一种基于固废物和胶凝材料的水泥制备及应用性能

王伟芳

(渭南职业技术学院,陕西 渭南 714000)

火力发电会产生大量的工业固废物,这些固废物综合利用率低,且加剧了环境问题,因此,为绿色环保科学发展,利用工业固废物生产混凝土成为科学研究的一个焦点。对此,许多学者进行了研究。例如,姚志荣等利用固废粉煤灰和双氧水发泡剂,制备了一种泡沫混凝土,试验结果表明,该混凝土的抗压强度性能良好[1]。为有效利用废电池回收过程中产生的大宗工业固废,杨陈等以铁铝渣、碳酸钙渣等为原料制备了环保型的陶粒、陶粉,然后以此制备一种陶粒发泡混凝土。试验结果表明,当加入25%陶粒、5%陶粉、5%脱硫石膏、40%粉煤灰时,该陶粒发泡混凝土的抗压强度为5.1MPa[2]。除此之外,张延年等以铁尾矿砂、粉煤灰以及矿渣粉取代混凝土中30%水泥,制备了一种多固废混凝土,并研究其性能。试验结果表明,铁尾矿砂可以增加混凝土强度、优化材料结构,增强材料的渗透性能[3]。以上学者的研究都为固废基混凝土的制备提供了参考,基于此,试验制备了一种以铁钢渣、脱硫石膏、粉煤灰、铁尾矿等工业废渣为固废基的胶凝材料混凝土,并进行单因素试验和正交试验研究最佳配比,研究其力学性能。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料。P.O 42.5普通硅酸盐水泥(工业纯,无锡市江淮建材);固废材料(涉县清漳水泥,具体材料参数见表1和表2);粗骨料石英砂(工业纯,长兴创新超细粉,0.3～0.6 mm);细骨料石英粉(工业纯,佛山市欧励特新材料,0.074 mm);聚丙烯纤维(化学分析纯,北京融耐尔工程材料,PP纤维,直径30 μm,长度12 mm);PC-1009型聚羧酸减水剂(化学分析纯,济南福鑫精细化工);过氧化氢发泡剂(化学分析纯,北京万佳标准物质研发中心);二氧化锰催化剂(化学分析纯,济南欧都新材料);羟丙基甲基纤维素醚稳泡剂(化学分析纯,廊坊润卓节能科技)。

表1 固废材料成分组成Tab.1 Composition of solid waste materials %

表2 固废材料基本性能Tab.2 Basic properties of solid waste materials

主要设备。WD-300型立式搅拌桶(济宁威达机械有限公司);FA1004型电子天平(绍兴万力仪器);JJ-1BA型搅拌器(华城润华实验仪器);DYJG-9023型烘箱(杭州亿捷科技);JITAI-S10KN型电子多功能试验机(北京吉泰科仪检测设备);CUBE-Ⅱ型扫描电子显微镜(上海皆淮仪器设备)。

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土试件制备流程

(1)用电子天平称取适量的P.O 42.5普通硅酸盐水泥、固废基胶凝材料、粗骨料、细骨料以及PP纤维,将这些材料依次放入搅拌桶中,设置搅拌时间为5 min,充分混合均匀。

(2)将减水剂和水加入搅拌桶中,继续搅拌5 min,然后依次加入发泡剂、催化剂和稳泡剂,搅拌2 min获得泡沫混凝土砂浆。

(3)将制备的泡沫混凝土砂浆倒入准备好的模具中,并用抹灰刀抹平试件表面多余的浆料,然后放置在养护室标准养护环境中48 h。

(4)脱模,然后将泡沫混凝土试件继续放置在标准养护室内进行养护,养护时间为28 d。

1.2.2 试验配比设计

为优化混凝土工艺参数,试验针对水胶比、固废掺量、集料掺量、PP纤维掺量以及减水剂掺量这5个因素设计了单因素优化分析试验,并为后续正交试验奠定基础,具体配合比设计方案见表3[4-5]。

表3 单因素试验配比设计Tab.3 Single factor test mix design

1.3 性能测试

1.3.1 抗压强度测试

通过试验机对泡沫混凝土试件进行抗压测试,试件的抗压强度计算公式如下:

f=F/A

(1)

式中:f为抗压强度,单位MPa;F为破坏荷载,单位N;A为试件受压面积,单位mm2。

1.3.2 抗折强度测试

通过试验机对泡沫混凝土试件进行抗折测试,试件的抗折强度计算公式如下:

(2)

式中:ff为抗折强度,单位MPa;F为破坏荷载,单位N;l为支架跨度,单位mm;b为试件截面宽度,单位mm;h为试件截面高度,单位mm。

1.3.3 微观分析

通过扫描电镜对试件进行SEM分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 水胶比

由图1(a)可知,对于不同养护时间的混凝土试件,当材料中水胶比从0.4增加到0.5时,抗压强度不断上升。当水胶比为0.4时,养护28 d试件的抗压强度为15.21 MPa,而养护3、7 d的试件的抗压强度能达到28 d时的60.82%、75.08%;当水胶比为0.45时,养护28 d试件的抗压强度为16.53 MPa,而养护3、7 d的试件抗压强度能达到28 d时的64.25%、80.10%;当水胶比为0.5时,养护28 d试件的抗压强度为18.84 MPa,而养护3、7 d的试件的抗压强度能达到28 d时的65.97%、80.73%。因此,当水胶比范围在0.4～0.5时,试件养护3 d的抗压强度能达到28 d时的60.82%～65.97%,试件养护7 d的抗压强度能达到28 d时的75.08%～80.73%,这表明了适当的增加水胶比可以提高材料抗压强度。由图1(b)可知,在一定程度上,养护28 d试件的抗折强度与水胶比呈正相关。当材料中水胶比从0.4增加到0.45时,试件抗折强度也从1.73 MPa上升到2.24 MPa,增幅为29.48%;而当水胶比为0.5时,试件抗折强度为2.63 MPa,对比水胶比0.45时增幅为17.41%。发生这些现象的原理是,当水胶比增大时,增加了水泥砂浆的流动性能,促进水化反应的发生,同时,水泥浆料中水含量增加,使得发泡剂反应产生的氧气膨胀效果增加,使混凝土内部气泡均匀分布,从而提高试件强度性能[6-7]。

图1 不同水胶比试件的强度Fig.1 Strength of test pieces with different water-binder ratios

2.1.2 固废掺量

试验采用的固废基凝胶材料主要由矿渣、钢渣、脱硫石膏、粉煤灰等工业固体废料组成,关于固废掺量的单因素测试结果如图2。由图2(a)可知,当材料中的固废材料掺量增加时,养护3 d的试件抗压强度一直下降,而对于养护7 d和养护28 d的试件,抗压强度则出现先上升后下降的现象;当固废材料掺量为40%时,养护7 d和养护28 d的试件抗压强度达到最大临界值,分别为14.23 MPa和17.25 MPa;当材料中的固废材料掺量过高时,不同养护时间试件的抗压强度均出现较大幅度下降的趋势。由图2(b)可知,当试件中的固废掺量从30%增至50%时,抗折强度呈现先增后减的变化;当掺量为40%时,抗折强度到达峰值,为2.85 MPa;而当掺量为50%时,抗折强度下降至1.82 MPa,降幅为36.14%。综合分析可知,在混凝土中掺入固废材料,会降低材料早期的抗压强度,但适量的固废材料掺量,可以同时增加混凝土的抗压和抗折强度。

图2 不同固废掺量试件的强度Fig.2 Strength of specimens with different solid waste content

发生以上这些现象的主要原因是,固废材料中含有的粉煤灰等物质可以增加混凝土的微集料效果,能产生致密势能从而减少材料中有害孔隙、裂纹的产生,增加材料致密性;同时,固废材料可以增强混凝土材料的活性,促进水化反应的发生,所以,早期混凝土材料内部结构较疏松,但在中后期,材料中的C-S-H胶凝材料会与氢氧化钙等物质会逐渐沉淀,形成一种“双膜层”结构,从而增加水泥砂浆基体间的胶黏性;除此之外,在混凝土中加入粉煤灰、脱硫石膏等固废材料,其中的玻璃微珠滚轴效果能增强水泥砂浆的流动性,在材料中产生减水势能,因此,适量的固废材料掺量,可以同时增加材料的抗压强度、抗折强度[8-9]。

2.1.3 集料掺量

图3为混凝土中石英砂、石英粉等不同集料掺量对试件抗压、抗折强度的影响。

图3 不同集料掺量试件的强度Fig.3 Strength of specimens with different aggregate content

由图3可知,当试件中集料掺量从60%增加到80%时,对于不同养护时间的试件,各强度均呈现先升后降的现象。当集料掺量为60%时,养护28 d的试件抗压强度为15.34 MPa,而养护3、7 d试件的抗压强度分别为10.23、11.72 MPa,分别能达到28 d时的66.69%、76.40%;当集料掺量为70%时,各强度均到达峰值,此时,养护28 d的试件抗压强度为18.46 MPa,而养护3、7 d试件的抗压强度分别为12.45、14.42 MPa,分别能达到28 d时的67.44%、78.11%;然而,当集料掺量为80%时,养护28 d的试件抗压强度为16.74 MPa,而养护3、7 d试件的抗压强度分别为11.23、12.932 MPa,分别能达到28 d时的67.08%、77.24%。发生以上现象的原理是,集料中的石英粉可以在混凝土固泡过程中起到填补和包裹孔隙、裂纹的作用,从而增强材料结构强度,同时,集料中的石英砂可以提高水泥砂浆的流动性能,从而减少混凝土制备过程中内部气泡、裂纹等产生,而且石英砂粒径较大、需水量小,且具有较小比表面积,因此,适量石英砂等集料掺量可提高材料抗压强度,但集料掺量过高会在一定程度上抑制混凝土材料的水化反应,导致水化反应进行不完全,材料强度降低。因此,随着混凝土中集料掺量增加,各强度均出现先增后减现象[10]。

2.1.4 聚丙烯纤维掺量

由图4(a)可知,对于不同养护时间的试件,当试件中PP纤维掺量从0.1%增加至0.3%时,抗压强度均出现下降的情况。当试件中含有0.1%PP纤维时,养护3、7以及28 d试件的抗压强度分别为12.08、14.52、18.21 MPa;当试件中含有0.2%PP纤维时,养护3、7、28 d试件抗压强度分别为11.78、14.03、17.54 MPa,下降幅度分别为2.48%、3.37%、3.68%;当试件中含有0.3%PP纤维时,养护3、7、28 d的试件抗压强度分别为11.42、13.64、17.15 MPa,对比0.1% PP纤维掺量时下降幅度分别为5.46%、6.06%和5.82%。发生这些现象的原因是,PP纤维具备表面粗糙多孔的特点,在混凝土材料中掺入适量PP纤维,可以增强水泥砂浆与胶凝材料的粘结效果,同时,PP纤维均匀分散到混凝土材料中,可以形成多面立体的材料结构,从而增强材料的抗压强度。然而,当PP纤维掺量过多时,会在混凝土中出现分布不均的现象,并出现团聚效果,从而破坏材料结构,因此,材料抗压强度下降[11]。

图4 不同PP纤维掺量试件的强度Fig.4 Strength of specimens with different PP fiber content

由图4(b)可知,对于养护28 d的试件,当PP纤维掺量逐渐增加,其抗折强度也在不断增大。当试件中掺入0.1%PP纤维时,其抗折强度为2.12 MPa;当试件中PP纤维掺量增加到0.2%、0.3%时,其抗折强度分别为2.19、2.34 MPa,对比0.1%PP纤维掺量时,增加幅度分别为3.30%、10.37%。发生这种变化的原理是,当PP纤维均匀分布到材料中时,可以形成多相体系,其中纤维材料和泡沫混凝土材料互相作用,性能互补,即PP纤维能够在应力作用时起到承载应力的效果,避免应力集中,同时约束、牵制材料中孔隙的产生以及裂纹扩展。因此,在材料中掺入PP纤维可以增加抗折强度[12]。

2.1.5 减水剂掺量

由图5可知,当材料中减水剂掺量从0.2%增加到0.8%时,试件各强度曲线均出现上升现象。

图5 不同减水剂掺量试件的强度Fig.5 Strength of specimens with different water reducing agent content

由图5(a)可知,对于养护3、7、28 d试件,当减水剂掺量为0.2%时,各试件抗压强度分别为11.05、12.53、16.45 MPa;当减水剂掺量为0.8%时,各试件抗压强度分别为12.32、13.86、17.63 MPa,提升幅度分别为11.49%、10.61%和7.17%。由图5(b)可知,当减水剂掺量为0.2%时,试件抗折强度为2.14 MPa;当掺量增加到0.8%时,试件抗折强度提升至2.32 MPa,增幅为8.41%。发生以上现象的原理是,试验采用的聚羧酸减水剂可以在水泥砂浆中阶枝共聚,进而形成高分子聚合物,能够抑制材料中的絮凝结构形成,增强水泥砂浆的流动性,并促进混凝土水化反应,因此,增加材料中的减水剂掺量,可以提高泡沫混凝土强度[13]。

2.2 正交试验分析

在单因素试验基础上,试验选择了合适的配比参数范围,设计了正交试验,具体试验参数见表4。

表4 正交试验因素、水平Tab.4 Orthogonal test factors and levels

在正交试验中试件养护时间均为28 d,其抗压强度、抗折强度正交试验结果分别见表5、表6。

表5 抗压强度极差分析Tab.5 Analysis of compressive strength range

表6 抗折强度极差分析Tab.6 Analysis of compressive strength range

分析表5、表6可知,各因素对试件抗压强度的影响程度大小依次为:水胶比>固废掺量>集料掺量>PP纤维掺量>减水剂掺量,优化配比为A4B3C3D2E4,而各因素对试件抗折强度影响程度依次为:水胶比>固废掺量>PP纤维掺量>集料掺量>减水剂掺量,优化配比为A4B3C3D4E4。综合来看,水胶比和固废掺量对试件强度影响较大,其次是集料掺量与PP纤维掺量,影响最小的是减水剂掺量,因此,确定本试验最优配比,分别是:0.5水胶比,40%固废材料,70%集料,0.1%PP纤维,0.8%减水剂[14]。

2.3 SEM分析

根据1.3.3中的测试方法,对最优配比方案养护28 d的试件进行SEM分析,结果见图6。由图6可知,材料表面结构紧密,其中,层片状的物质为氢氧化钙,簇状物质为水化硅酸钙凝胶材料,还有一些二氧化硅小颗粒将混凝土中水化反应的孔隙、裂缝填充包裹,同时,这些物质相互紧密结合在一起,形成一种立体的致密网状结构,从而增强材料的力学性能[15]。由此可见,试验制备的固废基胶凝材料混凝土材料结构紧密,力学性能较好。

图6 最优配比试件SEM分析Fig.6 SEM analysis of the optimum proportioning specimen

3 结论

试验制备了一种固废基胶凝材料混凝土,并通过单因素试验和正交试验对材料配比进行优化,具体结论如下。

1)水胶比0.4～0.5范围内,材料抗压、抗折强度与水胶比呈正相关关系。

2)适量的固废材料掺入混凝土,可以同时增加材料的抗压、抗折强度。

3)集料掺量60%～80%范围内,抗压、抗折强度曲线均先增后减。

4)聚丙烯纤维掺量在0.1%～0.3%范围内,抗压强度随掺量增加而下降,抗折强度随掺量增加而增加。

5)减水剂在0.2%～0.8%范围内,泡沫混凝土的强度与减水剂掺量呈正相关。

综上,最优配比方案为:0.5水胶比,40%固废材料,70%集料,0.1%PP纤维,0.8%减水剂。