硅铝质工业废弃物蒸压反应活性研究

(华南农业大学水利与土木工程学院，广东广州 510640)

灰砂砖、加气混凝土砌块等蒸压硅酸盐制品是重要的建筑材料，其生产所用原材料分为硅铝质原料与钙质原料。常用的硅铝质原料有粉煤灰、煤粉炉渣等工业废弃物[1-6]。目前已有多种方法用于评价工业废弃物可否用作蒸压硅酸盐制品硅质材料，其中大部分以材料的化学成分进行评价，但大量实验证明，相同或相似化学成分的不同材料表现出明显的蒸压性能差异，这说明通过化学成分来评价蒸压条件下材料的反应活性不够精确。蒸压制品中，硅铝质原料是主要的化学活性物质，其品质的稳定性对其蒸压制品性能的影响非常大。如何评价煤粉炉渣在蒸压条件下的反应能力，对硅铝质工业废弃物的合理利用有着重要的现实意义。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验所用硅铝质工业废弃物包括2种粉煤灰(FA1、FA2)和2种煤粉炉渣(CR3、CR4)，全部通过0.08 mm方孔筛，石灰为工业级熟石灰。各原料的化学成分见表1。物相分析显示4种硅铝质工业废弃物矿物组成均为玻璃相、石英和莫来石等。

表1 原料的化学组成 %

1．2 实验与测试

样品的成型与养护：将硅铝质工业废弃物与石灰按一定的CaO与SiO2物质的量比混合均匀，加入一定量的水(均采用液固比为0.20)，搅拌均匀，用液体压力机在6 MPa下压制成截面积为10 cm2、高为5 cm的圆柱状试块，密封静置12 h，放入蒸压釜内在一定的压力下(升温3 h，1.1 MPa和180 ℃下恒温6 h)进行蒸压，然后在蒸压釜内自然冷却至室温。

活性SiO2、Al2O3测定：根据文献[7-8]的方法测定硅铝质工业废弃物活性SiO2、Al2O3。

采用Vector33傅立叶变换红外谱仪进行FT-IR分析。采用D/max-Ⅲ型全自动X射线衍射仪对样品进行表征(Cu靶,石墨单色器,电压40 kV,电流30 mA)。

2 结果与讨论

2．1 原料红外光谱分析

图1为4种硅铝质工业废弃物FT-IR谱图。由图1可见，FA2的1 098 cm-1处、CR3的1 094 cm-1处、FA1的1 081 cm-1处和CR4的1 070 cm-1处吸收峰均属于Si—O键的伸缩振动。4种硅铝质工业废弃物红外光谱强吸收区的Si—O伸缩振动频率大小关系为：CR4>FA1>CR3>FA2。

图1 硅铝质工业废弃物的红外光谱图

2．2 不同n(CaO)/n(SiO2)蒸压制品的抗压强度

图2为4种硅铝质工业废弃物与石灰不同n(CaO)/n(SiO2)下蒸压制品的抗压强度。由图2可见，不同的硅铝质原料对应的蒸压制品的强度存在差别，在钙硅物质的量比相同的情况下，CR4-石灰石体系的蒸压制品抗压强度最大，FA1-石灰石和CR3-石灰石体系次之，FA2-石灰石体系最小。

图2 硅铝质工业废弃物蒸压制品的抗压强度

2．3 硅铝质工业废弃物蒸压反应活性机理分析

采用活性SiO2、Al2O3的含量以及红外光谱1 100 cm-1附近强吸收区的Si—O伸缩振动频率综合评价硅铝质工业废弃物的蒸压反应活性。活性SiO2、Al2O3是指硅铝质工业废弃物在蒸压条件下溶出并能与钙质材料发生反应的SiO2、Al2O3的含量，在原料n(CaO)/n(SiO2)相同的情况下，溶出活性SiO2、Al2O3的含量可反映硅铝质原料参与反应的程度，进而可表征其蒸压反应活性。

硅酸盐矿物中Si—O的振动频率在400～1 200 cm-1。不同结构类型的振动频率有差别。总的来看，聚合的高于孤立的Si—O振动频率，并随聚合程度的增加而升高。硅酸盐矿物在850～1 200 cm-1的强吸收带较容易判断，因此选用蒸压硅酸盐材料在850～1 200 cm-1的强吸收带Si—O不对称振动频率大小判断Si—O键的强度，判断打断硅酸盐矿物中聚合的Si—O键所需要能量的大小，以此评价在蒸压条件下硅酸盐矿物的水化反应活性。红外光谱强吸收区的Si—O伸缩振动频率越低，键的破坏和重新组合也越容易，反应活性越强。

在相同的蒸压工艺和CaO与SiO2物质的量比的条件下，蒸压制品的抗压强度则反映了硅铝质工业废弃物的反应能力，这也是实际生产中最受关注的指标。

硅铝质工业废弃物蒸压制品抗压强度与活性SiO2、Al2O3含量、红外光谱1 100 cm-1附近强吸收区的Si—O伸缩振动频率之间的关系如表2所示。

表2 蒸压制品强度与其活性SiO2、Al2O3含量及Si—O伸缩振动频率关系

由表2可知，随着硅铝质工业废弃物Si—O伸缩振动频率从1 098 cm-1降至1 070 cm-1，硅铝质工业废弃物的活性SiO2、Al2O3含量从8.4%升至13.1%(质量分数)，蒸压制品抗压强度由25.5 MPa升至31.5 MPa，由此可见硅铝质工业废弃物的活性SiO2、Al2O3含量及红外光谱1 100 cm-1附近强吸收区的Si—O伸缩振动频率与其蒸压反应活性相关，即硅铝质工业废弃物的活性SiO2、Al2O3含量越高，1 100 cm-1附近强吸收区的Si—O伸缩振动频率越低，其蒸压反应活性越大，蒸压制品强度越高。

硅铝质工业废弃物主要由硅酸盐矿物和铝酸盐矿物组成，硅酸盐结构以硅氧四面体为骨干构成，铝酸盐矿物通常以铝氧四面体或铝氧六面体存在，通常情况下结构稳定。在蒸压环境的高温高压条件中，硅酸盐结构和铝酸盐结构被破坏，活性硅铝溶出，并与Ca(OH)2和水反应，生成水化产物。硅酸盐矿物在850～1 200 cm-1的强吸收带，在红外光谱中较容易判断，且硅铝质工业废弃物中硅酸盐矿物含量比铝酸盐矿物大得多，因此硅铝质工业废弃物蒸压反应活性可以采用红外光谱1 100 cm-1附近强吸收区的Si—O伸缩振动频率及其活性SiO2、Al2O3含量来综合评价。

3 结语

在1 100 cm-1附近强吸收区的Si—O伸缩振动频率越低，硅铝质工业废弃物结构越容易破坏，蒸压反应活性越强；溶出的活性SiO2、Al2O3越多，与钙质材料发生反应的SiO2、Al2O3的含量就越多，蒸压制品抗压强度越高。可以通过活性SiO2、Al2O3含量及1 100 cm-1附近强吸收区的Si—O伸缩振动频率来综合评价硅铝质工业废弃物在蒸压条件下的反应活性，以更合理利用硅铝质工业废弃物生产蒸压硅酸盐制品

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