大,具有很大的表面能,且粉煤灰的密度小。

1.2 粉煤灰筑路特点

1)减少用水量:经实验,用30%的粉煤灰代替20%的水泥,搅拌混凝土时用水量可减少7%左右,而且增强了混凝土的密实性。2)改善了混凝土拌合物的和易性。粉煤灰改善混凝土拌合物和易性的效果也较显著,对于贫混凝土和细集料用量不足的混凝土特别有效。3)增强混凝土的可泵性,对于掺加粉煤灰的泵送混凝土来说,除了因改善和易性而提高了易泵性之外,同时由于泌水性和离析现象改善,以及粉煤灰本身的球形玻璃体效应,可以得到更好的减阻效果。4)减少了混凝土的徐变:混凝土的徐变对工程施工是不利的,经实验研究粉煤灰混凝土和基准混凝土的对比,前期接近,而徐变值后期明显较小,经加荷确定约减少50%。5)减少水化热、热能膨胀性:混凝土中水泥水化反应要放出热量,在大体积路面施工中会出现中心与边缘温差而产生应力,导致裂缝。由于粉煤灰的掺加有利于减少在混凝土内部水化热产生的升温,所以减少了混凝土热膨胀出现裂缝的危险。6)提高混凝土抗渗能力:由于混凝土能减少用水量和降低水灰比,并且在和水泥水化过程中析出氢氧化钙生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶,使水泥石中毛细孔的数量减少,孔径变小,增加了对液体和气体渗透与扩张作用的抵抗力,即抗渗力。7)粉煤灰是一种质轻、多孔隙、颗粒均匀,并具有一定水稳定性的无粘结性材料,粉煤灰填筑路堤有很好的击实性、动力特性、水稳性和冻稳性。

2 电石渣的筑路性能

2.1 电石渣的性质

电石渣是化工厂用电石法生产聚氯乙烯(俗称PVC)时生成的副产品。按生产经验,每生产1 t PVC产品耗用电石1.5 t～1.6 t,每1 t电石产生1.2 t电石渣(干基),如果按电石渣含水量的60%计,每生产1 t PVC产品,排出电石渣浆约5 t～6 t。电石渣外观呈灰白色,有刺鼻异味。特别是电石渣具有较强的保水性,即使是长期堆放的陈渣,其含水量也高达40%以上。电石渣的高含水率使松堆密度随含水量的不同有较大变化,一般而言,电石渣的干密度比消石灰的干密度稍大。

2.2 电石渣的路用特点

在公路工程建设中综合利用电石渣,尽管附加值不高,但其具有技术简单、利用量大的特点,具有重要的意义。根据电石渣钙、镁含量指标已接近Ⅰ级石灰的钙、镁含量指标,其他性质也与石灰的性质有相同的特点,在公路工程中应用完全可行,我国交通部颁发的行业标准JTJ 034-93公路路面基层施工技术规范规定,有效钙含量在20%以上的等外石灰、贝壳石灰、珊瑚石灰、电石渣的应用,通过试验,只要混合料的强度符合标准,就可应用。

综合研究结果,电石渣在公路工程建设中完全可以代替石灰,但应用范围主要包括电石渣稳定土、电石渣二灰稳定土,可用做各等级公路的底基层,以及用于二级和二级以下较低等级公路的路面基层。用电石灰和粉煤灰稳定的级配碎石,甚至可能用于高等级公路的路面基层,在电石渣稳定土中加入一定数量的工业废渣,如粉煤灰、煤渣、高炉矿渣、钢渣、冶金矿渣、煤矸石等,其路用性能更佳,不仅具有良好的力学性能,板体性、水稳性和抗冻性、收缩性等也都得到改善,此外,电石渣还可用于桩基、土基加固等。

3 煤矸石的筑路性能

3.1 煤矸石简介

煤矸石是与煤伴生或共生的一种坚硬岩石,经过煤炭开采和洗选加工排出的固体废弃物。据统计,我国煤矸石产量约为原煤产量的15%～20%,目前全国历年煤矸石积存量已达16亿t以上,占地1.3万ha。然而随着煤炭生产量的扩大,每年煤矸石又以排放量1.5亿t的速度增长。煤矸石中含有大量的硅(SiO2),铝(Al2O3),钙(CaO),镁(MgO)等氧化物和碳,其活性物含量一般在60%以上,有害物质如SO3等含量很小。

3.2 煤矸石路用性能

1)煤矸石可以做基层材料使用,其混合料具有优良的工程性质。特别是将煤矸石与粉煤灰混合使用,在冻稳性和抗收缩防裂性能上,还明显优于常用的基层材料。2)掺有煤矸石的基层材料具有良好的抗压强度和抗弯拉强度。无论是用石灰、水泥单独对煤矸石进行稳定处理,还是利用石灰、粉煤灰对煤矸石进行综合加固,大多都可以满足多种等级道路基层的强度要求。3)道路基层对煤矸石的利用量大,是废物利用改善环境的有效途径。初步估算修筑一条12 m宽的二级公路,当基层厚度为25 cm时,1 kg煤矸石用量达5 600 t～7 800 t之多,可见对工业废渣的处理是十分可观的,而且道路基层利用的煤矸石的成本仅为常用材料的1/3,它的经济效益和社会效益是显著的。

4 水泥锶渣筑路性能概况

天青石是生产碳酸锶的矿石原料,碳酸锶通过天青石与优质煤混合破碎后,经过高温煅烧、浸取、碳化等一系列工艺提炼得到,生产过程中产生大量锶盐废渣(以下简称“锶渣”)。我国天青石探明储量居世界第一,据不完全统计,目前全国锶渣累计数量已达4 000多万吨,由于得不到合理利用,锶渣长期堆置,占用大量土地,污染周边环境。现阶段水泥锶渣主要用于农村公路的基层施工中。从目前应用情况看,水泥锶渣碎石混合料的前期水稳定性较差,所以在施工初期要注意基层的防水排水工作。水泥锶渣稳定碎石混合料的最大温缩应变和平均温缩系数差不多比常见的半刚性材料要小一个数量级,说明水泥锶渣稳定碎石基层抗温缩性能特别好,对于西部寒冷地区的工程应用具有现实意义。

摘要：指出工业废渣用于道路的铺筑既可以改进道路的路用性能,又可减少环境污染,具有重大的经济效益、社会效益和环境效益,文章主要分析了粉煤灰、电石渣、煤矸石、水泥锶渣等工业废渣的筑路性能及特点,以促进工业废渣在道路工程中的应用。

关键词：粉煤灰,电石渣,煤矸石,锶渣

参考文献

[1]GBJ 146-90,粉煤灰混凝土应用技术规范[S].

[2]陈平.煤矸石做道路基层材料的应用分析[J].山西建筑,2008,34(8):7-14.

[3]马占旺,郝航程.石灰粉煤灰稳定煤矸石——环保基层材料的应用[J].露天采矿技术,2004(7):21-23.

利用工业废渣制备碱激发水泥 篇4

硅酸盐水泥是一种高污染、高能耗及消耗大量资源的胶凝材料。据国家统计局数据显示, 2009年我国生产了16.3亿t水泥, 其中熟料就有约11亿t。而每生产1t熟料所排放的CO2总量约为1t, CO2是导致地球温室效应的主要原因。此外, 水泥生产过程还排出大量有害气体。仅从环保角度考虑, 制备碱激发水泥能耗低并且不排出有害气体, 大力推广新型胶凝材料的发展势在必行。加之, 我国大量工业废渣堆积, 占用土地, 对环境造成污染, 因此, 利用工业废渣制备碱激发水泥是提高工业废渣利用率和解决工业废渣堆积的有效途径之一。

碱激发水泥不同于传统硅酸盐水泥, 生产过程不会造成环境污染, 表现出水化热低、收缩小、抗渗耐冻、耐腐蚀、耐高温、耐水热等优良性能。矿渣和偏高岭土作为碱激发水泥或硅酸盐水泥原料已比较普遍, 但是资源有限, 而且硅酸盐水泥是一种高污染、高能耗的胶凝材料, 因此必须大力开发新型胶凝材料技术。

油页岩是一种重要的能源矿产, 它可用于提炼页岩油、直接用作燃料燃烧、发电等。仅仅在广东茂名地区的油页岩储量就有约67吨[1]。由于长时间的开发, 且油页岩燃烧产生大量灰渣, 茂名地区形成了两个巨大的废渣堆放场, 其废渣总量高达214×108t[3]。此外, 废渣场渗出水呈强酸性, p H为3~4, 致使周围的农田、鱼塘以及地下水都受到严重影响[4], 同时在我国房屋建筑材料中的70%是墙体材料, 因此利用各种废弃物发展蒸压硅酸盐制品[5], 对可持续发展有着重大的现实意义。试验证实, 加入了油页岩渣后, 能增强水泥的硬度和抗冻能力, 以及降低它的渗透性, 从而改良水泥的性能[7]。

通过不同工业废渣的合理搭配, 采用物理、化学、低温热力等技术手段使油页岩灰渣类硅铝质废弃物原来的硅酸盐网络解体, 再在以水为介质条件下聚合成以硅铝长链为主的化学键合陶瓷结构, 获得一种既具有传统水泥的操作性和经济性, 但性能又比传统水泥优良的新型胶凝材料。主要原料为工业废渣, 成本低廉, 来源丰富, 具有显著的环保效益和经济效益。因此, 系统地研究利用工业废渣制备碱激发水泥的形成机理、性能和相关因素, 可以指导利用工业废渣制备出性能优良的碱激发水泥, 真正实现变废为宝、保护环境的目标。此应用基础研究不但具有较高的理论和学术价值, 而且预期成果将对我国的生态环境良性循环、资源合理利用和可持续发展战略产生积极有益的影响。

2 实验原料与方法

2.1 实验原料

本实验的实验原料分别有油页岩灰渣、偏高岭土、生石灰、水泥熟料、氢氧化钠和水玻璃六种。

⑴油页岩灰渣:是本研究课题的主要材料, 实验用的油页岩灰渣共2种, 包括两种油页岩灰渣 (OSA1-OSA2) , 分别选自广东省某火力发电厂, 油页岩灰渣是火力发电厂以油页岩作为燃料, 经过低温干馏后的脱油残渣或经燃烧后生成的灰渣, 属于含有少量残碳的类似火山灰的瘠性原料, 有一定的颗粒度, 具有良好的活性[8]。其化学成分见表1。

⑵偏高岭土:高岭土原矿来自广东廉江, 经800℃煅烧3h变成偏高岭土, 其化学成份见表2。

⑶生石灰:市售, 其化学成分见表3。

(wt%)

(wt%)

(wt%)

⑷水泥熟料:广州某水泥厂提供, 28d龄期标准胶砂抗压强度为48.5MPa, 其矿物组成见表4。

⑸氢氧化钠:俗称烧碱, 分析纯。

⑹水玻璃:水玻璃是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性碱金属硅酸盐材料, 又称泡花碱。水玻璃可根据碱金属的种类分为钠水玻璃和钾水玻璃, 其分子式分别为Na2O.n Si O2和K2O.n Si O2, 式中的系数n称为水玻璃模数, 是水玻璃中的氧化硅和碱金属氧化物的分子比 (或摩尔比) 。水玻璃模数是水玻璃的重要参数, 一般在1.5~3.5之间。水玻璃模数越大, 固体水玻璃越难溶于水, n为1时常温水即能溶解, n加大时需热水才能溶解, n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。水玻璃模数越大, 氧化硅含量越多, 水玻璃粘度增大, 易于分解硬化, 粘结力增大。本实验使用的水玻璃性质见表5。

2.2 实验与测试

样品的成型与养护:将各原材料按一定的配合比混合均匀, 加入一定量的水 (均采用水固比W/S为0.4) , 搅拌均匀, 用液体压力机在6MPa的压力下压制成截面积为10cm2、高为5cm的圆柱状试块, 自然养护28天。

制品强度检验:用水泥压力试验机TY-30测各蒸压制品抗压强度。

3 激发材料对偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料作用效果研究

3.1 Ca O激发作用效果研究

Ca O是最常用的活性激发材料, 它能在水相条件下与油页岩灰渣或偏高岭土中的活性Si O2、Al2O3发生反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶, 从而把颗粒胶接在一起表现出一定的强度特征。在传统技术中, 一般是把磨细的石灰与原状油页岩灰渣进行混合, 石灰的添加量为8%~12%, 经过0.8MPa蒸汽养护6小时, 砖的抗压强度一般在20MPa左右;常压蒸汽养护24小时或自然养护28天, 抗压强度在7~10MPa之间。这些强度等级对于墙体材料而言己经足够, 但是偏高岭土-油页岩灰渣系的潜在胶凝特性没有充分发挥出来。

本实验采用偏高岭土-油页岩灰渣和石灰共混粉磨的办法, 系统地考察了石灰添加量对胶凝材料性能的影响, 偏高岭土与油页岩灰渣的配合比为1:1。图1实验结果显示, 在单纯的偏高岭土-油页岩灰渣与研灰系统中, 石灰具有决定性的作用, 因为单纯的偏高岭土-油页岩灰渣几乎不受水溶液的影响, 不会自发进行水化;但是一经掺入石灰后, 原先松散的颗粒就能固结产生强度, 其强度来源于石灰和偏高岭土-油页岩灰渣中的活性Si O2、Al2O3发生的水化胶凝反应, 生成CSH和CAH凝胶。

自然养护条件下反应速度较慢, 湿热蒸汽养护条件下以水化反应明显加快, 强度也相应提高。偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料的性能与Ca O的有效含量有关, 当Ca O<5%时, 随石灰比例的提高, 增进效果显著;掺量>5%以后, 提高效率降低;胶凝材料的性能与养护温度有关, 温度越高, 性能越好。要提高胶凝材料的强度, 提高温度比提高石灰掺量的效果好。

在相同石灰掺量下, 通过共混粉磨比单独粉磨石灰的效果好, 表6为Ca O掺量同为6.0%时, 不同细度偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料强度的变化, 从图中可看出偏高岭土-油页岩灰渣系颗粒越粗, 胶凝材料的性能越差;在基本相同的细度下, 磨制油页岩灰渣的效果比原状灰好。原状油页岩灰渣大多数呈密实或厚壁的球状体, 具有高聚合度的玻璃态网络结构特征, 它们在常温下化学性质稳定。通过粉磨, 油页岩灰渣颗粒表面层的玻璃态薄膜受到磨损破坏, 形成表面缺陷, 比表面积得到提高, 活性质点显著增加, 可以加快活性Si O2和Al2O3的溶出, 并有利于外部离子的侵入, 从而加快偏高岭土-油页岩灰渣系和石灰的水化反应速度, 促使水化产物的形成。

将偏高岭土-油页岩灰渣系在上述试验细度的基础上继续磨细至不同细度, 偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料制品强度变化如表6所示:

从表6可以看出, 偏高岭土-油页岩灰渣系比表面积从160m2/kg增加到180m2/kg时, 胶凝材料的强度提高了15.2%, 增幅比较明显;油页岩灰渣比表面积从180m2/kg增加到205m2/kg时, 胶凝材料的强度只提高了5.1%;而从240m2/kg增加到345m2/kg时, 胶凝材料的强度提高了9.5%。可见, 当比表面积达180m2/kg后, 再增加比表面积对胶凝材料的强度提高不大。综合粉磨电耗考虑, 偏高岭土-油页岩灰渣系的比表面积控制在180m2/kg左右较合适。

3.2 Na2O激发作用效果研究

Na2O的主要作用在于通过水化, 使水相的碱度提高, 加速偏高岭土-油页岩灰渣中活性Si O2、Al2O3的溶出, 导致致密玻璃体瓦解, 使油页岩灰渣得到深度活化。图2表明:在Na2O和偏高岭土-油页岩灰渣体系中, 适度增加Na2O的有效用量, 胶凝材料的强度有所提高。通过与图1相比, Na2O对胶凝材料的增强效果不如Ca O好, 其原因不在于激发效率的高低, 而在于最终的活化产物结构:在Ca O和偏高岭土-油页岩灰渣体系下, 最终形成的是具有胶凝强度的C-S-H矿物;而在Na2O和偏高岭土-油页岩灰渣体系下, 主要产物可能是水合硅酸钠和铝酸钠, 以及一些低分子量的硅铝活性单体, 但因尚不具备缩聚条件, 故表现出很低的力学强度。

3.3 水玻璃模数对偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料强度影响研究

用模数M=3.1的水玻璃溶液和固体Na OH配制模数分别为2.0、1.8、1.6、1.5、1.4和1.2水玻璃溶液。

偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料的制备过程基本上是按照水泥净浆的制备工艺, 工艺流程如图3所示。实验时将一定量的Na OH、水玻璃和去离子水混合, 在室温条件下静置冷却一定时间后配制成所需模数的激发剂溶液 (要求p H大于12) , 同时该溶液也满足所需的激发剂和水的用量。各原材料的配合比为:偏高岭土:油页岩灰渣:激发剂为1:1:0.5;水固比为0.3 (均为质量比) , 将原材料在水泥净浆搅拌机 (慢搅2min, 暂停15s, 快搅2min) 中混合搅拌, 将拌合好的浆体倒入31.6×31.6×50.0mm三联模具中, 在振实仪上振动lmin, 成型后在标准养护室养护、脱模, 再在一定的养护制度下养护到龄期, 然后用压力试验机进行抗压强度测试。得到水玻璃模数对地质聚合物抗压强度的影响见图4。

由图4可以看出, 在水玻璃模数M (即Si02/Na2O) 增加的整个过程, 抗压强度呈现出规律性的变化, 在各龄期下均为先增加后降低。当Si02/Na2O=1.5时, 材料获得最佳强度性能, 3d、7d、28d的强度值分别为68MPa、75MPa、99MPa。同时, 从实验结果来看, Si02/Na2O小于1.5时, 增加水玻璃的模数, 有利于抗压强度的提高。原因是在强碱性溶液 (PH=14) 中, Al、Si配合物主要呈Al (OH) 4-、 (OH) 2Si022-、 (OH) 2Si033-和其它硅酸盐低聚物阴离子形式。在Si02/Na2O值较小的条件下, 由硅铝矿物溶解的这些组分的质量分数, 通常低于在Al (OH) 4-、和较大的硅酸盐低聚物之间发生聚合作用的要求。因此, 加入硅酸钠溶液, 是在Al (OH) 4-、和较大的硅酸盐低聚物之间发生聚合反应的前提。但当水玻璃的Si02/Na2O值继续增加时, 溶液中的Al (OH) 4-、质量分数则相应降低, 从而促进固体颗粒的溶解, 使得抗压强度又降低, 正如实验中当Si02/Na2O大于1.5时, 再增加水玻璃模数时地质聚合物的强度降低。从实验结果中我们可以发现利用模数M在1.4~1.6水玻璃溶液与油页岩灰渣制得的试样具有良好的强度性能, 其中以模数M=1.5水玻璃溶液制得试样强度最高。

因此在下面的实验中, 以水玻璃模数为1.5;水:灰为0.3, 仅改变激发剂与偏高岭土-油页岩灰渣的比值来制备地质聚合物, 优选出最佳的激发剂掺量。从而研究激发剂掺量对试样强度的影响。

3.4 激发剂掺量对偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料强度影响研究

偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料的制备过程与3.3相同, 配比为:激发剂: (偏高岭土:油页岩灰渣=1:1) 的值分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30和0.35制成的胶凝材料的抗压强度结果如图5。

由图5可以看出, 随着碱含量的增长, 聚合反应产物的强度经历了一个先增加后降低的过程。其中利用激发剂/偏高岭土-油页岩灰渣=0.25比例制得样品强度最高, 28d强度高达98.04MPa。这说明过量的碱含量对偏高岭土-油页岩灰渣基碱激发胶凝材料的强度有负面影响。液体硅酸钠过多时, 多余硅酸钠中的游离氧化钠在空气中吸收CO2生成碳酸钠, 而游离的二氧化硅则作为无定形硅酸析出, 最终形成硬化体存在于地质聚合物试块中, 但由于这种硬化体的强度很低, 从而影响了偏高岭土-油页岩灰渣基碱激发胶凝材料的抗压强度。在研究油页岩灰渣地质聚合物的过程中, Jaarssvald等人也得出同样的结论, 他们认为是过量的碱与空气中的CO2反应生成碳酸盐, 导致了地质聚合物强度的降低[9]。因此, 在地质聚合物的制备过程中, 应选择合适的碱性激发剂引入量, 并以使其抗压强度达到最大。碱量少, 起不到激发作用, 制品强度低;碱量过大, 不仅成本增加, 而且强度降低。通过本实验优选出激发剂/偏高岭土-油页岩灰渣=0.25为最佳碱激发剂掺量。

4 小结

通过各激发材料分别对偏高岭土-油页岩灰渣系凝胶材料激发效果的研究实验并且分析得到实验结论如下:

⑴Ca O是最常用的活性激发材料, 其对偏高岭土-油页岩灰渣系有明显激发作用, 当Ca O掺量为9%时, 经过0.8MPa蒸汽养护6小时, 偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料强度可达25.7MPa。

⑵偏高岭土-油页岩灰渣系比表面积对其胶凝材料的强度有明显的影响;当Ca O为激发剂时偏高岭土-油页岩灰渣系比表面积从160m2/kg增加到180m2/kg时, 胶凝材料的强度提高了15.2%, 增幅比较明显;油页岩灰渣比表面积从180m2/kg增加到205m2/kg时, 胶凝材料的强度只提高了5.1%;而从240m2/kg增加到345m2/kg时, 胶凝材料的强度提高了9.5%。综合粉磨电耗考虑, 偏高岭土-油页岩灰渣系的比表面积控制在180m2/kg左右较合适。

⑶Na2O对偏高岭土-油页岩灰渣体系的激发不明显, 表现出很低的力学强度。

⑷当以Na2Si O4为激发剂时, 偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料的强度最高, 当Si02/Na2O=1.5时, 材料获得最佳强度性能, 且激发剂/ (偏高岭土-油页岩灰渣) =0.25为最佳碱激发剂掺量。此时偏高岭土-油页岩灰渣系胶凝材料抗压强度可达98.04MPa。

参考文献

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全工业废渣生产特种水泥熟料技术 篇5

我公司是新疆生产建设兵团第八师的大型国有企业,涉及塑料制品、节水器材、化工、电石、食品、热电、矿业、建材、物流商贸、建筑与房地产等多个领域。有7条利用100%电石渣生产水泥熟料线,每年可消耗循环经济产业链中上游企业产生各类工业废渣500万吨(包括电石渣、粉煤灰、炉渣、脱硫灰、柠檬酸渣、硫酸渣、电石散点灰、电石净化灰、石灰石渣、石灰渣、煤矸石、硅粉、钢渣、铜渣等十余种工业废渣)。

随着社会不断的发展,一些特殊的工程项目对水泥品质的要求越来越高,特别是特种水泥,为了适应市场的需求,全废渣生产特种水泥又将是一次新的任务。研究开发全量工业废渣生产特种水泥熟料技术,不仅能推动电石法聚氯乙烯的健康可持续发展,也为合理利用工业废渣寻找新的途径,为水泥行业的资源综合利用提供了有利的技术支撑,对实现节能减排、推动行业的发展具有重要意义。

1 全工业废渣生产工艺特点

将硅粉、炉渣、煤矸石、电石收尘灰、石灰渣、石灰石渣等多种工业废渣经各自储存库或仓自动配料系统配比后,送入烘干式中卸磨内粉磨。烘干是利用窑尾余热烟气,粉磨后的混合料与电石渣按比例配合成生料,再送入窑尾余热干燥管混合干燥,经旋风除尘器收集送入生料均化库。见图1。

2 全工业废渣特种水泥熟料生产技术

本技术主要针对天业循环经济产业链中所产生的种类繁多、成分复杂且数量庞大的工业废渣生产特种水泥熟料,在成熟的全废渣水泥生产技术基础上,研发出全废渣生产特种水泥熟料技术。

技术一:全废渣技术。以电石渣为钙质原料,配合以粉煤灰、炉渣、脱硫灰、柠檬酸渣、硫酸渣、电石散点灰、电石净化灰、石灰石渣、石灰渣、煤矸石、硅粉、钢渣和铜渣等工业废渣制特种硅酸盐水泥。由于物料的特殊性,在煅烧过程中,反应时需要的能耗低,会造成烧成范围变窄,窑皮变薄,料易散,要稳定窑的热工制度,采用薄料快转,长焰顺烧,保证熟料结料细小均匀,勤移燃烧器,保持完整的火焰形状。控制熟料升重≥1 150g/L,f-Ca O≤0.8%,在1 300℃以下、短时间内就可以煅烧出高强度特种水泥熟料。

技术二:低硅酸率熟料高强度技术。目前国内生产高抗硫和中热水泥熟料采用高硅率(n=2.5~2.7)、低铝氧率、低饱和比配料技术,而天业水泥采用低硅率配料(n=1.9~2.1),见表1。

技术三:利用工业废渣中微量元素之间的特殊性相互作用。由于上游企业原料来源及生产工艺的不同,组成较复杂(见表2),工业废渣含有对煅烧熟料有利与不利的组分。据德国水泥研究所研究表明,微量元素在窑系统中挥发性不同,可把微量元素分为不挥发、难挥发、易挥发和高挥发4个等级。在工业废渣中属不挥发、难挥发的Zn、Cu、Pb、Cr、As、Mn等微量元素与熟料中的主要元素Ca、Si、Al、Fe、Mg完全结合,参与反应。微量元素含量在不同范围时会有不同的作用,经过试验,调整配比控制微量元素的含量。极少量的P2O5会对C2S有稳定作用,当达到一定量时又可以使C3S分解形成一系列固熔体,使熟料中C3S含量相应减少,反而有利于抗硫酸盐、中热水泥的生产。另外,Mg O的存在是水泥生产中不可忽视的次要组分,在电石收尘灰中Mg O的含量高达20%左右,所以在生料中掺入适量的电石收尘灰,可降低最低共融温度,增加液相量,降低液相黏度,起助融作用,促进C3S快速形成10~20μm优质结晶。

%

3 效果验证

从国家水泥质量监督检验中心对熟料与水泥检验结果来看,各项结果均符合国家标准技术要求。2013年1月14日取得了生产特种水泥(抗硫酸盐、中热水泥)的生产许可证,累计生产高抗硫、中抗硫等特种水泥近8万吨。

利用工业废渣制备泡沫玻璃的研究 篇6

泡沫玻璃是内部充满无数均匀气孔的多孔材料。气孔约占总体积的80%~90%, 气孔大小为0.5mm~5mm, 也有小到几微米的。它通常是以废玻璃为主要原料, 添加适量的发泡剂和助熔剂等添加剂, 经破碎、磨细和混合形成配合料, 放置在模具中经预热、烧结、发泡、稳泡和退火等工艺制备而成。泡沫玻璃具有表观密度小、导热系数低、热膨胀系数低、耐腐蚀性强、不燃烧、不变形、易加工和施工方便等许多特殊优良性能, 泡沫玻璃在工程中可作为保温隔热材料、吸声材料、轻质填充材料、轻质混凝土集料和绿化用保水材料使用。

1935年, 法国St.Gubain公司成功地研制出了泡沫玻璃, 随后, 美国、前西德、等国也发表了许多有关泡沫玻璃专利和研究报告。20世纪70年代中期泡沫玻璃在我国进行小批量生产, 经过几十年的发展, 国内生产的泡沫玻璃供不应求, 目前部分产品已出口国外。随着建筑保温节能技术越来越受到人们的关注, 泡沫玻璃在建筑工程中的应用越来越广泛, 这些将给泡沫玻璃的发展带来更大的发展机遇。

泡沫玻璃的原料多数采用废弃物, 如废玻璃、粉煤灰、炉渣或天然矿物等, 发泡剂可以选择碳酸盐或炭黑等。以废玻璃、矿渣和粉煤灰为主要原料的泡沫玻璃对于工业废弃物利用, 节约资源和改善环境具有重要意义, 是世界上鼓励发展的方向。本文以废玻璃、矿渣和粉煤灰作为主要原材料进行了泡沫玻璃制备的试验研究, 并研究了发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响, 并对泡沫玻璃泡沫化进行优化设计。

1 原材料及研究方法

1.1 原材料

基础原料采用高炉矿渣, 粉煤灰、废玻璃;发泡剂分别采用碳酸钙、炭黑、二氧化锰进行研究, 同时加入适量的助熔剂和稳泡剂等。

1.2 研究方法

1.2.1 发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响研究

通过试验固定原材料废玻璃、矿渣和粉煤灰的比例为6:3:1, 并按图1所示的烧成曲线进行泡沫玻璃制备, 通过改变发泡剂种类及掺量进行对比研究。

1.2.2泡沫玻璃泡沫化的优化设计

由于影响泡沫玻璃性能的因素较多, 不仅与添加剂的种类及其用量有关, 而且与烧成的温度制度有密切的关系。通过试验找出影响泡沫玻璃质量的主要因素, 对制备泡沫玻璃的工艺参数进行优化设计。

1.2.3 质量和性能评定

用表观密度、抗压强度和孔径等指标来评定泡沫玻璃的质量和性能。

2 实验结果与讨论

2.1 发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响研究

为保证泡沫玻璃的质量, 配合料坯体的软化温度应与发泡剂生成气体的温度相匹配, 由于在基础原料中引入了矿渣和粉煤灰, 从而使配合料的软化温度和发泡温度升高, 所以要选择合适的发泡剂种类。

本研究选取碳酸钙、炭黑、二氧化锰进行了对比研究, 其中基础原料中矿渣、粉煤灰和废玻璃的比例分别为30%、10%和60%。三种发泡剂掺量变化对泡沫玻璃性能的影响见表1。

试验结果表明:以碳酸钙为发泡剂, 当碳酸钙的掺量较大时, 试样中出现个别的大孔。由于玻璃体的表面张力, 使得气孔力求相互结合以减少相间界面, 所以在气孔形成过程中伴随着气孔间相互结合和气体的排出。当相邻气孔中的压力逐渐相等时, 相互结合的过程也随之减弱。逸出的气体在玻璃液相中形成气孔, 随着气孔直径的逐渐扩大, 软化状态的玻璃体积迅速增加, 当体积达到一定值时, 温度降低从而使玻璃固化, 玻璃的多孔结构保持下来。

以炭黑为发泡剂, 由于矿渣和粉煤灰的大量引入, 从而使得配合料的软化温度升高, 炭黑产生二氧化碳气体的最大量约在800℃左右, 而这时配合料还未完全软化, 发泡剂分解产生的气体将粉料吹成大孔, 致使试样异常发泡, 造成试样孔径不均匀的现象。

以二氧化锰为发泡剂的试样发泡效果好, 以封闭孔为主, 孔径在2mm~3mm之间均匀分布, 表面有光泽。随着发泡剂二氧化锰掺量的增加, 泡沫玻璃的表观密度变小, 抗压强度也随着降低。

通过以上对三种发泡剂的比较研究, 碳酸钙和炭黑的发泡效果一般, 都有个别大孔的出现, 二氧化锰的发泡效果好, 孔径均匀, 因此选用Mn O2进行研究, 掺量控制在2.5%~3.0%较好。

2.2 泡沫玻璃正交试验设计

为了简化实验, 尽快找出影响泡沫玻璃性能的主要因素, 减少重复性试验的次数, 在大量试验的基础上, 选择良好的因素水平, 对泡沫玻璃泡沫化进行正交试验设计。

2.2.1 选择因素水平

固定基础原料的配比, 高炉矿渣30%、粉煤灰10%和废玻璃60%, 以二氧化锰为发泡剂, 助熔剂氟硅酸钠为4.8%和硼砂为0.5%、稳泡剂磷酸三钠为1.1%。选择发泡剂掺量、发泡温度和发泡时间为三个影响因素, 每个因素选取3个水平, 按L9 (34) 进行泡沫玻璃的正交试验, 水平因素表见表2。

2.2.2 实验结果与分析

依据上述表2条件进行试验, 选择表观密度作为考核指标, 正交设计的直观性分析计算结果见表3。

泡沫玻璃表观密度的方差分析见表4。

注:临界值F0.10 (2, 2) =9.0, F0.05 (2, 2) =19.0

根据极差和方差分析可知, 在所选的3个因素中, 发泡剂Mn O2掺量为最主要的因素。在Mn O2掺量为2.5%时, 试样的表观密度的平均值为962kg/m3, Mn O2掺量为2.8%时, 试样的表观密度减少至926kg/m3;Mn O2掺量为3.0%时, 试样的表观密度减小至844kg/m3。这说明随着发泡剂Mn O2掺量的增加, 试样的表观密度减小, 分析其原因是:随着二氧化锰掺量的增加, 由化学反应产生的气体量也越多, 在配合料中产生的微细闭合气孔量亦越多, 泡沫玻璃的内部孔径变大, 体积增大、因此泡沫玻璃的表观密度降低。

以表观密度作为性能指标, 得到正交设计的优化方案为A3B3C3即:Mn O2掺量为3.0%, 发泡温度为960℃, 发泡时间为50min。

2.2.3 泡沫玻璃的基本技术性能指标

采用以上研究中确立的优化方案A3B3C3, 在最佳温度制度下, 制得的泡沫玻璃试样的技术性能测试结果为:表观密度为892 kg/m3, 抗压强度为10.5/MPa, 吸水率为0.25%, 导热系数为0.19w/m·k。泡沫玻璃与粘土砖相比, 具有表观密度小, 吸水率低和强度高的特点, 它是一种新型的重墙体材料可以代替粘土砖作为非承重的墙体材料使用。

3 结论

1) 采用工业废渣制备泡沫玻璃, 固定基础原料的配比:高炉矿渣30%、粉煤灰%和废玻璃60%, 通过对碳酸钙、炭黑和二氧化锰三种发泡剂的比较研究, 碳酸钙和炭黑的发泡效果一般, 都有个别大孔的出现, 二氧化锰的发泡效果好, 孔径较均匀, 因此选用Mn O2进行研究, 掺量控制在2.5%~3.0%较好;

2) 由于泡沫玻璃泡沫化过程比较复杂, 影响因素较多, 采用正交试验方法可找出各因素对材料性能的影响, 并使工艺参数得到优化, 经正交试验所得工艺参数:发泡剂Mn O2掺量为3.0%, 发泡温度为960℃, 发泡时间为50min;

3) 发泡剂Mn O2掺量对泡沫玻璃表观密度影响最显著, 发泡剂Mn O2掺量的增加, 样品的表观密度降低。经正交试验优化后制得的泡沫玻璃样品经测试, 样品孔孔径大多数在2mm~3mm之间均匀分布。

摘要：本文采用矿渣、粉煤灰和废平板玻璃为基础原料, 加入适量添加剂, 通过烧结法制备泡沫玻璃。研究了发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响, 并采用正交试验优化设计的试验手段对泡沫玻璃泡沫化进行了优化。试验结果表明, 采用二氧化锰为发泡剂发泡效果好, 发泡剂掺量对泡沫玻璃性能的影响较大, 经正交试验所得工艺参数:发泡剂MnO2掺量为3.0%, 发泡温度为960℃, 发泡时间为50min。优化条件下制备的泡沫玻璃性能优良, 孔径大多数在2mm3mm之间均匀分布。

关键词：泡沫玻璃,发泡剂,优化设计

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工业废渣粉 篇7

1 产生质量问题的原因

1.1 压实度不符合要求的原因

基层压实度达不到要求是路面质量的一个重要问题, 影响因素较多, 处理也较麻烦。引起这种问题的原因可能是基层的材料粒径选择的不合适, 粒径级配太均匀, 或者施工前没有进行粒径的配合试验, 粒径级配就可能不良好, 压实时材料离散性强, 出现不密实现象;施工时石灰、粉煤灰以及碎石的比例变化频率较高, 也会影响压实度, 三种材料的密度不同, 所用比例改变的话, 基层的密度值也改变;施工时压实设备的选取上, 有可能压路机的组合不合理, 压路机质量较轻, 或者碾压的遍数不够, 碾压时出现漏压, 也会造成压实度达不到设计要求;在拌料时, 材料拌和不均匀, 粗细骨料局部出现过多或者缺少, 压实过程中含水量达不到最佳的压实含水率, 都会造成压实度的质量问题。

1.2 抗压强度不满足的原因

首先, 是材料对抗压强度的影响, 石灰、粉煤灰以及材料中土的含量和塑性指数都会影响基层的抗压强度, 土的塑性指数越大, 稳定土的抗压强度就越高。

其次, 就是材料的配合比上, 石灰和粉煤灰的比例是控制土层稳定性因素的一个重要条件, 石灰的数量更是一个关键的因素, 如果石灰和粉煤灰的含量不够或者比例不合适, 即使材料的密度再大, 也不会有好的压实效果, 也即没有很高的抗压强度。

再次, 就是施工质量的影响, 施工质量的作用主要体现在材料的拌和均匀性和压实度上, 施工质量是决定抗压强度的决定性因素。

最后, 是养护条件, 选择合适的养护方式, 保证施工时碾压过程中和施工完成养护时路面有适宜的水分, 满足材料本身例如火山灰等反应所需要的基本用水。

1.3 摊铺产生的离析原因

混合料选料时, 粒径级配不稳定, 或者碎石和粗集料含量较多, 并超过了骨料最大设计粒径, 集料的规格不均等, 在摊铺时容易有离析现象的发生。混合料在运送时, 如果距离太远或者路面颠簸严重, 混合料在运送过程中有可能就已经发生离析现象。另外摊铺机的工作状态也有一定的影响, 施工前没有对摊铺机仔细的检查, 其工作性能较差, 连续作业能力弱, 混合料也会发生离析。

1.4 基层裂缝出现的原因

混合料中如果石灰和粉煤灰等粉粒含量较多, 或者塑性指数过大, 粉粒会在含水量损失时产生收缩, 从而导致横向裂缝和局部“节理状”, 在含水率超过最佳含水率的情况下, 水分蒸发后容易出现这种现象。在碾压过程中, 如果环境温度过高的话, 基层强度很快形成, 但在温度降低时会产生收缩变形, 出现裂缝。碎石中黏土含量的过多, 碎石质量不合格, 是裂缝产生的原因之一。路基发生不均匀沉降时或者沉降没稳定时, 在养护不及时或者养护条件不合适, 洒水过量等都会产生基层的裂缝。

1.5 基层产生起包原因

石灰没有完全消解, 或者石灰在选用时没有经过筛检, 块径较大的在遇水后体积膨胀, 在膨胀处出现起包现象;矿渣在选用时也要进行充分裂解, 在铺装后裂解也会膨胀引起起包。

1.6 透层油和稳定粒料的黏结质量

透层油的选择不当, 不能进入基层较深的部位, 单位面积上的粒料用量过多, 或者沥青的用量大, 施工时没有按照要求进行, 基层压实不良, 表面材料松散, 没有成为一个牢固的整体, 这些原因都会造成透层油透不下去, 造成和上部面层的粘结不牢靠, 在车辆经过时被大片带起。

2 预防治理措施

2.1 压实度的预防措施

严格的控制拌和料内的用水量, 一般比最佳含水率大1%, 不能使混合料内的水分过多或过少, 保证混合料的材料比例, 并拌合均匀, 路拌时增加拌合次数, 厂拌时机械内要留1/3的余料。压实时采用合适的压实机械, 使用正确的碾压方法, 保证不出现漏压, 压实遍数要满足设计要求, 碾压要及时, 一般在拌和4h之内进行。

2.2 抗压强度的预防措施

选择合适的材料, 保证石灰和粉煤灰的质量等级和相关的技术指标, 石灰进行前要充分的消解, 并经过过筛选择, 石灰和粉煤灰要拌合均匀, 在压实完成后及时的进行养护, 时间大概两周左右, 养护过程中保持基层表面不过于干燥。施工时最后选择在温度较高的条件下进行, 这样有利于强度的增大。碾压时要在最佳含水率下进行, 保证抗压强度满足设计要求。

2.3 摊铺产生离析的预防

保证材料的级配复合要求, 集料规格均匀一致, 严格按照配合比进行下料, 混合料在拌和好的情况下要避免长时间的堆积, 并降低堆积高度, 防止锥形下粗料向下滚动, 摊铺机要保持在最佳的工作状态, 在摊铺机内始终要保持1/3的余料和新添加的混合料混摊。

2.4 基层裂缝的预防措施

控制混合料的配合比, 选择质量好的集料, 碾压时保证在最佳含水率情况下进行, 保证路面的压实度满足要求, 对于填筑较厚的路基, 在沉降基本完成后进行基层的施工。对于开裂的基层使用玻璃纤维网进行加固, 纵向裂缝时还要采用跨缝加固, 防止对路面造成反射影响。在冬季施工时, 施工过程中要主要保温。养护时洒水适当, 并及时的排除表面的降水, 必要时在强度形成时采用预切缝的措施减少开裂。

2.5 基层起包的预防措施

在施工前一个星期内对石灰进行充分的消解, 消解完成的石灰再经过10mm的筛子过滤, 除去粒径较大的石灰颗粒。采用矿渣时保证其分解完全和充分稳定, 碾压时在最佳含水率下进行。

2.6 透层油与稳定料的黏结不牢预防

选用较好的透油材料例如自制的石油沥青或者煤焦油等, 在基层表面要清扫干净, 彻底清除表面的浮灰和杂物, 采用乳化沥青时, 事先进行试验确定渗透效果, 以保证渗透效果好。适当的增加轮胎式的压路机碾压遍数, 在碾压过程中可以喷洒乳化沥青, 保证透层油和稳定粒料之间的黏结作用。

3 结语

对于石灰工业废渣稳定土基层, 针对不同的病害, 其采取的质量控制和预防措施大致相同, 包括:采用质量较好的混合料, 保证各种材料的配合比和粒径的级配指标, 并拌合均匀;基层内含水率要在最佳含水率左右, 不能过多或者过少, 碾压要采用合理的机械和合适的碾压方法, 保证压实度;保证石灰和工业矿渣的充分消解和裂解;施工过程中要严格按照施工工艺进行, 尽量在地基沉降完成后, 进行路面基层的施工;养护要保证合适的水分, 及时的洒水和排除路面积水等现象。

摘要：石灰工艺废渣稳定土基层是一种无机结合料土层, 利用石灰和工业废渣材料的特点, 用于基层可以取得很好的效果, 并节省了材料。本文对这种材料的路面基层容易产生的各种病害进行了列举, 并对预防措施做了简要的介绍。

关键词：石灰,工业废渣,基层,预防措施

参考文献

[1]中华人民共和国标准.JTG B01-2003公路工程技术标准[S].北京:人民交通出版社, 2004.

[2]胡长顺, 王秉纲.复合式路面设计原理与施工技术[M].北京:人民交通出版社, 1999.