硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物蒸壓反應(yīng)活性研究

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東廣州 510640)

灰砂磚、加氣混凝土砌塊等蒸壓硅酸鹽制品是重要的建筑材料，其生產(chǎn)所用原材料分為硅鋁質(zhì)原料與鈣質(zhì)原料。常用的硅鋁質(zhì)原料有粉煤灰、煤粉爐渣等工業(yè)廢棄物[1-6]。目前已有多種方法用于評(píng)價(jià)工業(yè)廢棄物可否用作蒸壓硅酸鹽制品硅質(zhì)材料，其中大部分以材料的化學(xué)成分進(jìn)行評(píng)價(jià)，但大量實(shí)驗(yàn)證明，相同或相似化學(xué)成分的不同材料表現(xiàn)出明顯的蒸壓性能差異，這說明通過化學(xué)成分來評(píng)價(jià)蒸壓條件下材料的反應(yīng)活性不夠精確。蒸壓制品中，硅鋁質(zhì)原料是主要的化學(xué)活性物質(zhì)，其品質(zhì)的穩(wěn)定性對(duì)其蒸壓制品性能的影響非常大。如何評(píng)價(jià)煤粉爐渣在蒸壓條件下的反應(yīng)能力，對(duì)硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物的合理利用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物包括2種粉煤灰(FA1、FA2)和2種煤粉爐渣(CR3、CR4)，全部通過0.08 mm方孔篩，石灰為工業(yè)級(jí)熟石灰。各原料的化學(xué)成分見表1。物相分析顯示4種硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物礦物組成均為玻璃相、石英和莫來石等。

表1 原料的化學(xué)組成 %

1．2 實(shí)驗(yàn)與測試

樣品的成型與養(yǎng)護(hù)：將硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物與石灰按一定的CaO與SiO2物質(zhì)的量比混合均勻，加入一定量的水(均采用液固比為0.20)，攪拌均勻，用液體壓力機(jī)在6 MPa下壓制成截面積為10 cm2、高為5 cm的圓柱狀試塊，密封靜置12 h，放入蒸壓釜內(nèi)在一定的壓力下(升溫3 h，1.1 MPa和180 ℃下恒溫6 h)進(jìn)行蒸壓，然后在蒸壓釜內(nèi)自然冷卻至室溫。

活性SiO2、Al2O3測定：根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]的方法測定硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物活性SiO2、Al2O3。

采用Vector33傅立葉變換紅外譜儀進(jìn)行FT-IR分析。采用D/max-Ⅲ型全自動(dòng)X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行表征(Cu靶,石墨單色器,電壓40 kV,電流30 mA)。

2 結(jié)果與討論

2．1 原料紅外光譜分析

圖1為4種硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物FT-IR譜圖。由圖1可見，F(xiàn)A2的1 098 cm-1處、CR3的1 094 cm-1處、FA1的1 081 cm-1處和CR4的1 070 cm-1處吸收峰均屬于Si—O鍵的伸縮振動(dòng)。4種硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物紅外光譜強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率大小關(guān)系為：CR4>FA1>CR3>FA2。

圖1 硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物的紅外光譜圖

2．2 不同n(CaO)/n(SiO2)蒸壓制品的抗壓強(qiáng)度

圖2為4種硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物與石灰不同n(CaO)/n(SiO2)下蒸壓制品的抗壓強(qiáng)度。由圖2可見，不同的硅鋁質(zhì)原料對(duì)應(yīng)的蒸壓制品的強(qiáng)度存在差別，在鈣硅物質(zhì)的量比相同的情況下，CR4-石灰石體系的蒸壓制品抗壓強(qiáng)度最大，F(xiàn)A1-石灰石和CR3-石灰石體系次之，F(xiàn)A2-石灰石體系最小。

圖2 硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物蒸壓制品的抗壓強(qiáng)度

2．3 硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物蒸壓反應(yīng)活性機(jī)理分析

采用活性SiO2、Al2O3的含量以及紅外光譜1 100 cm-1附近強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率綜合評(píng)價(jià)硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物的蒸壓反應(yīng)活性。活性SiO2、Al2O3是指硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物在蒸壓條件下溶出并能與鈣質(zhì)材料發(fā)生反應(yīng)的SiO2、Al2O3的含量，在原料n(CaO)/n(SiO2)相同的情況下，溶出活性SiO2、Al2O3的含量可反映硅鋁質(zhì)原料參與反應(yīng)的程度，進(jìn)而可表征其蒸壓反應(yīng)活性。

硅酸鹽礦物中Si—O的振動(dòng)頻率在400～1 200 cm-1。不同結(jié)構(gòu)類型的振動(dòng)頻率有差別。總的來看，聚合的高于孤立的Si—O振動(dòng)頻率，并隨聚合程度的增加而升高。硅酸鹽礦物在850～1 200 cm-1的強(qiáng)吸收帶較容易判斷，因此選用蒸壓硅酸鹽材料在850～1 200 cm-1的強(qiáng)吸收帶Si—O不對(duì)稱振動(dòng)頻率大小判斷Si—O鍵的強(qiáng)度，判斷打斷硅酸鹽礦物中聚合的Si—O鍵所需要能量的大小，以此評(píng)價(jià)在蒸壓條件下硅酸鹽礦物的水化反應(yīng)活性。紅外光譜強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率越低，鍵的破壞和重新組合也越容易，反應(yīng)活性越強(qiáng)。

在相同的蒸壓工藝和CaO與SiO2物質(zhì)的量比的條件下，蒸壓制品的抗壓強(qiáng)度則反映了硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物的反應(yīng)能力，這也是實(shí)際生產(chǎn)中最受關(guān)注的指標(biāo)。

硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物蒸壓制品抗壓強(qiáng)度與活性SiO2、Al2O3含量、紅外光譜1 100 cm-1附近強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率之間的關(guān)系如表2所示。

表2 蒸壓制品強(qiáng)度與其活性SiO2、Al2O3含量及Si—O伸縮振動(dòng)頻率關(guān)系

由表2可知，隨著硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物Si—O伸縮振動(dòng)頻率從1 098 cm-1降至1 070 cm-1，硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物的活性SiO2、Al2O3含量從8.4%升至13.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，蒸壓制品抗壓強(qiáng)度由25.5 MPa升至31.5 MPa，由此可見硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物的活性SiO2、Al2O3含量及紅外光譜1 100 cm-1附近強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率與其蒸壓反應(yīng)活性相關(guān)，即硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物的活性SiO2、Al2O3含量越高，1 100 cm-1附近強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率越低，其蒸壓反應(yīng)活性越大，蒸壓制品強(qiáng)度越高。

硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物主要由硅酸鹽礦物和鋁酸鹽礦物組成，硅酸鹽結(jié)構(gòu)以硅氧四面體為骨干構(gòu)成，鋁酸鹽礦物通常以鋁氧四面體或鋁氧六面體存在，通常情況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在蒸壓環(huán)境的高溫高壓條件中，硅酸鹽結(jié)構(gòu)和鋁酸鹽結(jié)構(gòu)被破壞，活性硅鋁溶出，并與Ca(OH)2和水反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物。硅酸鹽礦物在850～1 200 cm-1的強(qiáng)吸收帶，在紅外光譜中較容易判斷，且硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物中硅酸鹽礦物含量比鋁酸鹽礦物大得多，因此硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物蒸壓反應(yīng)活性可以采用紅外光譜1 100 cm-1附近強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率及其活性SiO2、Al2O3含量來綜合評(píng)價(jià)。

3 結(jié)語

在1 100 cm-1附近強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率越低，硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物結(jié)構(gòu)越容易破壞，蒸壓反應(yīng)活性越強(qiáng)；溶出的活性SiO2、Al2O3越多，與鈣質(zhì)材料發(fā)生反應(yīng)的SiO2、Al2O3的含量就越多，蒸壓制品抗壓強(qiáng)度越高?？梢酝ㄟ^活性SiO2、Al2O3含量及1 100 cm-1附近強(qiáng)吸收區(qū)的Si—O伸縮振動(dòng)頻率來綜合評(píng)價(jià)硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物在蒸壓條件下的反應(yīng)活性，以更合理利用硅鋁質(zhì)工業(yè)廢棄物生產(chǎn)蒸壓硅酸鹽制品

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