談廢棄硅藻土鋼渣制備硅藻泥建筑涂料
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摘要:固體廢棄物再利用不僅可以提高資源的利用率，還可以降低生產(chǎn)總成本。以廢棄低品味硅藻土和鋼渣為主要原料，制備室內(nèi)裝修涂料普通硅藻土，并測(cè)試多項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)果表明:硅藻土和鋼渣隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，比表面積隨之增大，活性指數(shù)隨之升高，而粉磨效率隨之降低;依據(jù)活性指數(shù)優(yōu)選硅藻土粉磨20min，鋼渣粉磨120min;以硅藻土、鋼渣、石英砂、脫硫石膏為原料，當(dāng)水料比約為1∶1時(shí)，配置的硅藻泥狀態(tài)最優(yōu)，當(dāng)水料比高于1∶1時(shí)，會(huì)降低施工性、強(qiáng)度和耐久性。
關(guān)鍵詞:硅藻土；鋼渣；硅藻泥；建筑涂料
1概述
硅藻土屬于非金屬礦產(chǎn)，是我國(guó)重要的應(yīng)用資源，國(guó)內(nèi)已探明儲(chǔ)量4億多噸，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量高達(dá)20億多噸，具有廣泛的利用途徑［1-3］。主要應(yīng)用于:食品過(guò)濾(包含:水處理)、建材、農(nóng)業(yè)及化工(包含:環(huán)保方面)等方向。因硅藻土是由白堊紀(jì)后期時(shí)期的單細(xì)胞硅藻遺骸形成的多孔硅質(zhì)沉積巖，且在形成過(guò)程中與火山噴發(fā)和活動(dòng)有密切關(guān)系，所以其礦物成分主要為礦物蛋白石及其他雜質(zhì)，主要成分為非晶二氧化硅。目前我國(guó)僅對(duì)優(yōu)質(zhì)一級(jí)硅藻土加工再利用，而二級(jí)、三級(jí)或中、低品味的資源，因含有大量黏土、砂質(zhì)等雜質(zhì)，不能直接用來(lái)生產(chǎn)高性能高附加值產(chǎn)品，仍處于閑置廢棄狀態(tài)。因硅藻土具有微火山活性［4］，所以應(yīng)激活其活性后，使反應(yīng)提高能后，再加以利用，本文采用機(jī)械粉磨方式激活。隨著居家裝飾及膠粘劑的大量使用，室內(nèi)空氣的有害污染已嚴(yán)重超標(biāo)，凈化功能的內(nèi)墻涂料也呈現(xiàn)多樣化，可分為:光催化降解型、物理吸附型、吸附催化復(fù)合型。硅藻土的多孔性，孔隙率達(dá)80%～90%，是活性炭的5×103倍以上［5］，適合作為吸附材料應(yīng)用于涂料中。結(jié)合內(nèi)墻裝飾設(shè)計(jì)對(duì)視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)的要求，硅藻土產(chǎn)品在藝術(shù)表現(xiàn)力上和后期保養(yǎng)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)裝飾材料。以硅藻土為主要原料，并摻有膠結(jié)材料以及其他輔助功能材料制備而成的水性涂料，稱為硅藻泥，一般是以干粉態(tài)儲(chǔ)存。以提高資源利用率、降低能源的消耗為原則，本文欲利用廢棄硅藻土及鋼渣為主要原料制備普通硅藻泥，測(cè)試各個(gè)技術(shù)指標(biāo)，并分析指標(biāo)性能。
2實(shí)驗(yàn)及方法
2．1實(shí)驗(yàn)原料
廢棄硅藻土取自吉林長(zhǎng)白礦區(qū)，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。如圖1所示為硅藻土的XRD分析，主要礦物組成為石英、蛋白石。硅藻土SEM圖中存在有多種形狀，包括:圓盤形、橢圓形、圓柱形等，具有特殊的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)［6，7］。鋼渣取自天津某鋼鐵廠，為空氣中自然冷卻的轉(zhuǎn)爐鋼渣，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。根據(jù)冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T140—2009鋼渣化學(xué)分析方法，參照MasonB［8］的反應(yīng)活性計(jì)算堿度值的方法，試驗(yàn)選用鋼渣堿度為3．34＞1．8，具有潛在活性，屬于高堿度鋼渣。鋼渣主要礦物相為硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)和RO相。脫硫石膏化學(xué)成分見(jiàn)表1。由表1可知脫硫石膏的主要化學(xué)成分為CaO和SO3。
2．2實(shí)驗(yàn)方法
2．2．1機(jī)械活化將5kg硅藻土加入實(shí)驗(yàn)室用SMΦ500mm×500mm小型球磨機(jī)，分別粉磨10min，15min，20min，并測(cè)試比表面積。用顎式破碎機(jī)將鋼渣破碎至1mm～2mm后，將5kg硅藻土加入實(shí)驗(yàn)室用SMΦ500mm×500mm小型球磨機(jī)，分別粉磨100min，110min，120min，并測(cè)試比表面積。
2．2．2膠砂制備將硅藻土、鋼渣粉磨不同時(shí)間的物料，按表2，表3制備膠砂試塊，在不低于95%的相對(duì)濕度、(20±1)℃的標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h后脫模，將試樣放入(20±1)℃水中養(yǎng)護(hù)至28d，測(cè)定試樣的抗壓強(qiáng)度及活性。
2．2．3硅藻泥制備取一定量的激活硅藻土、激活鋼渣粉、石英砂、脫硫石膏等原料，配合比如表4所示，用攪拌機(jī)攪拌至各原料混合均勻，制得硅藻泥干粉;再加入干料質(zhì)量3‰的三聚磷酸鈉、乙二醇和適量水，最后用攪拌機(jī)拌和均勻，無(wú)結(jié)塊，即制得普通硅藻泥。
2．2．4樣品測(cè)試采用GB/T8074—2008水泥比表面積測(cè)定方法(勃氏法)測(cè)定各物料的比表面積;采用X’PertPowder型X射線衍射儀進(jìn)行原料XRD分析，Cu靶掃描，速度5°/min，掃描范圍10°～80°，步長(zhǎng)0．02°。膠砂試樣的抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T17671—1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)法;試樣的力學(xué)性能測(cè)試壓力機(jī)的加荷速率為(2．5±0．5)kN/s。硅藻泥施工性:將硅藻泥涂抹在430mm×150mm的無(wú)石棉纖維水泥板上，厚度為(2±0．5)mm，觀察表面是否能均勻、有無(wú)結(jié)塊。干燥抗裂性:按照國(guó)標(biāo)GB/T9779—2015復(fù)層建筑涂料中6．10規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將硅藻泥涂抹在規(guī)格為200mm×150mm的無(wú)石棉纖維水泥板上，將硅藻泥置于吹風(fēng)機(jī)下，恒定風(fēng)速吹3h，結(jié)束后，在板子正上方50cm處，觀察硅藻泥表面有無(wú)裂紋出現(xiàn)，沒(méi)有或者裂紋較少即為合格。表干時(shí)間:按照國(guó)標(biāo)GB/T1728—1979漆膜，膩?zhàn)幽じ稍飼r(shí)間的乙法測(cè)定硅藻泥的表干時(shí)間，將硅藻泥涂抹在規(guī)格為150mm×70mm的無(wú)石棉纖維水泥板上，用秒表測(cè)定硅藻泥表面干燥的時(shí)間，即用手指觸摸，表面不出現(xiàn)裂痕。粘結(jié)強(qiáng)度:按照GB/T9779—2015復(fù)層建筑涂料中6．18規(guī)定的Ⅲ型復(fù)層建筑涂料的測(cè)試方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
3結(jié)果與討論
3．1廢棄硅藻土的機(jī)械力活化
硅藻土、鋼渣粉磨后比表面積見(jiàn)表5，表6，活性指數(shù)見(jiàn)表7。通過(guò)對(duì)硅藻土和鋼渣比表面積的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械力作用下，隨粉磨時(shí)間增長(zhǎng)，比表面積越來(lái)越大。而隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)粉磨效率反而降低，說(shuō)明物料在粉磨過(guò)程中開(kāi)始或已經(jīng)存在團(tuán)聚現(xiàn)象，其中粉體間的范德華力和靜電作用是主要推手，粉體粒徑的減小和比較面積的增大是凸顯范德華力的主要原因，粉磨介質(zhì)對(duì)粉體的做功及粉體分子間弱能鍵斷裂是產(chǎn)生靜電作用的主要原因。而團(tuán)聚的出現(xiàn)表明物料接近粉磨的極限值，如果繼續(xù)延長(zhǎng)粉磨時(shí)長(zhǎng)，會(huì)造成能源的過(guò)耗。因此各物料不再依靠延長(zhǎng)粉磨時(shí)間提升活性。通過(guò)對(duì)硅藻土和鋼渣活性指數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各個(gè)粉磨活性均已達(dá)到GB/T12957—2005用作水泥混合材料的工業(yè)廢渣活性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)要求。硅藻土粉磨后，原硅氧四面體的共價(jià)鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生了大量斷裂的化學(xué)鍵，破壞了原穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生火山活性，并與Ca(OH)2反應(yīng)形成硅氧四面體三元鏈及鈣氧八面體形成的單鏈重復(fù)排列C-S-H。C-S-H因其孔隙率高，熱穩(wěn)定性好，可作為保溫材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域［9］。鋼渣質(zhì)地堅(jiān)硬，耐磨指數(shù)為0．7，因此需要長(zhǎng)時(shí)間的粉磨。由鋼渣的化學(xué)組成和XRD礦物分析可以看出，其與水泥成分相似，有“過(guò)燒型水泥熟料”之稱，因具有潛在活性，也可以做礦物摻合料［10-12］。鋼渣在磨細(xì)后，其礦物組成和化學(xué)成分基本不會(huì)發(fā)生變化。但粉磨細(xì)度會(huì)影響其活性，主要是大顆粒的C3S和C2S比表面積增大導(dǎo)致的［13］。因此采用活性指數(shù)最高的粉磨時(shí)長(zhǎng)為最佳配料。
3．2硅藻泥相關(guān)性能
施工性:觀察無(wú)石棉纖維水泥板，發(fā)現(xiàn)C1，C2表面較為平整，稍有顆粒感，保水性較為合適;而C3，C4表面略有飽和，在攪拌鍋內(nèi)也可看到漿料表面有水層，水泥板背面也有部分水漬。表明用水量為310g時(shí)，漿體可塑性較好，便于施工;當(dāng)增大用水量，漿體粘稠度降低，且保水性差，增大施工成本。表干時(shí)間如表8所示。當(dāng)用水量大時(shí)，表干時(shí)間會(huì)延長(zhǎng);當(dāng)同樣用水量時(shí)，硅藻土含量高的，表干時(shí)間長(zhǎng)。膠體表干的過(guò)程，主要依靠水分的蒸發(fā)。而硅藻土含量高時(shí)，表干時(shí)間較長(zhǎng)是因?yàn)楣柙逋恋亩嗫仔约案弑缺砻娣e，所帶來(lái)的儲(chǔ)水功能:孔隙內(nèi)的表面羥基與水接觸時(shí)發(fā)生羥基反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)吸附及物理吸附，鎖定水分，產(chǎn)生保濕性，而水化的C-S-H雖是高孔隙率，但固水能力在此可以忽略［14-16］。干燥抗裂性:觀察發(fā)現(xiàn)C1，C2的平整度較為均勻，肉眼可見(jiàn)少量短細(xì)裂紋;C3，C4平整度較差，有少量波浪狀態(tài)，邊緣有起褶和少量脫落。產(chǎn)生裂縫和褶皺可能是由于硅藻土含量不同，保濕效果存在差異，使得抵抗水分快速蒸發(fā)能力的異樣;產(chǎn)生波浪狀可能是因?yàn)榈秃抗柙逋猎嚇诱吵矶却?，在水分快速蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的局部的不均勻。粘結(jié)強(qiáng)度如表9所示。低水料比強(qiáng)度自然高于高水料比。鋼渣的水化速率要慢，水化生成C-S-H的量較少，造成早期強(qiáng)度較低［13］。
4結(jié)語(yǔ)
1)硅藻土和鋼渣隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，比表面積隨之增大，而粉磨效率隨之降低;2)硅藻土和鋼渣隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，活性指數(shù)隨之升高，而粉磨效率隨之降低，物料優(yōu)選硅藻土粉磨20min鋼渣粉磨120min;3)硅藻土、鋼渣、石英砂、脫硫石膏為原料，以水料比約為1∶1時(shí)，配置的硅藻泥狀態(tài)最優(yōu)，當(dāng)水料比高于1∶1時(shí)會(huì)降低施工性、耐堿性和粘結(jié)強(qiáng)度。
作者：蔣建亞 張?zhí)K花 孫浩 付旭東 單位：常州佳爾科仿真器材有限公司