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鋼渣比表面積與低碳建筑材料性能分析

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了鋼渣比表面積與低碳建筑材料性能分析范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請(qǐng)閱讀。

鋼渣比表面積與低碳建筑材料性能分析

摘要:研究了鋼渣的粉磨特性及其比表面積對(duì)低碳建筑材料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng),鋼渣的比表面積逐漸增大,但其粉磨效率逐漸降低;隨著鋼渣比表面積的提高,砂漿的流動(dòng)度和碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸增大,LBM試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也明顯增加,且比對(duì)比試樣的強(qiáng)度增加30倍以上;綜合考慮能耗和強(qiáng)度指標(biāo),應(yīng)選用比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備低碳建筑材料的主要膠結(jié)材,其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度可分別超過6MPa和25MPa。

關(guān)鍵詞:鋼渣;二氧化碳;低碳建筑材料;比表面積;強(qiáng)度

0前言

我國(guó)每年排放大量的富含硅、鋁、鈣、鎂等元素工業(yè)廢渣,如煤矸石、電石渣、鋼渣、礦渣等,其中只有礦渣得到了較好的利用,鋼渣的利用率約20%[1]。這些廢渣富含CaO和MgO的廢渣對(duì)CO2具有良好的吸收固定作用,是制備新型低碳建筑制品良好的原材料[2-5]。因CO2和工業(yè)廢渣的排放量巨大,所以任何一項(xiàng)減排技術(shù)首先要具備規(guī)?;臏p排潛力[6-7]。與這些排放量相匹配的領(lǐng)域,惟有建筑材料,即只有建筑材料領(lǐng)域可以有效地消納它們。我國(guó)建筑業(yè)規(guī)模十分巨大,2015年水泥和混凝土用量分別達(dá)到約25億t和45億m3。因此,若可在建筑材料制備過程中實(shí)現(xiàn)固碳,同時(shí)得到一種新型建筑材料以替代部分硅酸鹽水泥基制品,則將具有非常巨大的減排潛力和廣闊的市場(chǎng)前景,也將為水泥工業(yè)、混凝土和土木工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,以及CO2和廢渣的有效利用與資源化開創(chuàng)一條新的技術(shù)途徑。本論文的基本研究構(gòu)思就是利用鋼渣和CO2來制備一種新型的低碳建筑材料,同時(shí)實(shí)現(xiàn)化學(xué)固碳。

1試驗(yàn)方案

1.1原材料

(1)鋼渣:寶鋼不銹鋼滾筒尾渣,經(jīng)干態(tài)初級(jí)磁選除鐵處理,其密度為3081kg/m3,(2)砂:為河砂,經(jīng)過烘干、過2.5mm圓孔篩制得,其細(xì)度模數(shù)為2.3。(3)CO2:高純度二氧化碳,裝在高壓鋼瓶中。(4)改性劑:鈣質(zhì)材料與表面活性劑的復(fù)合粉。

1.2配合比

低碳建筑材料是由鋼渣粉、砂和水配制而成,其中鋼渣粉為膠結(jié)材,改性劑摻量為1%,集料為河砂。材料配合比設(shè)計(jì)時(shí),固定水膠比為0.5;砂膠比為2.0。

1.3試件的成型與養(yǎng)護(hù)

(1)試件成型。普通試件和輕質(zhì)試件的成型制備方法按照GB/T17671―1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》的要求。對(duì)于普通試件,經(jīng)常規(guī)攪拌后就可直接澆注成型;對(duì)輕質(zhì)試件,經(jīng)常規(guī)攪拌后,加入制備好的泡沫,并慢攪至均勻后澆注成型。試件的尺寸為40mm×40mm×160mm。(2)養(yǎng)護(hù)條件。普通試件在濕度相對(duì)(60±5)%,溫度相對(duì)(20±5)℃的環(huán)境中自然養(yǎng)護(hù)3d后脫模。每個(gè)配比試件分為兩組,一組放入碳化設(shè)備中進(jìn)行碳化養(yǎng)護(hù),經(jīng)完全碳化后得到低碳建筑材料試樣(LBM);另一批放入濕度相對(duì)(95±5)%,溫度相對(duì)(20±2)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù),其養(yǎng)護(hù)時(shí)間與碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同,作為對(duì)比試樣。

1.4試驗(yàn)方法

(1)粉體制備方法。鋼渣粉采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)小球磨機(jī)ɸ500mm×500mm進(jìn)行粉磨制備,其研磨體的平均球徑為44.2mm,球鍛比例1.4,裝載量101kg。原始鋼渣每次加料5kg,粉磨時(shí)間為10~40min,每隔10min測(cè)定一次比表面積,其值控制在450m2/kg之內(nèi)。(2)材料性能指標(biāo)測(cè)試方法。原始鋼渣的粒徑分布按JGJ/52―2006《普通混凝土用砂質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》砂篩析試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定;鋼渣粉體的比表面積按GB/T8074―2008《水泥比表面積測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定。砂漿的流動(dòng)度按照GB/T2419―2005《水膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》規(guī)定的方法測(cè)定;按照J(rèn)GJ/T70―2009《砂漿試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法測(cè)定新拌砂漿的密度;按照GB/T50082―2009《普通混凝土長(zhǎng)期性和面抗性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法測(cè)定試樣的碳化深度;按照GB/T17671―1999規(guī)定的方法測(cè)定試樣的強(qiáng)度。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1鋼渣的理化特性

(1)化學(xué)組成。由表1可知,鋼渣的堿性系數(shù)和質(zhì)量系數(shù)分別為2.07和2.30,為堿性渣。更重要的是鋼渣中CaO與MgO的含量較高,表明它們對(duì)CO2具有較大的、潛在的吸收固定作用,是制備LBM良好的原材料。(2)顆粒級(jí)配。對(duì)未經(jīng)粉磨加工的鋼渣,須通過篩分析試驗(yàn)測(cè)試其顆粒級(jí)配與分布,結(jié)果見表2。結(jié)果表明,原始鋼渣中細(xì)粉含量較多,<0.16mm細(xì)粉比例高達(dá)74.5%,細(xì)度模數(shù)為1.90。

2.2鋼渣的粉磨特性

鋼渣的比表面積與活性密切相關(guān)。其比表面積越大,化學(xué)反應(yīng)活性越高,但粉磨能耗越高。本試驗(yàn)利用球磨機(jī)對(duì)鋼渣進(jìn)行粉磨處理,粉磨前把>5mm粗顆粒篩除。粉磨時(shí)間對(duì)鋼渣比表面積的影響見圖1和表3,其中粉磨時(shí)間0是指未經(jīng)粉磨處理,但過0.16mm篩的細(xì)粉。圖1和表3的結(jié)果表明,隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng),鋼渣的比表面積逐漸增大,但比表面積的增長(zhǎng)速率或者說其粉磨效率逐漸降低。這是因?yàn)椴捎们蚰C(jī)進(jìn)行粉磨時(shí),粉磨產(chǎn)生的細(xì)粉會(huì)干擾研磨體對(duì)更粗顆粒的粉磨,起到緩沖的作用。此外,當(dāng)粉體細(xì)度超過一定值后,還會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。因此,為了提高粉磨效率和降低粉磨能耗,建議采用立磨制備鋼渣微粉。

2.3流動(dòng)度

鋼渣比表面積對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響見表3和圖2,結(jié)果表明,隨著鋼渣比表面積的提高,砂漿的流動(dòng)度逐漸增大。該結(jié)果與水泥基材料不同,其原因可能與砂漿體系的顆粒級(jí)配有關(guān),有待進(jìn)一步分析.

2.4碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間

鋼渣比表面積對(duì)砂漿碳化性能的影響見表3。結(jié)果表明,隨著鋼渣比表面積的增大,砂漿的碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間(完全碳化所需時(shí)間)增加。這主要是因?yàn)殡S著比表面積的增大,鋼渣的活性提高,水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2等堿性物質(zhì)增多,并且流動(dòng)度增大有利于砂漿密實(shí)度的提高,都會(huì)導(dǎo)致碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)。

2.5強(qiáng)度

鋼渣比表面積對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響見表3和圖3。結(jié)果表明,對(duì)比試樣的強(qiáng)度基本在1MPa以下,因其值太低,就不做特別的分析討論。隨著鋼渣比表面積的增加,LBM試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均明顯增加,但是當(dāng)鋼渣比表面積超過350m2/kg后,其強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯變??;LBM試樣的強(qiáng)度比對(duì)比試樣有了顯著的提升。例如,在160~350m2/kg范圍內(nèi),鋼渣比表面積每增加50m2/kg后,LBM試樣的抗壓強(qiáng)度就可增加4.51MPa,但比表面積>350m2/kg后,鋼渣比表面積每增加50m2/kg僅可使LBM試樣的抗壓強(qiáng)度增加0.58MPa;當(dāng)鋼渣比表面積為352m2/kg時(shí),LBM試樣的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度可分別達(dá)約26MPa和6.3MPa,較對(duì)比試樣強(qiáng)度分別增加約35倍和30倍。這主要是因?yàn)殇撛蠧a(OH)2、Mg(OH)2、CSH等水化產(chǎn)物在碳化養(yǎng)護(hù)過程中,將與CO2充分反應(yīng)生成碳酸鹽礦物,使砂漿結(jié)構(gòu)更加致密,強(qiáng)度得以提升;當(dāng)鋼渣比表面積剛開始增大時(shí),其活性越大,與水反應(yīng)生成的堿性水化產(chǎn)物越多,但當(dāng)比表面積超過一定值后,其水化產(chǎn)物增加量就很小了。綜上所述,當(dāng)比表面積<350m2/kg時(shí),鋼渣的粉磨效率和其制備的LBM試樣強(qiáng)度增加速率明顯高于比表面積>350m2/kg的鋼渣。由于鋼渣比表面積越大,其粉磨能耗越高,因此應(yīng)選擇比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備LBM的主要膠結(jié)材。

3結(jié)論

隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng),鋼渣的比表面積逐漸增大,但比表面積的增長(zhǎng)速率或者說其粉磨效率逐漸降低。因鋼渣中含量較高的CaO與MgO,是制備低碳建筑材料良好的原材料。隨著鋼渣比表面積的提高,砂漿的流動(dòng)度和碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸增大;對(duì)比試樣的強(qiáng)度均低于1MPa,但LBM試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均明顯增加,且LBM試樣的強(qiáng)度比對(duì)比試樣有非常顯著的提高。綜合考慮粉磨效率、能耗和強(qiáng)度等性能指標(biāo),應(yīng)選擇比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備LBM的主要膠結(jié)材。其制備的低碳建筑材料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度可分別超過6MPa和25MPa。

作者:楊全兵 王文潔 單位:同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 同濟(jì)大學(xué)材料學(xué)院材料工程研究所 上海寶鋼新型建材科技有限公司

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