硅錳渣復(fù)合粉煤灰制備免蒸壓加氣混凝土

孫鑫蕊 王學(xué)志 辛 明 賀晶晶

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001;2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)院,陜西 西安 710000)

目前,工業(yè)上主要有2種方式制備金屬錳,一種是通過(guò)電解硫酸錳溶液制備金屬錳,另一種為高溫冶煉錳鐵合金制備金屬錳。2種制備方式均會(huì)在制備過(guò)程中產(chǎn)生一定的廢渣。高溫冶煉錳鐵合金時(shí)所排放的高溫爐渣經(jīng)水急冷,形成一種具有潛在水硬性和火山灰性的高爐礦渣,稱為硅錳渣[1]。硅錳渣的產(chǎn)量約為錳鐵合金的2～2.5倍,且活性較弱,因此一般堆填處理或低價(jià)出售。這不僅增加了企業(yè)堆積填埋的費(fèi)用,還使一些有害元素滲入土層,甚至影響地下水等。因此,進(jìn)行硅錳渣的綜合利用研究具有重要意義。

作為一種新型建筑材料,加氣混凝土具有輕質(zhì)、保溫隔熱性能好、隔聲性好、抗震性能好、綠色環(huán)保、可加工性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。粉煤灰是制備加氣混凝土的主要原材料,在各地廣泛應(yīng)用[3-5],但粉煤灰同時(shí)作為生產(chǎn)水泥、混凝土的原料,綜合利用率達(dá)到了較高的水平,甚至由于分布不均,在某些地區(qū)出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。近年來(lái),越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始利用其他工業(yè)固體廢棄物部分或全部替代粉煤灰制備加氣混凝土[6-10]。研究表明,硅錳渣中含有較高的玻璃體SiO2和Al2O3,與粉煤灰成分較為相似,但活性較低[11-14]。

本研究利用硅錳渣不同程度取代粉煤灰制備加氣混凝土,并采用成本相對(duì)更低的免蒸壓養(yǎng)護(hù)方式,探究了硅錳渣摻量對(duì)免蒸壓加氣混凝土性能的影響,同時(shí)等比摻入部分廢棄物硅灰提高料漿中活性SiO2含量。通過(guò)掃描電鏡對(duì)不同取代率的加氣混凝土試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析,為我國(guó)工業(yè)固體廢棄物的綜合利用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)水泥。采用遼寧葫蘆島生產(chǎn)的渤海牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,3 d抗壓強(qiáng)度17.0 MPa,抗折強(qiáng)度3.5 MPa;28 d抗壓強(qiáng)度42.5 MPa,抗折強(qiáng)度6.5 MPa。

(2)硅錳渣。為錦州市中信錦州金屬股份有限公司排放的硅錳渣,淺綠色,堆積密度為686.29 kg/m3,經(jīng)球磨機(jī)球磨至方孔篩(0.08 mm)篩余量≤20%。化學(xué)成分見(jiàn)表1。

(3)粉煤灰。遼寧錦州熱電廠生產(chǎn)的固體廢棄物粉煤灰,化學(xué)成分見(jiàn)表1。

(4)硅灰。取自錦州市,白色,化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the main chemical composition for the test raw material %

(5)生石灰。為錦州鴿子洞白灰廠金鴿牌生石灰,消化溫度約為40 ℃,消化時(shí)間為10～15 min,方孔篩(0.08 mm)篩余量＜20%。

(6)石膏。為凌海市佳利裝飾涂料廠特級(jí)石膏粉,化學(xué)成分見(jiàn)表1。

(7)鋁粉。取自天津市大茂化學(xué)試劑廠,活性鋁含量≥95%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件制備及成型

先將試驗(yàn)所需要的膠凝材料磨細(xì)至規(guī)定要求,按照特定比例混合攪拌,并加入鋁粉、外加劑等,攪拌均勻后澆注料漿,預(yù)養(yǎng)靜停發(fā)泡,坯體切割面包頭并切割至所要求的尺寸,養(yǎng)護(hù)成型,即得到所需要的試件。

1.2.2 試件配合比設(shè)計(jì)

考慮硅錳渣、硅灰與粉煤灰的需水量不同,在使用硅錳渣、硅灰不同取代率替代粉煤灰時(shí),試件的水膠比也不盡相同。在相同水膠比下,由于硅錳渣不易吸水,料漿稠度過(guò)稀,發(fā)生塌模現(xiàn)象,通過(guò)需水量試驗(yàn)探究得出,當(dāng)硅錳渣全部取代粉煤灰制備加氣混凝土?xí)r,水膠比選取0.35～0.39;另外,由于硅錳渣及硅灰與粉煤灰的密度不同,免蒸壓硅錳渣加氣混凝土干密度與強(qiáng)度可能與免蒸壓粉煤灰加氣混凝土試件的數(shù)值略有差異。根據(jù)前期大量探索試驗(yàn),選定免蒸壓粉煤灰加氣混凝土基準(zhǔn)組,基礎(chǔ)配比為:粉煤灰、水泥、石灰、石膏的質(zhì)量比67∶10∶20∶3,水膠比為0.51,保持水泥等用量不變,僅改變硅錳渣、硅灰與粉煤灰的相對(duì)比例,固定硅錳渣、硅灰質(zhì)量比2∶1,以不同取代率(0、25%、50%、75%、100%)代替粉煤灰制備免蒸壓加氣混凝土,具體配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 加氣混凝土原材料配比Table 2 Raw material ratio of aerated concrete

1.2.3 測(cè)試方法

免蒸壓加氣混凝土的干密度、含水率、抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度等性能測(cè)試均參照《蒸壓加氣混凝土砌塊》(GB 11968—2020)及《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》(GB/T 11969—2020)進(jìn)行。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,標(biāo)準(zhǔn)立方體試件,可通過(guò)試驗(yàn)得出加氣混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊的干密度、含水率、立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cc,為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,每組均成型3個(gè)試件,試驗(yàn)結(jié)果取3次平均值。

采用電熱鼓風(fēng)干燥箱對(duì)試件進(jìn)行烘干,測(cè)試干密度及含水率,采用WDW-300型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加氣混凝土立方體抗壓試驗(yàn),采用TESCAN MIRA4型掃描電子顯微鏡觀察并分析加氣混凝土的微觀形貌及孔結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 硅錳渣取代率對(duì)加氣混凝土性能的影響

不同硅錳渣取代率下加氣混凝土的干密度、含水率、吸水率及抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表3 不同硅錳渣取代率下加氣混凝土性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of aerated concrete performance with different substitution rate of silicon manganese slag

由表3可知:F0S4、F1S3、F2S2、F3S1、F4S0系列均符合A5.0等級(jí)加氣混凝土標(biāo)準(zhǔn)。在保證硅錳渣加氣混凝土流動(dòng)性及擴(kuò)展度與粉煤灰加氣混凝土大體一致的情況下,以硅錳渣全部取代粉煤灰制備加氣混凝土需要的水膠比約為0.35。通過(guò)對(duì)比不同摻量的1、2、3系列,可知水膠比越大,加氣混凝土試件干密度越小;而不同取代率下的硅錳渣—粉煤灰加氣混凝土,通過(guò)對(duì)比F0S4、F1S3、F2S2、F3S1、F4S0系列可知,在保證充分發(fā)氣的基礎(chǔ)上,硅錳渣及硅灰取代量越大,試件干密度越大。由F0S4、F1S3中1系列對(duì)比可知,隨著硅錳渣及硅灰取代量從0遞增至25%,干密度增加至740.40 kg/m3;由F0S4、F4S0中1系列對(duì)比可知,當(dāng)硅錳渣及硅灰全部取代粉煤灰制備試件時(shí),干密度由724.33 kg/m3增大至813.97 kg/m3;由F0S4、F4S0中2系列對(duì)比可知,干密度由715.00 kg/m3增大至789.23 kg/m3;由F0S4、F4S0中3系列對(duì)比可知,干密度由705.00 kg/m3增大至770.63 kg/m3。這是由于磨細(xì)后的硅錳渣的密度大于粉煤灰,且需水量小于粉煤灰,因此在制備試件過(guò)程中,相同體積下的硅錳渣加氣混凝土試件質(zhì)量大于粉煤灰加氣混凝土試件質(zhì)量。

試件含水率及吸水率隨硅錳渣及硅灰摻量的增加變化不大,而抗壓強(qiáng)度則隨硅錳渣及硅灰摻量增加及水膠比的變化而呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。水膠比較小的系列,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小再略微增大的趨勢(shì),而隨著水膠比的增大,抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。以低水膠比的1系列為例,當(dāng)硅錳渣及硅灰摻量為0%,水膠比為0.51時(shí),抗壓強(qiáng)度為7.39 MPa;當(dāng)硅錳渣及硅灰摻量為25%,水膠比為0.47時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值7.42 MPa;隨著硅錳渣及硅灰摻量的持續(xù)增加,試件抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì),當(dāng)硅錳渣及硅灰摻量為50%,水膠比為0.43時(shí),抗壓強(qiáng)度為6.70 MPa;當(dāng)硅錳渣及硅灰摻量為75%,水膠比為0.39時(shí),抗壓強(qiáng)度為6.20 MPa;當(dāng)硅錳渣全部取代粉煤灰,水膠比為0.35時(shí),抗壓強(qiáng)度為6.46 MPa。當(dāng)水膠比較低時(shí),試件氣孔率低,硅錳渣全部取代粉煤灰時(shí)有部分未反應(yīng)的硅錳渣微粉起到一定的骨料支撐作用,故在全部取代時(shí)抗壓強(qiáng)度又有低微程度的提高;而相對(duì)高水膠比的2、3系列,抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,無(wú)論硅錳渣取代率為多少,水膠比都是影響加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素。隨著水膠比的增大,料漿稠度變稀,影響加氣混凝土試件的孔結(jié)構(gòu)。然而在制備加氣混凝土的過(guò)程中,并非水膠比越小越適宜,當(dāng)水膠比過(guò)小時(shí),料漿稠化速度大于發(fā)氣速度,易導(dǎo)致發(fā)氣不充分。只有將料漿稠化速度與發(fā)氣速率保持大致一致,才能制備出各方面性能合格的加氣混凝土制品。

在制備加氣混凝土過(guò)程中,料漿中的C3S、C2S以及硅灰等水化后生成水化硅酸鈣,并隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)逐步轉(zhuǎn)化為堿度較低的C—S—H凝膠及托貝莫來(lái)石;而少量C3A和C4AF經(jīng)水化后生成水化鋁酸鈣,由于料漿中含有部分石膏,水化鋁酸鈣可進(jìn)一步反應(yīng)生成鈣礬石。而在石灰消化放熱及高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)的條件下,這一過(guò)程被進(jìn)一步加速,在較短時(shí)間內(nèi)可制備出性能合格的加氣混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程建設(shè)中。

2.2 回歸分析

2.2.1 無(wú)量綱化處理

將試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入IBM SPSS Statistics 26進(jìn)行線性回歸分析,由于不同性能指標(biāo)的意義、量綱、數(shù)值標(biāo)度不同,需對(duì)實(shí)測(cè)加氣混凝土性能指標(biāo)進(jìn)行去量綱處理,對(duì)于免蒸壓加氣混凝土試件的含水率、吸水率及抗壓強(qiáng)度,認(rèn)為越大越好,故采用正向化處理:

對(duì)于免蒸壓加氣混凝土試件的干密度,認(rèn)為越小越好,故采用逆向化處理:

試驗(yàn)結(jié)果無(wú)量綱化處理后,轉(zhuǎn)化為[0,1]之間的無(wú)量綱數(shù)值,將其設(shè)為矩陣X*

對(duì)歸一化后的數(shù)值進(jìn)行因子分析,從總方差解釋表中可知,前2個(gè)主成分貢獻(xiàn)率已達(dá)81.589%,基于特征值＞1,提取2個(gè)主成分,通過(guò)成分矩陣對(duì)提取出的主成分進(jìn)行處理,得出2個(gè)主成分的表達(dá)式:

2.2.2 相關(guān)性分析

為探究免蒸壓加氣混凝土試件性能指標(biāo)與各影響因素間的相關(guān)性,通常采用相關(guān)性分析,在研究中,相關(guān)性分析常受其他變量的影響而無(wú)法反映兩變量間真實(shí)相關(guān)程度,如在探究硅錳渣摻量x1與性能指標(biāo)干密度r的相關(guān)性時(shí),簡(jiǎn)單的雙變量分析無(wú)法排除硅灰摻量x2及水膠比x3等變量對(duì)r的影響,故采用偏相關(guān)性分析判斷各因素的影響程度,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 偏相關(guān)性分析結(jié)果Table 4 Analysis results of partial correlation

相關(guān)系數(shù)(rp)在-1到1之間,絕對(duì)值越大,相關(guān)性越顯著。可以看出,水膠比對(duì)干密度及抗壓強(qiáng)度等性能的影響較大,而硅錳渣及硅灰摻量則與水膠比存在明顯的共線性關(guān)系,依次剔除硅灰摻量、硅錳渣摻量2個(gè)自變量,對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行回歸分析。就免蒸壓加氣混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)而言,一般采用水膠比較小的配比制備試件。

2.2.3 回歸分析

對(duì)免蒸壓加氣混凝土的性能指標(biāo)進(jìn)行線性回歸,采用歸一化后的性能指標(biāo)數(shù)值,顯著水平α=0.05[15-17],在進(jìn)行回歸時(shí),剔除掉了粉煤灰、水泥、石灰、石膏、鋁粉5個(gè)不具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的自變量,以此對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 線性回歸結(jié)果Table 5 Linear regression results

2.3 微觀形貌分析

加氣混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)是由宏觀孔和微觀孔組成的,直接影響著加氣混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和性能[18]。采用SEM對(duì)每組最佳配合比所制備的加氣混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀形貌進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1所示,而不同配合比下加氣混凝土試件孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 不同配合比加氣混凝土試件SEM圖Fig.1 SEM images of aerated concrete specimens with different mixture ratios

圖2 不同配合比加氣混凝土試件孔結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hole structure drawing of aerated concrete specimens with different mixture ratios

由圖1可知:硅錳渣不同取代率制備的加氣混凝土水化產(chǎn)物存在差異。圖1(a)可以看出,當(dāng)硅錳渣取代率為0時(shí),加氣混凝土水化產(chǎn)物密集,有大量結(jié)晶良好的絮狀C—S—H凝膠和緊密交織在一起的長(zhǎng)度為1～4 μm的棒狀鈣礬石,以及部分葉片狀及針狀托貝莫來(lái)石,少量未參與反應(yīng)的原材料被水化產(chǎn)物覆蓋,形成了較為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);圖1(b)中,隨著少量硅錳渣及硅灰的摻加,水化反應(yīng)更加徹底,加氣混凝土試件中葉片狀及針狀托貝莫來(lái)石晶體數(shù)量增加,交錯(cuò)縱橫,形成三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu),與C—S—H凝膠連接起到更好的強(qiáng)度支撐作用;圖1(c)中,隨著硅錳渣及硅灰摻量逐漸增加,加氣混凝土水化產(chǎn)物中托貝莫來(lái)石晶體數(shù)量減少,多呈針葉狀結(jié)構(gòu),棒狀鈣礬石及C—S—H凝膠數(shù)量增加;圖1(d)中,試件孔壁結(jié)構(gòu)較為疏松,以結(jié)晶較差的C—S—H凝膠及鈣礬石為主,并伴有少量托貝莫來(lái)石晶體出現(xiàn);圖1(e)中二氧化硅呈現(xiàn)不規(guī)則顆粒狀,細(xì)小的棒狀鈣礬石與絮狀C—S—H凝膠交纏在一起,并伴有少量托貝莫來(lái)石晶體及未反應(yīng)的原材料。

由圖2可知:硅錳渣不同取代率制備的加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)也存在差異。圖2(a)中,硅錳渣取代率為0時(shí),孔壁厚度大,氣孔率較低,且多為閉孔孔隙;圖2(b)中起骨架支撐作用的水化產(chǎn)物增加,氣孔孔壁厚度增大,氣孔樣貌多為圓形;圖2(c)中氣孔數(shù)量增加,孔壁變薄;圖2(d)中,隨著硅錳渣取代率的持續(xù)增加,孔徑分布不均勻,出現(xiàn)氣孔重疊現(xiàn)象,且多為連通孔隙;當(dāng)硅錳渣完全取代粉煤灰制備加氣混凝土?xí)r,由于磨細(xì)后的硅錳渣膠凝性較差且不易吸水,發(fā)氣效果較差,易形成連通孔或不規(guī)則的扁平孔,如圖2(e)所示。由此可見(jiàn),導(dǎo)致加氣混凝土力學(xué)性能降低的主要原因?yàn)榭妆诤穸茸儽　？妆诤穸葴p小后,試件支撐力弱,易形成連通孔隙,降低力學(xué)性能[19]。

加氣混凝土試件主要形成了少量宏觀孔、部分宏觀毛細(xì)孔及微觀毛細(xì)孔。加氣混凝土中的孔結(jié)構(gòu)及固相體積的比例直接影響材料的強(qiáng)度等性能[18],加氣混凝土的強(qiáng)度不僅與孔隙率相關(guān),也與孔的級(jí)配、形貌、分布有關(guān)[20-21]。由于孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,目前對(duì)加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)的表征尚不完善,還需要繼續(xù)針對(duì)性地開(kāi)展研究,定量分析孔結(jié)構(gòu)特征對(duì)加氣混凝土性能的影響。

3 結(jié) 論

(1)硅錳渣與粉煤灰需水量不同,故當(dāng)硅錳渣不同取代率替代粉煤灰制備免蒸壓加氣混凝土?xí)r,水膠比應(yīng)隨之改變,硅錳渣取代率分別為0、25%、50%、75%、100%時(shí),水膠比0.51、0.47、0.43、0.39、0.35為宜。

(2)隨著硅錳渣摻量的增加,免蒸壓加氣混凝土干密度及吸水率不斷增大,而抗壓強(qiáng)度、含水率等則存在不同程度的降低,當(dāng)硅錳渣完全取代粉煤灰制備免蒸壓加氣混凝土?xí)r,試件抗壓強(qiáng)度又有小幅度提高,當(dāng)粉煤灰與硅錳渣質(zhì)量比為3∶1復(fù)合制備試件時(shí),加氣混凝土抗壓強(qiáng)度最高。

(3)對(duì)試件性能指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱處理,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析及偏相關(guān)性分析,綜合考慮多個(gè)影響因素,建立性能指標(biāo)多因素影響模型,為后續(xù)探究提供依據(jù),并分析不同自變量與因變量相關(guān)程度。就免蒸壓加氣混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)而言,無(wú)論硅錳渣及硅灰取代率大小,均適宜較小水膠比的配比。

(4)硅錳渣不同取代率替代粉煤灰制備免蒸壓加氣混凝土?xí)r,試件孔結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)均存在差異,硅錳渣取代率為0及25%時(shí),試件水化產(chǎn)物多為支撐強(qiáng)度較高的托貝莫來(lái)石晶體,且氣孔孔壁較厚,連通孔隙較少。

(5)硅錳渣不同取代率復(fù)合粉煤灰制備免蒸壓加氣混凝土?xí)r,物理及力學(xué)性能均會(huì)發(fā)生不同程度的改變,但試件均能滿足A5.0級(jí)要求,從綠色環(huán)保及綜合利用大宗固廢的角度考慮,在制備加氣混凝土過(guò)程中,盡量大程度摻加硅錳渣是可行的。