固體廢物蒸壓系統的紅外光譜研究

謝志英,白洪潮,柯昌君 (長江大學城市建設學院,湖北荊州434023)

蒸壓硅酸鹽制品已成為重要的新型墻體材料之一,其生產所用原料大部分來源于固體廢物,如粉煤灰等,利用其在蒸壓條件下與石灰等鈣質原材料發生反應,生成水化硅酸鈣 (C—S—H)、托勃莫來石等水化產物,水化產物相互搭接,形成致密的顯微結構,從而給制品提供強度。工業固體廢物每年有數十億噸排除,如各種礦渣、鋼渣、尾礦以及建筑垃圾等,這些工業固體廢物是否適宜用作蒸壓硅酸鹽制品原料,目前還沒有權威的評價方法,雖然提出了多種評價方法,但大部分方法是以其化學成分來進行評價,如波任諾夫堿性系數[1]等,以簡單的化學成分來評價蒸壓材料水熱特性是不科學的。

對于以玻璃相為主要物相的工業廢物,如粉煤灰、廢玻璃粉、礦渣等,張志杰[2]等利用紅外光譜進行了深入的研究,研究表明,固體廢物紅外光譜強吸收區Si—O鍵伸縮振動頻率與其蒸壓條件下的反應能力之間存在相關性,但工業廢物中鋁的存在形式對蒸壓樣品的強度影響很大。盡管固體廢物中紅外光譜強吸收區Si—O鍵所對應的硅酸鹽均參與了水化反應,但礦渣蒸壓樣品的強度明顯受含鋁相參與水熱反應形成水石榴石的影響,導致蒸壓樣品強度明顯下降。

下面,筆者選用含玻璃相較少的工業廢物鋼渣 (氧化渣)、廢混凝土等以結晶體為主要物相的固體廢物為研究對象,摻入一定量的熟石灰制成樣品,測定其蒸壓試樣結合水量和強度,并用最大結合水量來表示原料體系蒸壓反應能力,研究了固體廢物紅外光譜強吸收區的Si—O伸縮振動頻率與其水熱反應能力及其強度間的關系。

1 原材料

選用熟石灰 (Lime)、鋼渣 (OS1、OS2),廢混凝土 (WC1、WC2、WC3),全部通過0.08mm方孔篩。各種原材料的化學成分如表1所示。

表1 原材料化學學成分

2 試驗方法

按比例配料 (水固比0.20),攪拌均勻,在6000N的壓力下壓制成?36mm×36mm的試件。將成型好的每組樣品分別放入塑料盒中加蓋密封,常溫下靜置16h后,放入蒸壓釜中,按照一定的蒸壓規范進行蒸壓處理。

3 結果與分析

3.1 鋼渣蒸壓系統的紅外光譜分析

試驗選用的2種鋼渣 (OS1、OS2)均為氧化渣,其礦物組成均主要為RO相 (FeO、MgO等的固溶體)、鎂薔薇輝石、鈣鋁黃長石、鈣鐵橄欖石、方解石和少量玻璃相。相對鋼渣2(OS2)而言,鋼渣1(OS1)中RO相和鈣鐵橄欖石較多。

圖1為2種鋼渣的紅外光譜圖。從圖1可以看出,鋼渣1與鋼渣2紅外光譜的主要區別表現在:一是鋼渣1中1427cm-1附近吸收峰更強,表明其碳酸鹽含量較高;二是900cm-1～990cm-1附近強Si—O鍵伸縮振動峰出現的位置:鋼渣1為 919cm-1和 982cm-1,鋼渣2為917cm-1和 979cm-1,分別相差值2cm-1和3cm-1,也就是說,根據強Si—O鍵伸縮振動峰值對應的硅酸鹽,鋼渣2更易參與反應,水化產物更多,可獲得較高強度的蒸壓試樣。

圖2為鋼渣石灰蒸壓系統的紅外光譜圖。圖2表明900cm-1～990cm-1附近強Si—O鍵伸縮振動峰對應的硅酸鹽參與水化反應形成了新的水化產物。根據XRD(X射線衍射)和IR(紅外光譜)分析顯示,OS1的水化產物為C—S—H和托貝莫來石,OS2的主要水化產物為α-C2SH。2種鋼渣蒸壓試樣的水化產物存在顯著差異。

圖1 2種鋼渣的紅外光譜圖

圖2 鋼渣石灰蒸壓系統的紅外光譜圖

圖3和圖4分別為2種鋼渣不同C/S比 (鈣硅比)的鋼渣蒸壓試樣結合水量的變化情況和蒸壓試件抗壓強度。從圖3和圖4可以看出,鋼渣2所能獲得的蒸壓試樣最大強度大于鋼渣1;在相同C/S比下鋼渣2的蒸壓試樣的結合水量大于鋼渣1。

圖3 不同鋼渣蒸壓試件抗壓強度

圖4 鋼渣蒸壓試樣結合水量的變化

比較可知,OS2鋼渣強吸收區紅外光譜強Si—O鍵伸縮振動峰值較小,其蒸壓試樣的結合水量和強度大。

3.2 廢混凝土蒸壓試樣紅外光譜分析

取同一城市不同工程的3種廢混凝土,粗骨料均為花崗巖,但齡期不同,配合比不同,強度未知。3種廢混凝土的主要礦物均為石英、鉀長石、鈉長石、云母、羥鈣石以及少量的方解石,混凝土中水泥水化后形成的水化硅酸鈣C—S—H(I)衍射峰難以分辨。3種廢混凝土的紅外光譜圖如圖5。圖中,3種廢混凝土的紅外光譜在 1000cm-1～1100 cm-1范圍內強Si—O鍵伸縮振動峰位置分別為 1082cm-1和1012cm-1、1081cm-1和1012cm-1和1082cm-1和1012cm-1,明顯受混凝土中粗細骨料 (粗骨料均為花崗巖)的影響。其紅外光譜特征峰基本相同。

圖5 不同廢混凝土的紅外光譜圖

為說明廢混凝土強Si—O鍵伸縮振動峰對應的硅酸鹽參與蒸壓反應,選取WC1與熟石灰蒸壓試樣(熟石灰占固體總質量的20%)進行紅外光譜分析,如圖6所示。顯然1082cm-1和1012cm-1對應的硅酸鹽反應,形成了新的水化產物,出現新的Si—O鍵伸縮振動峰970cm-1。圖7為廢混凝土在不同蒸壓條件下的強度變化 (試樣中熟石灰含量占固體質量的20%,蒸壓處理時間6h)。圖7顯示,不同廢混凝土蒸壓試樣在相同蒸壓條件下的最大強度值基本相同。這一結果表明廢混凝土蒸壓試樣的最大強度值與其強吸收區Si—O鍵伸縮振動峰相同是一致的。

圖6 廢混凝土蒸壓試樣紅外光譜圖

圖7 3種不同廢混凝土的蒸壓制品強度

4 結 論

1)含有高溫熱歷史形成具有活性晶體的固體廢鋼渣,紅外光譜強吸收區Si—O鍵伸縮振動峰與其蒸壓試樣結合水量相關,其試樣強度隨紅外光譜強吸收區Si—O鍵伸縮振動頻率的降低而提高。

2)3種廢混凝土的紅外光譜特征峰相同。蒸壓處理過程中,粗細骨料中部分參與水化,3種廢混凝土蒸壓試樣的水化產物均以托貝莫來石和C—S—H為主,其最大強度也相同。

[1] П·И·Б ОЖЕНОВ.Technology of autoclaved materials[M].Beijing:China Building Industry Press,1985.49～66.

[2]張志杰,唐正宇,柯昌君.含玻璃相固體廢物的蒸壓反應特性 [J].華南理工大學學報 (自科版),2009,37(12):32～36