李卓才 黄双凤 周基 靳鹏伟
废玻璃粉后期火山灰活性研究
李卓才1黄双凤2周基1靳鹏伟1
(1湖南科技学院,湖南 永州 425199;2湖南省人民政府,湖南 长沙 410000)
采用无色废玻璃粉作为研究对象,中位粒径分别为16.21μm,15.1μm,9.2μm,取代10%的水泥,制成胶砂试件,测定28d、50d、70d、90d、120d、140d龄期的抗压强度。结果发现:废玻璃粉早期(≦28d)活性低,水化产物少,废玻璃粉活性从龄期50d开始发挥;水化反应后期(≧90d)活性很强,生成大量胶凝产物,还有较多钙矾石。这说明废玻璃粉后期火山灰活性强,具有较大的潜力。
废玻璃粉;后期;火山灰活性
固体垃圾越来越多,其中废玻璃占到约5%-10%。我国城市废弃物中废玻璃含量将近10%,高于国际平均水平。废玻璃主要来源为居民废弃,有研究表明,20%左右的废玻璃由玻璃厂和玻璃纤维厂产生[1]。废弃的玻璃一般采用填埋的处理方式,侵占了大量的农田,进而影响生产生活。科学家想出很多办法处理,有主张回收生产容器的,有主张生产保温砌体的,最新的一种思想是用于混凝土中当建筑材料使用。西方资本主义国家上世纪中叶就开始尝试把废玻璃做骨料,但报道出现过膨胀反应[2]。之后废玻璃混凝土的研究与应用一直停滞不前。有研究人员提出,当废玻璃粉小于一定粒径时,可以忽略膨胀反应。Shao[3]把废玻璃粉取代相同体积的水泥,结果表明活性指数超过75%。宋百姓[4]实验得出28d活性指数小于70%。前期火山灰活性均不高,文章研究了60d-120d的火山灰活性。
2.1实验材料
P.O42.5水泥,比表面积3610cm2/g;标准砂;废玻璃粉,无色,由酒瓶球磨得到,其中位粒径分别为16.21μm,15.1μm,9.2μm,比表面积对应为2430cm2/g,2710cm2/g,3910cm2/g;Ⅱ级粉煤灰。
2.2胶砂试件
用中位粒径分别为16.21μm,15.1μm,9.2μm的废玻璃粉及Ⅱ级粉煤灰分别取代15%的水泥,实验组均加入10gNa2CO4激发剂,得到4组砂浆试件,另外设置一组空白对照组。配合比如下表1所示:
表1.试件配合比
试件编号质量/g 水泥废玻璃粉Ⅱ级灰水标准砂 C14054502251350 C24054502251350 C34054502251350 F04050452251350
2.3活性指数
依照ISO法进行胶砂试件成型养护,试压。测定28d,50d,70d,90d,120d,140d 6个龄期的抗压强度F1,空白组为F0,活性指数H=F1/F0。
3.1抗压强度与活性指数
5组配合比的试件实验结果如表2和表3所示。
表2.抗压强度(单位:MPa)
试件编号28d龄期50d龄期70d龄期90d龄期120d龄期140d龄期 C051.6728092.5104120 C126.838.950.171.289.2113 C228.443.456.475.492.398.6 C332.347.866.380.299.8129 F041.565.372.198.2115124
表3.活性指数(%)
试件编号28d龄期50d龄期70d龄期90d龄期120d龄期140d龄期 C0100100100100100100 C151.95462.67785.894.2 C25560.370.581.588.882.2 C362.666.482.986.796108 F080.490.790.1106111103
图1.废玻璃粉活性指数
3.2废玻璃粉活性指数与龄期的关系
从表2、表3﹑图1可以看出,28d三种粒径活性指数均少于65%,这主要是由于废玻璃粉是一种结构稳定的网状Si-O键和Al-O键化合物,结构致密,在较短的龄期里很难释放出来。有研究表明此前主要表现为物理活性[5]和颗粒间的镶嵌作用[6]。50d龄期时,废玻璃粉表面开始发生化学反应,产生游离的Si-O和Al-O,参加胶凝反应,活性增强,最强67%,最弱54%;70d龄期时,废玻璃粉活性继续增强,最强的已经达到83%,最弱也超过60%,在这时过半的活性被激发,形成了C-S-H胶凝产物,周围附着Ca(OH)2晶体,还伴随生产了少许钙矾石。从SEM图像可以知道,空白组最致密,胶凝产物和Ca(OH)2晶体也最多,实验组的产物不如对照组多,实验组的产物呈现出一定规律,基本为粒径小的化合产物相对多些,密实一些;90d龄期,活性指数最少达到77%,相当于对照组粉煤灰28d的水平,可以看出后期玻璃粉的活性充分发挥,发生的化学反应用公式表达为[7]:
SiO2+Ca2++OH-→ CaO0.8-1.5·SiO2·H2O0.5-2.0,(1)
Al2O3+Ca2++OH-+SO42-→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (2)
120d龄期至140d龄期活性指数均到达90%,此时废玻璃粉活性完全激活,产物大量生产,上述述反应(1)﹑(2)均大量发生,尤其以(2)式为主,从电镜图像中可以看到,有大量松针状CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O生成,还有部分呈棒状,整个产物致密,尤其是C3组,产物多而致密。
140d龄期产物里面有胶凝产物,Ca(OH)2晶体,较多棒状钙矾石,实验组的SEM图像呈现铁板状,C3组活性指数甚至高于空白组和F0组,基本上实验组的强度活性指数达到95%,后期水化反应彻底,胶凝产物C-S-H和C-A-H大量生成,有一部分进一步反应,生成了CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O,强度更大,超过单纯的水泥水化反应。
当废玻璃粉掺和量为10%时,早期(28d)活性低,少于60%,后期(120d-140d)活性高,基本和水泥的活性相当,表明废玻璃粉具有很强的活性潜力;粒径越小,活性越强,其中以9.2μm粒径活性最强,各组活性指数龄期140d时,最大相差26.2%,龄期28d时,C1组与C2组最小相差2.1%。
[1]柯国军,柏纪平,谭大维.废玻璃用于水泥混凝土的研究进展[J].南华大学学报:自然科学,2010,24(3):96-102.
[2]SHI Caijun,ZHENG Keren.A review on the use of waste glasses in the production of cement and concrete[J]. Resources,Conservation and Recycling,2007,(2):234-247.
[3]CORINALDESI V,GNAPPI G,MORICONI G,etal.Reuse of ground waste glass as aggregate for mortars[J].Waste Management,2005,(2):197-201.
[4]宋百姓.废玻璃粉活性激发实验研究[D].南华大学,2013.
[5]阎培渝.粉煤灰在复合胶凝材料水化过程中的作用机理[J]. 硅酸盐学报,2007,35,(S1):167-171.
[6]阎培渝,张庆欢.含粉煤灰或石英粉复合胶凝材料的抗压强度发展规律[J].硅酸盐学报,2007,35,(3):263-266.
[7]王智,郑洪伟,钱觉时,等.硫酸盐对粉煤灰活性激发的比较[J].粉煤灰综合利用,1999,(3):15-18.
(责任编校:宫彦军)
2017-04-01
湖南科技学院研究项目(项目编号16XKY072)。
李卓才(1984-),男,湖南娄底人,湖南科技学院助教,硕士,研究方向为结构设计与高性能混凝土应用。
TU528.04
A
1673-2219(2017)06-0046-02