无机激发剂与固硫灰渣的协同...发在水泥掺和料中的应用研究_王巍.pdf
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1、第4 1卷 第3期 陕西科技大学学报 V o l.4 1N o.3 2 0 2 3年6月 J o u r n a l o fS h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y J u n.2 0 2 3*文章编号:2 0 9 6-3 9 8 X(2 0 2 3)0 3-0 1 3 1-0 7无机激发剂与固硫灰渣的协同激发在水泥掺和料中的应用研究王 巍1,王 昭2,任思谦1,韩桂英1,伍媛婷2*,刘虎林2(1.陕西正元环保科技产业(集团)有限公司,陕西 西安 7 1 2 0 8 5;2.陕西科技大学 材料科学与
2、工程学院 陕西省无机材料绿色制备与功能化重点实验室,陕西 西安 7 1 0 0 2 1)摘 要:固硫灰渣可作为水泥掺和料减少水泥的消耗,但其自身的特性不足以满足建材资源化利用的要求.本研究通过引入无机激发剂和改变固硫灰渣复配含量的方式实现对固硫灰渣的活性激发,对比二者的成分组成,分析无机激发剂与固硫灰渣的激发作用对水泥胶砂抗压强度和流动度比的影响,并探索其中的作用机理.研究结果表明,在添加1.2%无机激发剂的基础上,将细灰与细渣以最佳的配比(64)作为水泥掺和料,水泥胶砂的流动度比为1 0 5%,3d的抗压强度为2 2.1MP a,相比于细灰或细渣单独使用时,使抗压强度保持在较高的水平,同时有
3、效提高了体系的流动度比,促进了固硫灰渣的资源化利用.关键词:固硫灰渣掺和料;无机激发剂;抗压强度;流动度比中图分类号:TU 5 2 8 文献标志码:AS t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no f s y n e r g i s t i ce x c i t a t i o no f i n o r g a n i ca c t i v a t o ra n dF B Ci nc e m e n tm i x t u r eWANG W e i1,WANGZ h a o2,R E NS i-q i a n1,HANG u i-y i n g1,WUY u a
4、 n-t i n g2*,L I U H u-l i n2(1.S h a a n x iZ h e n g y u a nE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nT e c h n o l o g yI n d u s t r y(G r o u p)C o.,L t d.,X i a n7 1 2 0 8 5,C h i n a;2.S c h o o l o fM a t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,S h a a n x iK e yL a b o r a t o
5、r yo fG r e e nP r e p a r a t i o na n dF u n c-t i o n a l i z a t i o nf o r I n o r g a n i cM a t e r i a l s,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:F l u i d i z e db e dc o m b u s t i o na s h(F B C)c a nb eu s e da s
6、c o n c r e t em i x t u r et or e d u c ec e-m e n t c o n s u m p t i o n,b u t i t so w nc h a r a c t e r i s t i c s a r en o t e n o u g ht om e e t t h e r e q u i r e m e n t so f r e-s o u r c eu t i l i z a t i o no fb u i l d i n gm a t e r i a l s.B yi n t r o d u c i n gi n o r g a n i
7、ca c t i v a t o ra n dc h a n g i n gt h ec o m p o u n dc o n t e n to fF B C,t h ea c t i v i t yo fF B Ci ss t i m u l a t e d.T h ec o m p o s i t i o no ft i n o r g a n i ca c t i v a t o ra n dF B Ci s c o m p a r e d.T h e i n f l u e n c eo f i n o r g a n i c a c t i v a t o r a n dF B Co
8、 n t h e c o m p r e s-s i v es t r e n g t ha n df l u i d i t yr a t i oo f c e m e n tm o r t a r i sa n a l y z e d,a n dt h ea c t i o nm e c h a n i s mi se x-p l o r e d.T h er e s u l t s s h o wt h a t o n t h eb a s i so f a d d i n g1.2%i n o r g a n i c a c t i v a t o r,w h e n t h e r
9、a t i oo fF B Cm i x t u r ei s64,t h ef l u i d i t yr a t i oo fc e m e n tm o r t a ri s1 0 5%,a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f 3d a y s i s2 2.1MP a.C o m p a r e dw i t ht h eu s eo fF B Ca l o n e,i tk e e p st h ec o m p r e s-s i v es t r e n g t ha t ah i g hl e v e la n de
10、 f f e c t i v e l yi m p r o v e st h ef l u i d i t yr a t i oo f t h es y s t e m,w h i c hp r o m o t e s t h er e s o u r c eu t i l i z a t i o no f s u l f u r f i x i n ga s h.K e yw o r d s:F B Cm i x t u r e;i n o r g a n i ca c t i v a t o r;c o m p r e s s i v es t r e n g t h;f l u i d
11、i t yr a t i o*收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 5基金项目:陕西正元环保科技产业(集团)有限公司科研项目(2 1 0 2 0 0 1 4 8)作者简介:王 巍(1 9 7 0),男,陕西西安人,高级工程师,研究方向:燃煤电厂固废综合利用通讯作者:伍媛婷(1 9 8 1),女,江西赣州人,教授,研究方向:超材料的制备、结构及应用,w u y u a n t i n g s u s t.e d u.c nDOI:10.19481/ki.issn2096-398x.2023.03.028陕西科技大学学报第4 1卷0 引言固硫灰渣是指含硫煤与石灰石等固硫剂按照一定比例混合后,在锅炉
12、内以8 5 09 0 0的温度燃烧固硫后排出的固体废弃物,包括粉末状的固硫灰和块状的固硫渣.现阶段,我国对固硫的性质和应用的研究正处于起步阶段,处理方式大多为堆放填埋,对其利用率较低,因此迫切需要提高固硫灰 渣 的 利 用 率,减 少 随 意 排 放 对 环 境 造 成 的污染1.固硫灰渣是一种具有自硬性和火山灰活性的矿物材料,其活性的主要来源有两个2:(1)硅铝氧化物水化产生的C-S-H凝胶和C-A-H凝胶;(2)硬石膏溶于水与C-A-H反应生成的钙矾石.通常将固硫灰渣与水泥按照一定比例混合,经过一系列水化反应生成具有胶凝能力的水化产物,减少混凝土中水泥的消耗.与传统粉煤灰不同,固硫灰渣在燃
13、烧过程中需加入石灰石脱硫,导致C a O和S O3含量较高3,而在后续水化历程中,较高含量的C a O和S O3会加快其对水分的消耗,降低体系流动度比,使其应用受到了限制.周明凯等4的研究表明,固硫灰的粒径和掺量较大时,会降低体系的抗压强度,而研磨之后粒径较小时,也会导致需水量和总膨胀能降低,所以需要严格控制固硫灰的细度和掺量.邓天明等5利用固硫灰与固硫渣复配的方式代替等质量的粉煤灰用于水泥掺合料,制得的掺和料安定性合格,且抗压活性指数可达8 4%左右.柳瑞翠等6认为,随着固硫灰掺量的增加,掺和料的需水量增大,早期抗压强度降低,但后期的抗压强度持续增大,由此可知,可通过改变固硫灰与固硫渣掺量的
14、方式来影响水泥掺合料的性能,减少其应用的限制.另外,在实际的生产中,通常利用外加激发剂在一定程度上提高水泥掺和料的性能,但传统的激发剂存在成本高、激发效果不理想、污染环境等问题.其中,酸激发剂对设备要求较高;碱激发剂会引发材料的集堆料反应进而破坏内部材料;氯盐和硫酸盐的激发效果有限,且对环境也会造成不利的影响7,因而急需开发一种高效、环保的无机激发剂来替代传统激发剂.利用无机激发剂和固硫灰渣复配的方式实现对固硫灰渣的活性激发,影响水泥胶砂体系的抗压强度和流动度比.通过对比固硫灰渣的微观结构,物相及成分组成,研究无机激发剂和固硫灰渣对所合成掺合料的激发效果,分析无机激发剂和不同含量的固硫灰渣对水
15、泥胶砂抗压强度和流动度比的影响,并利用X R D与S EM等测试方法分析固硫灰渣胶凝材料的水化产物,探索其作用机理.1 实验部分1.1 试剂与原材料试验采用的固硫灰渣来自陕西能源麟北发电有限公司,水泥为冀东P.O 4 2.5普通硅酸盐水泥,砂石质量均符合国家规范标准.采用的外加剂是陕西正元环保科技产业(集团)有限公司提供的激发剂,主要成分为碳酸钙,掺杂量为1.2%(占固硫灰渣掺杂总量的1.2%),所有原料均未做任何纯化处理.1.2 固硫灰渣水泥胶砂的制备为了提高固硫灰渣的火山灰活性,采用物理研磨的方式对原渣(未经处理的固硫渣)和原灰(未经处理的固硫灰)进行不同程度的处理制得细渣与细灰,粉磨时间
16、分别为5 0m i n和4 0m i n.按照 水泥胶砂强度检验方法(I S O法)G B/T1 7 6 7 1-2 0 2 1标准,将3 1 5g基准水泥、1 3 5g固硫灰渣掺和料、13 5 0g标准砂以及2 2 5g拌和用水混合并制成4 0c m*4 0c m*1 6 0c m的水泥胶砂试块,材料用量均以干燥状态为准.其中固硫灰渣掺和料的具体配比如表1所示.表1 固硫灰渣的试验配比项目细灰/%细渣/%无机激发剂/%细灰1 0 000细渣01 0 00H1 0Z01 0 001.2H0Z1 001 0 01.2H7H37 03 01.2H6Z46 04 01.2H5Z55 05 01.21
17、.3 分析和测试方法采用X射线衍射仪(X R D,D/m a x 2 2 0 0 P C型)表征试块矿物组成和物相结构,确定其中元素的存在形式;将试块经研磨、制样和喷金处理之后,利用扫描电镜显微镜(S EM,3 0 0 0 M型,美国F E I公司)对其微观形貌进行表征,分析灰、渣表面结构的差异性;根据X射线荧光光谱 仪(X R F,D F-1 0 0 0 E型)的荧光波长确定试块的元素种类与含量,并将测试结果以氧化物的形式表示;试块研磨前后的比表面积采用全自动比表面积测定仪(B E T,F B T-9型)进行测试.将水泥胶砂试块放入温度为2 0、湿度为231第3期王 巍等:无机激发剂与固硫灰
18、渣的协同激发在水泥掺和料中的应用研究9 0%的标准养护室中养护至相应龄期,按照 水泥胶砂强度检验方法(I S O法)G B/T1 7 6 7 1-2 0 2 1国家标准,采用电脑全自动恒应力压力试验机(D Y E-2 0 0 0型)测定3个连续水泥胶砂的抗压强度,并取平均值作为该组的最终测试数据;以J G/T4 8 6-2 0 1 5 混凝土用复合掺合料 为标准,利用水泥胶砂流动度测定仪(N L D-3型)进行水泥试块的流动度比实验,测试其流动度比值8.2 结果与讨论2.1 固硫灰渣的成分组成图1是固硫原灰与固硫原渣的成分组成.由图1可知,固硫原灰与原渣的主要化学成分有f-C a O、S i
19、O2、A l2O3、F e2O3、C a O、M g O、S O3等,其中,固硫原灰的f-C a O、A l2O3、C a O、M g O和S O3的含量较高,固硫原渣的S i O2和F e2O3的含量较高.与传统粉煤灰相比,固硫灰渣中C a O和S O3的含量较高,这主要是由于含硫煤在燃烧过程中加入了石灰石等固硫剂进行固硫反应,同时C a和S的含量大于固硫反应的所消耗的理论值,导致部分未反应的C a和S元素残留在固硫灰渣中9.图1 固硫原灰与原渣的成分组成固硫原灰与原渣的X R D衍射图谱如图2所示.结果表明,固硫原灰的主要矿物为-石英、硬石、赤铁矿、游离氧化钙和石灰石等.固硫原渣的主要矿物
20、为-石英、石灰石、赤铁矿和游离氧化钙.二者的物相类型基本一致,但固硫原灰中硬石膏和石灰石的含量较高,固硫原渣中-石英含量较高.结合图1与图2的分析结果可知,固硫原灰与原渣的S i O2和A l2O3含量较高,因此具有较高的火山灰活性,可利用其自硬性作为水泥的掺和料,减少水泥的消耗,但二者的化学成分与矿物组成存一定的差异,需满足实际建材要求的前提下,以最佳的配比应用到水泥掺和料中.图2 固硫原灰与原渣的X R D衍射图谱2.2 固硫灰渣的微观形貌图3是固硫灰和固硫渣研磨前后的S EM图.由图3(a)(d)可以看出,原渣的粒径主要集中分布在15 0m,颗粒形貌不规则,有角状、块状、椭圆状等,研磨之
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