蒸壓加氣混凝土砌塊的研究

蒸壓加氣混凝土砌塊的研究

通過半干碳排放量法的運行，導致大量硫彌勒劑，二次污染相對嚴重。國內外對其資源利用進行了大量研究。目前脫硫灰資源化利用主要在兩個方面,一是在農(nóng)業(yè)上的應用,主要是用作土壤改良劑和化肥;二是在建材行業(yè)中的應用,包括水泥、注漿材料、骨料、陶粒、各種磚(如蒸養(yǎng)磚、免燒磚、空心磚)、砌塊和墻板等等。郭斌等通過實驗驗證使用燒結脫硫灰制備膠凝材料,燒結脫硫灰的最佳摻入量為20%～30%,水硬性膠凝材料不能低于10%,這也在陳袁魁等的實驗研究中得到證實。本研究在分析燒結煙氣脫硫灰物化特性的基礎上復摻鋼渣、粉煤灰、水泥制成蒸壓加氣混凝土砌塊。根據(jù)國家標準要求,通過測定成型試樣的抗壓強度,探討了燒結煙氣脫硫灰制備蒸壓加氣混凝土砌塊的可行性和配比,以及最佳養(yǎng)護條件。為燒結煙氣半干法脫硫灰的綜合利用提供了基礎技術,在充分利用工業(yè)固體廢棄物的同時降低水泥的使用量。1材料和方法1.1半干法脫硫灰系統(tǒng)制備蒸壓加氣混凝土砌塊的原料包括:鈣質材料、硅質材料、膠凝材料、發(fā)氣劑、水、穩(wěn)泡劑和調節(jié)劑七大類,具體實驗原料如表1所示。實驗所用脫硫灰取自石家莊鋼鐵公司52m2燒結機密相干塔脫硫系統(tǒng),是半干法脫硫工藝的副產(chǎn)物,該脫硫灰的主要化學成分為:CaO50.34%,SO319.58%,F2O39.41%,SiO26.49%,MgO5.52%,Al2O34.75%,TiO21.24%;主要礦物成分為:CaSO3·0.5H2O33%,CaSO4·2H2O32%,飛灰15%,Ca(OH)28%,CaCO35.5%。脫硫灰的比表面積617m2/kg,中位粒徑7.86μm。1.2實驗和評估方法1.2.1實驗方法(1)水料水攪拌法或稱試驗模將各種原料按一定配比稱量后,混合均勻,然后按0.6～0.7(質量比)的水料比加水混合攪拌1～2min,混合均勻后,分別加入鋁粉、氣泡穩(wěn)定劑、調節(jié)劑,再攪拌60s,然后澆注入模,試模規(guī)格為240mm×115mm×53mm,經(jīng)預養(yǎng)護和蒸壓養(yǎng)護后,從蒸壓釜中取出。(2)脫硫灰的加入量固定脫硫灰和石灰的總摻入量占原材料總質量的25%,硅質材料(粉煤灰和石英砂粉按1∶1混合)55%,水硬性膠凝材料(水渣微粉和水泥按1∶1混合)20%,鋁粉0.06%,水料比0.6,不添加穩(wěn)泡劑和調節(jié)劑。改變脫硫灰的摻入量,使其摻入量分別為0、5%、10%、15%、20%和25%,測定模塊的抗壓強度,按照GB11968-2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》進行評價。脫硫灰渣可以通過加水的方法穩(wěn)定化,按照同樣的配比,固定總水量,將脫硫灰預先加水,使其在含水量為20%條件下消化處理2h,然后重復上面的實驗。將未經(jīng)預消化處理和經(jīng)過預消化處理的2種情況進行對比。1.2.2評估方法蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度性能按照GB/T11971-1997《蒸壓加氣混凝土力學性能試驗方法》進行評價。2結果與分析2.1脫硫灰預消化對混凝土特性的影響實驗結果如圖1所示。由圖1可知,其他原料比例不變,且脫硫灰和石灰摻入總量不變情況下。隨著脫硫灰摻入量的增加,砌塊的干密度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。且當脫硫灰的摻入量為5%,石灰的摻入量為20%時,制得砌塊的干密度達到最大,再增加脫硫灰的摻入量砌塊的干密度反而減小。這是因為一開始脫硫灰中的活性氧化鈣在消解時釋放出大量的熱,使料漿呈堿性,為發(fā)泡劑鋁粉與水的反應提供了適宜的條件,由于脫硫灰中的CaSO3·0.5H2O在熱堿的激發(fā)下會釋放出SO2,繼續(xù)增加脫硫灰的含量,鈣質材料的堿性將降低,SiO2的化學活性得不到熱堿的充分激發(fā),影響C-S-H凝膠的形成,導致砌塊的干密度在達到最大值后開始逐漸減小。增加脫硫灰的摻入量,對制得的蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度沒有太大影響。但脫硫灰經(jīng)過預消化處理后的抗壓強度明顯比未經(jīng)預消化處理的要高。說明脫硫灰經(jīng)預消化處理后,CaO大部分生成Ca(OH)2,并且放出大量的熱,在熱堿激發(fā)下,少量的SiO2組分開始表現(xiàn)出化學活性,與Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠,使制品坯體早期強度提高。由圖1和圖2可知,固定鈣質材料的比例25%,用脫硫灰代替石灰制得的砌塊的干密度<700kg/m3,抗壓強度>5.0MP,符合GB11968-2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》中B07合格品的要求。研究結果表明,脫硫灰可以替代石灰,作為蒸壓加氣混凝土砌塊的鈣質材料,同時不會對砌塊的性能產(chǎn)生負面影響。2.2原材料比例確定2.2.1交互作用的影響采用正交實驗進行考察,以確定1.1節(jié)中8種材料的最佳配比。在正交實驗中脫硫灰、粉煤灰、水渣+水泥總質量固定為3kg,只需要2個因子。其他配料,如鋁粉、水、燒堿、石膏占前三者一定的比例,各需1個因子,每個因子按3個水平進行實驗,各水平如表2所示。由于各因素之間可能存在相互影響,所以還需考察交互作用A×C、A×F。由于三水平正交表每列的自由度為2,而兩列的交互作用的自由度等于兩列的自由度相乘,即2×2=4,所以每兩列的交互作用是另外兩列,而不是一列。這樣自由度總計有7×(3-1)+2×4=22個,而L27(313)有27-1=26個自由度,因此實驗按正交表L27(313)進行。在L27(313)中,第1,2列的交互作用是第3,4列,第1,5列的交互作用是第6,7列。可以將A、C分別安排在第1、2列,A×C則安排在第3、4列,將F安排在第5列,A×F則安排在第6、7列,其他4個因子B、G、E、D則可以在余下列中任意安排,本實驗中將它們分別安排在第8、11、12、13列,余下第9、10列為空白列,作為誤差。2.2.2實驗因素水平的影響實驗考察蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度yi(MPa),結果如表3所示。誤差的偏差平方和(Sj)可以用正交表中未排因子的空白列的偏差平方和來計算。在本實驗中可用第9、10列的偏差平方和來估計誤差,因為第9、10列沒有安排因子,所以它們的偏差平方和中不包括因子水平間的差異,而僅僅反映了實驗誤差的大小。此外,第6、7列原來是考察A×F的交互作用,但經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn),其偏差平方和與空白列的偏差平方和接近,說明A與F之間并不存在交互作用,可以將第6、7列與第9、10列合并起來作為誤差估計,所以,總的誤差的偏差平方和計算如下。Se=S6+S7+S9+S10=0.020+0.003+0.009+0.009=0.041查F表可知。F0.01(2,8)=8.65,F0.05(2,8)=4.46,F0.10(2,8)=3.11;F0.01(4,8)=7.01,F0.05(4,8)=3.84,F0.10(4,8)=2.81。根據(jù)正交實驗顯著性檢驗標準,若F>F0.01(f1,f2),表示實驗因素水平的改變對實驗指標的影響特別顯著,稱“該因素高度顯著”,記作“**”;若F0.01(f1,f2)≥F>F0.05(f1,f2),表示實驗因素水平的改變對實驗指標的影響顯著,稱“該因素顯著”,記作“*”;若F0.05(f1,f2)≥F>F0.10(f1,f2),表示實驗因素水平的改變對實驗指標的影響比較顯著,稱“該因素較顯著”,記作“(*)”;若F≤F0.25(f1,f2),表示實驗因素水平的改變對實驗指標基本無影響,稱“該因素無影響”,不作標記。對于顯著的交互作用A×C,可做交互作用表5所示。通過方差分析可以得出以下結論:脫硫灰摻量的改變對蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度有高度顯著的影響,極差K2A>K1A>K3A,選2水平較好。鋁粉投加量的改變對蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度有高度顯著的影響,極差K1C>K2C>K3C,選1水平較好。脫硫灰和鋁粉之間的交互作用對蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度有高度顯著的影響。參照交互作用表,可以確定脫硫灰選2水平,鋁粉選1水平較好。燒堿投加量的改變對蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度有高度顯著的影響。極差K3F>K1F>K2F,選3水平較好。水渣和水泥摻量的改變對蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度有高度顯著的影響,K3B>K1B>K2B,選3水平較好。石膏的改變對蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度沒有顯著影響,可任意選取,根據(jù)節(jié)約原則,選1水平較好。穩(wěn)泡劑摻量的改變對蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度有一定的影響,K1E>K3E>K2E,選1水平較好。水料比的改變對蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度有顯著的影響,極差K2D>K1D>K3D的大小,選2水平較好。2.3護理條件的確定由于粉煤灰中所含的二氧化硅活性比較低,在常溫下與氧化鈣的水化反應非常慢。只有提高溫度才能激發(fā)其活性,因此需要采用蒸壓養(yǎng)護。2.3.1正交實驗的設計蒸壓養(yǎng)護過程中影響蒸壓加氣混凝土砌塊性能的主要是升溫、恒溫和降溫3個階段,采用正交實驗確定影響這3個階段的4個因素——升溫時間、恒溫壓力、恒溫時間和降溫時間。各因素的水平如表6所示。為符合自由度的要求,實驗按正交表L8(27)進行。2.3.2調溫時間及降溫能力實驗考察蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度,結果如表7所示。極差K2A>K1A,升溫時間選1水平較好。K2B>K1B,恒溫時間選2水平較好。K2C>K1C,降溫時間選2水平較好。K2D>K1D,恒溫壓力選2水平較好。2.4塊sem分析2.4.1晶核的網(wǎng)狀結構如圖3所示,C-S-H凝膠出現(xiàn)在晶核的周圍。并由晶核表面伸展到砌塊固相間的空隙,相互交聯(lián),形成復雜的網(wǎng)狀結構。隨著水化反應繼續(xù)進行,液相越來越少,料漿逐漸失去流動性,固化成強度較低的坯體。2.4.2活性硅系石榴石如圖4所示,砌塊中形成了大量的晶體,晶體的形狀主要是針棒狀與片狀,晶體之間空隙較小,連接緊密,砌塊的強度主要在這個階段形成。由于粉煤灰的水化作用在常溫下非常慢,但在8～16個大氣壓下,175～203℃的蒸壓條件下,粉煤灰中的SiO2被激活,活性二氧化硅的存在會促進形成結晶度差的C-H-S,它所含的氧化鈣比正常水化形成的氧化鈣要少。隨著溫度的升高,水化硅酸鈣的結晶程度不斷提高,形成另一種片狀晶態(tài)的水化產(chǎn)物——托勃莫來石。隨著活性SiO2的不斷增加,以及恒溫時間的延長,水化鋁酸鈣和SiO2作用,生成水化石榴石。近一步延長時間還可能生成其他結晶的水化硅酸鈣。與此同時,水化鋁酸三鈣和脫硫灰中的石膏發(fā)生進一步反應生成針棒狀的鈣礬石晶體(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)。2.5養(yǎng)護條件確定將各種材料按照2.2中確定的最佳比例備料,并對砌塊按照2.3中確定的最佳養(yǎng)護條件進行養(yǎng)護,制得的砌塊的各項性能如表8所示,砌塊的干密度和抗壓強度達到B07優(yōu)等品要求,干燥收縮性能、抗凍性能、導熱性能均符合GB11968-2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標準的要求。3加入水化產(chǎn)物(1)脫硫灰是一種顆粒細小、比表面積大、以鈣基為主、包含氫氧化鈣、碳酸鈣和硫酸鈣等活性成分的固體粉末物質,適合作為蒸壓加氣混凝土砌塊的鈣質材料。(2)脫硫灰制備蒸壓加氣混凝土砌塊的最佳配比:脫硫灰摻入量為25%,粉煤灰摻入量為45%,水渣和水泥摻入量均為15%,鋁粉摻入量為0.04%,水料比為0.7,穩(wěn)泡劑摻入量為0.0012%,燒堿摻入量為1%,石膏摻入量為3%。(3)脫硫灰制備蒸壓加氣混凝土砌塊的最佳養(yǎng)護條件:抽真空時間為0.5h,真空度為-0.08～0.06MPa,升溫時間為3h,恒溫時間為8