白泥-粉煤灰-水泥復(fù)合基體的制備及性能研究

白泥-粉煤灰-水泥復(fù)合基體的制備及性能研究

隨著我國新堿回收系統(tǒng)的數(shù)量增加和規(guī)模的擴大，產(chǎn)生的白污泥比例顯著增加。因此,對造紙白泥的回收再利用,在建筑材料、塑料行業(yè)以及環(huán)保領(lǐng)域均進行了較多的探索及技術(shù)可行性研究,但終因技術(shù)或成本因素限制了其大范圍的推廣應(yīng)用。其中比較可行的是:對于以木材為原料的造紙苛化白泥,國內(nèi)外一些大型造紙廠多采用回轉(zhuǎn)窯煅燒法生產(chǎn)再生石灰,在苛化過程中循環(huán)使用,但其設(shè)備投資大,工藝復(fù)雜,生產(chǎn)效率低,綜合成本遠高于外購石灰,因此廠家的積極性不高。特別是以非木材纖維為原料的制漿造紙企業(yè),由于白泥的硅含量高,在循環(huán)使用中,要加劇堿回收中硅的干擾,致使堿回收系統(tǒng)無法正常運行。作者通過將造紙白泥與所設(shè)計的外加劑配伍,在蒸汽養(yǎng)護條件下進行適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)處理,將其應(yīng)用于建筑材料的制備,得到不同密度等級的新型輕質(zhì)保溫墻體材料,造紙白泥摻量達50%的復(fù)合基體,3d抗壓強度可達24.1MPa,且未出現(xiàn)泛霜。本文針對造紙白泥特別是非木漿(竹漿)白泥的物理化學(xué)特性,通過添加適當(dāng)?shù)淖灾聘男詣?進一步研究了其在免燒免蒸養(yǎng)(蒸壓)新型墻體材料中的應(yīng)用,本著低成本、高效率、工藝簡單、可操作性強的基本思路,對造紙白泥復(fù)合固化體基體的力學(xué)性能及其影響因素進行了更深入的研究,并測試了其用作墻體材料的各項性能。1原材料和實驗方法1.1安金安零售業(yè)有限公司造紙白泥(竹漿,含水率42%),四川雅安金安紙業(yè)有限公司;粉煤灰(Ⅰ級),四川江油電廠;P·O42.5水泥,北川中聯(lián);改性劑J,自制。原材料化學(xué)組成見表1。1.2性能測試方法復(fù)合固化體基體的制備:采用振動成型的方式,將一定配比的各組分物料倒入攪拌鍋中,攪拌3~5min,加入改性劑,繼續(xù)攪拌3~5min,裝入40mm×40mm×160mm模具,脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至齡期。力學(xué)性能按照GB17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行測試?；A(chǔ)配合比:A配比為m(造紙白泥)∶m(粉煤灰)∶m(水泥)=40∶40∶20,B配比為m(造紙白泥)∶m(粉煤灰)∶m(水泥)=50∶30∶20,C配比為m(造紙白泥)∶m(粉煤灰)∶m(水泥)=60∶20∶20。衍射分析用D/maxRB型XRD(X-raydiffraction)測試,測試條件:Cu靶Kα線,管電壓40kV,管電流30mA。塊狀樣做SEM(Scanningelectronmicroscope,LEOS440)測試。根據(jù)GB/T2542—2003《砌墻磚試驗方法》規(guī)定測試試塊強度以及抗泛霜性能,吸水率、軟化系數(shù)、抗凍融以及干燥收縮率等性能依據(jù)GB/T4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗方法》中規(guī)定的方法進行測試。依據(jù)GB6566—2001《建筑材料放射性核素限量》進行放射性測試。2結(jié)果與分析2.1非木漿融資的堿回收技術(shù)白泥原料粒度見表2,XRD衍射分析圖譜見圖1。經(jīng)測試分析,非木漿造紙白泥的特點:(1)含水率高,原料含水率達到42%。(2)主要礦物組成為碳酸鈣和二氧化硅,分別以碳酸鈣和硫化硅的形式存在。硅元素在堿回收過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重的硅干擾,致使系統(tǒng)無法正常運行,這是造成竹漿白泥區(qū)別于木漿白泥的主要特點,是其通過堿回收系統(tǒng)再利用的技術(shù)瓶頸所在。(3)殘堿含量高,以R2O表示的堿含量接近2%。因此,非木漿造紙白泥利用的技術(shù)難點在于:首先,含水率高,且烘干困難,大大增加其回收過程中的預(yù)處理成本;其次,雜質(zhì)元素含量相對較高,以及其較強的堿性,制約了其作為填料及環(huán)保方面的應(yīng)用;其它領(lǐng)域的應(yīng)用均因處理成本過高,消耗量小而現(xiàn)實意義不大。2.2基質(zhì)制備2.2.1c配比對復(fù)合固體力學(xué)性能的影響對水泥基材料而言,水灰比(W/C)對漿體的工作性能影響較大,同時是力學(xué)性能的主要影響因素。將白泥完全烘干,以外加水的方式控制水料比(水和所有固體原料的質(zhì)量比),水料比對復(fù)合固化體基體抗壓強度的影響見圖2。從圖2可以看出,B配比水料比小于0.40時,對強度的影響非常明顯;降低水料比將顯著提高復(fù)合基體的強度,當(dāng)水料比在0.40~0.45范圍時,其力學(xué)性能隨水料比變化不大。C配比下,白泥摻量增加至60%時,復(fù)合固化體力學(xué)性能下降明顯,當(dāng)水料比低于0.42時,大量自由水被白泥顆粒吸附,喪失流動性,已致使其無法成型。造紙白泥復(fù)合固化基體與普通水泥混凝土中水灰比對強度影響的規(guī)律基本一致,同時因造紙白泥的特殊來源,其又有一定的特殊性。當(dāng)大摻量(50%以上)應(yīng)用白泥制備固化復(fù)合基體時,白泥的高含水率(42%)會顯著增大體系水料比,但這些吸附于白泥顆粒表面及填充于顆粒之間搭接的三角空隙中的空隙水,卻對漿體和易性的改善無益,導(dǎo)致和易性差,各物料間無法混合均勻,最終影響力學(xué)性能和耐久性。因此,應(yīng)設(shè)法打開白泥顆粒的絮凝團聚狀態(tài),充分釋放顆粒表面吸附水及空隙中的自由水,在保證漿體具有一定的工作性能的基礎(chǔ)上,具有盡可能低的水料比。2.2.2最佳摻量的確定充分利用白泥自身所含水分,使其在無外摻水的情況下滿足復(fù)合固化體的成型,水化硬化要求是問題的關(guān)鍵。采用基礎(chǔ)配方A、B、C,將未經(jīng)烘干的原狀白泥(含水率42%)直接使用,此時白泥摻量最大的C組其水料比為0.43,對應(yīng)于A組和B組的水料比分別為0.33和0.36。通過實驗發(fā)現(xiàn):改性劑J的摻入可明顯提升基體的力學(xué)性能,但二者并非成穩(wěn)定的線性關(guān)系,同時,成本的上升也是必須考慮的因素。針對不同的白泥摻量,力求找出改性劑J的最佳摻量(以復(fù)合基體總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計),即改性劑J的飽和摻量(見圖3)。由圖3可知:采用震動成型時,改性劑J的最佳摻量隨白泥比例的減少而增加。在無外摻水時,體系中所含自由水隨白泥比例的增大而增大,一定程度上有助于漿體工作性能,但水料比過大時(大于0.5),會使膠凝材料所占比例減少,同時,試塊硬化后因水分散失而導(dǎo)致的孔隙率上升也是固化體力學(xué)性能下降的原因。白泥(含水率42%)摻量分別為40%、50%、60%時,改性劑J的最佳摻量(飽和摻量)分別為0.37%、0.25%、023%。2.2.3白泥摻量對強度的影響將未經(jīng)處理的白泥(含水率42%)和粉煤灰與水泥按一定的比例混合,并添加適宜摻量的改性劑J,討論了白泥摻量及配比對該體系力學(xué)性能的影響。實驗配合比及力學(xué)性能見表3。從表3可以看出,固定水泥摻量20%時,28d抗壓強度隨著白泥摻量的增加而降低,超過70%時,強度下降比較嚴(yán)重。當(dāng)水泥摻量低于15%時,強度過低,無法達到砌墻磚的產(chǎn)品強度要求。當(dāng)水泥摻量≥20%時,強度隨白泥摻量的升高而降低,但水泥、粉煤灰、白泥三者之間存在一個適宜的配比。白泥摻量增大引起水料比的上升,是力學(xué)性能下降的主要原因。水泥作為水硬性膠凝材料是該體系主要的強度來源,白泥在本體系中主要起填充及骨架作用,同時,白泥中含有2%左右的堿,可激發(fā)水泥和粉煤灰等膠凝材料的反應(yīng)活性。因此,通過調(diào)整白泥原料的含水率來控制復(fù)合基體的水料比,并適當(dāng)添加改性劑,既可以保證工作性能和力學(xué)性能的協(xié)調(diào),同時使白泥資源化利用的消耗量保持在較高水平。2.2.4改性劑j對材料表面元素表達的影響對B組和C組試樣分別進行XRD(見圖4)和SEM(見圖5)測試分析,討論白泥在該體系中的作用機理以及其對體系的影響。由圖4可知,復(fù)合固化體的礦物組成和造紙白泥相同,仍然以碳酸鈣為主晶相,但其衍射峰強度隨白泥摻量的下降逐步減弱。這說明,白泥摻入對體系中膠凝材料水化產(chǎn)物并未產(chǎn)生十分顯著的影響,衍射峰強度的下降主要是其所占比例下降造成的。同時,衍射分析結(jié)果未出現(xiàn)氫氧化鈣和鈣礬石等水泥的常見水化產(chǎn)物,這主要是因為水泥比例較少以及粉煤灰的火山灰反應(yīng)消耗鈣離子,致使在現(xiàn)有條件下儀器無法測出。由圖5可知,樣品內(nèi)部由于改性劑J的加入,白泥顆粒充分分散,并填充在絮凝狀固體凝膠和纖維狀水化產(chǎn)物互相搭接形成空間網(wǎng)絡(luò)中,水化產(chǎn)物緊密包裹在白泥顆粒表面,形成水化產(chǎn)物-白泥顆粒-水化產(chǎn)物的致密均一體系;對比B組樣品和C組樣品發(fā)現(xiàn),B組樣品的密實程度明顯高于C組,由于白泥摻量較高,有較多的白泥顆粒已裸露在外,白泥顆粒與水化產(chǎn)物之間無法相互搭接,且呈亂序分布。因此,白泥顆粒在這一體系中,發(fā)揮了微晶核和微集料效應(yīng),起到骨架與填充作用,不僅有助固體凝膠和纖維的成核結(jié)晶與長大,而且對基體的密實化起到了十分重要的作用。2.3新型墻體材料的研發(fā)對照J(rèn)C/T422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》的要求,依據(jù)1.2中所述實驗方法,采用上述基體制備標(biāo)準(zhǔn)砌墻磚(試塊尺寸:120mm×115mm×53mm),并對其性能進行測試,實驗結(jié)果如表4所示。由表4可知,利用造紙白泥制得的新型墻體材料,其性能完全滿足各項使用要求。白泥摻量60%時,仍然可達到JC/T422—2007中的MU15產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。對造紙白泥砌墻磚(標(biāo)磚)的生產(chǎn)成本估算如下:按體積密度1600kg/m3計算,膠凝材料用量320kg/m3,其單價為300元/t;改性劑用量4kg/m3,其單價為6000元/t;故原材料成本=1600×20%×0.3+1600×0.25%×6=120元/m3。此外,國內(nèi)大部分造紙廠仍為白泥的處置承擔(dān)巨額排污費和場地費,隨著我國環(huán)境治理力度的不斷加強,白泥的處置難題必將嚴(yán)重阻礙造紙企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。同時,隨著我國耕地資源的持續(xù)短缺,普通燒結(jié)磚已經(jīng)在沿海部分城市禁止使用,新型墻體材料的逐步推廣勢在必行。因此,大力推廣造紙白泥在新型墻體材料中的應(yīng)用技術(shù),符合國家政策要求和造紙企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。3可生物降解微膠體系(1)針對造紙白泥(竹漿)含水率高,且難以烘干的特點,研究了白泥-粉煤灰-水泥復(fù)合體系的性能及其影響因素,討論了造紙白泥在新型墻體材料中的應(yīng)用。通過摻入改性劑J,未經(jīng)烘干預(yù)處理的造紙白泥廢料可直接應(yīng)用,制得滿足使用要求的新型墻體材料。(2)水料比、改