循环流化床灰蒸压加气混凝土中延迟形成钙矾石的研究.pdf
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1、第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023循环流化床灰蒸压加气混凝土中延迟形成钙矾石的研究房天齐,黄 舒,乔秀臣(华东理工大学资源与环境工程学院,上海 200030)摘要:以循环流化床灰(CFBA)取代煤粉炉粉煤灰(PFA),研究不同 CFBA 取代量和水泥掺量对蒸压加气混凝土(AAC)抗压强度和干密度的影响,借助化学滴定、X 射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)探究钙矾石(AFt)在 AAC 中延迟形成的特点。结果表明,CFBA 取代 40%(质量分数)PF
2、A、水泥掺量为 20.0%(质量分数)条件下,能够制备满足干密度级别 B05 和强度级别 A3.5 要求的 AAC。当 CFBA 分别取代 40%PFA、100%PFA后,未经蒸压处理的空气养护试样中 AFt 含量于 7 d 达到最大值,分别为 7.71%(质量分数)和 18.60%;经过蒸压制得 AAC 后,再空气养护28 d,试样中延迟生成的 AFt 量均少于1.00%;而蒸压处理制得 AAC 后,再泡水养护28 d,CFBA 取代 40%PFA 的试样中 AFt 生成量为 2.57%,CFBA 取代 100%PFA 的试样中 AFt 生成量达4.46%;CFBA 取代 100%PFA 的
3、 AAC 试样中延迟形成的 AFt 为典型高长径比针棒状晶体,存在体积安定性风险。关键词:蒸压加气混凝土;循环流化床;钙矾石;煤粉炉粉煤灰;干密度;抗压强度中图分类号:TU526文献标志码:A文章编号:1001-1625(2023)07-2439-08Delayed Formation of Ettringite in Autoclaved Aerated Concretewith Circulating Fluidized Bed Fly AshFANG Tianqi,HUANG Shu,QIAO Xiuchen(School of Resources and Environment Eng
4、ineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200030,China)Abstract:Circulating fluidized bed fly ash(CFBA)was used to replace pulverized fuel ash(PFA).The effects ofdifferent CFBA substitution amount and cement content on compressive strength and dry density of autoclaved aerate
5、dconcrete(AAC)were studied.Then,chemical titration,X-ray diffraction(XRD)and scanning electron microscope(SEM)were used to explore the characteristics of delayed formation of ettringite(AFt)in AAC.The results show thatwhen CFBA replaces 40%(mass fraction)PFA and cement content is 20.0%(mass fraction
6、),AAC meeting therequirements of dry density grade B05 and strength grade A3.5 is prepared.When CFBA replaces 40%PFA and 100%PFA,the AFt content in 7 d air cured sample without autoclaved treatment reaches the maximum value of 7.71%(massfraction)and 18.60%,respectively.After AAC obtained by autoclav
7、ed treatment and then air curing for 28 d,the amountof AFt delayed in sample is less than 1.00%.After AAC prepared by autoclaved treatment,and then soaked in water for28 d,the AFt production in sample with CFBA replacing 40%PFA is 2.57%,and the AFt production in sample withCFBA replacing 100%PFA is
8、4.46%.The delayed AFt formed in AAC sample with CFBA replacing 100%PFA is atypical needle-rod crystal with high aspect ratio,which has the risk of volume stability.Key words:autoclaved aerated concrete;circulating fluidized bed;ettringite;pulverized fuel ash;dry density;compressive strength收稿日期:2023
9、-01-16;修订日期:2023-05-03作者简介:房天齐(1996),男,硕士研究生。主要从事固废资源化利用的研究。E-mail:2489813594 通信作者:乔秀臣,博士,教授。E-mail:xiuchenqiao 2440资源综合利用硅 酸 盐 通 报 第 42 卷0 引 言蒸压加气混凝土(autoclaved aerated concrete,AAC)具有质轻、保温和防火等优点,被广泛用于填充墙与隔墙1-2。随着人们环保意识增强,使用稻壳灰3、垃圾焚烧底渣4、铁尾矿5等工业废料制备 AAC 成为国内外学者的探索热点。循环流化床(circulating fluidized bed,C
10、FB)锅炉具有燃烧温度低(850 950)、燃料适应性高和污染气体(SO2和 NOx)排放少等优势6,在我国火力发电领域得到广泛运用。循环流化床灰(circulating fluidizedbed fly ash,CFBA)具有较高的火山灰活性7,理论上利于 AAC 的强度发展,便于制备出性能良好的 AAC 产品。然而,CFBA 中 SO3含量远高于煤粉炉粉煤灰(pulverized fuel ash,PFA),在制备 AAC 的高温蒸压环节,由于工作温度(160)远高于钙矾石(AFt)的分解温度(70),从而导致 CFBA 中的 SO3因无法参与水化反应而继续以无水硫酸钙或半水硫酸钙形式存在
11、。依据砌体结构工程施工规范(GB 502942014)要求,当 AAC 应用到砌筑墙体工程时,需要对砌筑面浇水润湿;当 AAC 产品在雨季露天堆放时,会由于无法有效遮盖等原因而被雨水淋浸;此外,在较高的相对湿度条件下,周围环境也会持续向堆放的 AAC 或砌筑成墙体的 AAC 供应水分。持续或大量的水分供应必然促进含 CFBA 的 AAC 中的无水硫酸钙或半水硫酸钙溶解,并有可能与 CFBA 中残余的活性铝质和钙质组分发生水化反应生成钙矾石(AFt),在 AAC 制备完成后延迟形成的钙矾石可能会造成制品体积破坏8。本研究旨在通过化学定量测定、XRD、SEM 和强度测试等手段,探索 CFBA 取代
12、 PFA 制备成 AAC 产品,再继续空气养护(20、相对湿度90%)或泡水养护(20)不同龄期后钙矾石延迟形成的特点,为 CFBA 制备 AAC 及其应用过程中的科学管控提供理论与技术支撑。1 实 验1.1 试验原料选用 PO 42.5 普通硅酸盐水泥、山西吕梁某火电厂 CFBA、江苏常熟某火电厂 PFA 作为原材料,化学成分见表 1。外加剂石灰选用广州弘纳公司石灰产品(CaO 含量 85%,质量分数),铝粉膏选用济南诚意佳化公司 GLS-65 产品。CFBA 与 PFA 的部分理化性能指标见表 2。表 1 原材料的主要化学组成Table 1 Main chemical compositio
13、n of raw materialsRaw materialMass fraction/%Al2O3SiO2Fe2O3CaOSO3MgOLOICement8.2528.583.3549.532.223.713.31CFBA23.942.716.949.875.930.486.38PFA39.3146.935.553.321.470.841.52表 2 CFBA 与 PFA 的理化性能Table 1 Physical and chemical properties of CFBA and PFAMaterialWater requirement fornormal consistency/%St
14、rength activityindex/%Particle size distribution/%80 mCFBA688553.7237.548.74PFA427228.6157.1514.23从表 1 结果可以发现,CFBA 中 CaO 和 SO3含量均明显高于 PFA。表 2 数据显示,CFBA 的标准稠度需水量、强度活性指数和 45 m 方孔筛通过率都明显高于 PFA。较高的强度活性指数说明 CFBA 相较于 PFA具有更高的火山灰活性,这与文献9结果一致。1.2 试验设备搅拌机为 NRJ-411A 型水泥胶砂搅拌机,养护箱为 HTC-250 型恒温恒湿箱,抗压强度试验采用 WEW-3
15、00B 型微机屏显液压万能试验机,SEM 测试采用日本日立公司 Regulus8100 扫描电子显微镜,XRD 测试采第 7 期房天齐等:循环流化床灰蒸压加气混凝土中延迟形成钙矾石的研究2441样日本理学公司 SmartLab X 射线多晶衍射仪。1.3 试验设计及方法固定所有配合料的钙硅比(即 CaO/SiO2摩尔比)为 0.8,固定铝粉掺量为胶凝材料(水泥、石灰、CFBA和 PFA)总质量的 1.20。各物料的配比如表 3 所示。不同的水固比(W/S)是为了保证各个配比物料的流动度均为(198 2)mm。表3 中所列 CFBA 对 PFA 的取代率为设计取代率,以 S0 中 PFA 的质量
16、百分数为基准。实际配制时为了保证配合料的 CaO/SiO2摩尔比为 0.8,以及所掺水泥的质量百分数,需要微调氧化钙和 CFBA 的质量百分含量。因此表3 中 S1 S9 中 CFBA 的实际质量百分含量和 S0 中 PFA 质量百分含量之比与设计值存在较小偏差。表 3 试验配比Table 3 Mix proportion of experimentSample No.W/SMass fraction/%CementLimeCFBAPFAReplacement of PFAby CFBA/%S00.5715.0020.92064.080S10.6215.0020.1812.9651.8620S
17、20.6715.0019.4126.2439.3540S30.7215.0018.6239.8326.5560S40.7815.0017.8253.7413.4480S50.6812.5020.6826.7340.0940S60.6717.5018.1325.7538.6240S70.6720.0016.8625.2637.8840S80.6622.5015.5824.7737.1540S90.8320.0014.5465.460100 Note:Replacement of PFA by CFBA is mass fraction of CFBA in each mixture to mas
18、s fraction of PFA in S0.根据表 3 设计,准确称取所需水泥、石灰、CFBA、PFA、铝粉和水,并进行充分搅拌。为了满足切割边长100 mm 立方体试样的需要,将搅拌好的料浆注入 200 mm 400 mm 模具,在 40 条件下静置 7 h 后脱模,脱模试样在 0.8 MPa 和 170 条件下继续蒸压 8 h 制得 AAC。其中 S7 和 S9 的脱模试样,一部分用于蒸压制备 AAC,另外一部分则采用空气养护 3、7 和 28 d,标为空气养护无蒸压试样。各个配比的脱模试样蒸压制得 AAC 后,切割成 100 mm 100 mm 100 mm 试样,按照标准蒸压加气混
19、凝土性能试验方法(GB/T 119692020)进行干密度和抗压强度测试。为探索 AFt 延迟形成的特点,将 S7 和 S9 的脱模试样蒸压制得的部分 AAC 再继续空气养护3、7、28 d 和泡水养护 3、7、28 d,到达相应养护龄期后,采集一定量试样,用无水乙醇终止水化后用于 AFt 含量、XRD 和SEM 测试。进行 AFt 含量测定时,先将部分终止水化的试样在 50 抽真空条件下烘干 24 h,然后磨细至100%通过 75 m 方孔筛;采用体积比为 1 3的甲醇-乙二醇溶剂,选择性萃取试样中的 AFt8,按照水泥化学分析方法(GB/T 1762017)中硫酸铜反滴定法,对萃取液中的铝
20、质组分含量进行测定,最后通过 AFt 分子式计算其含量。2 结果与讨论2.1 CFBA 取代 PFA 对 AAC 物理性能的影响图 1 为 CFBA 取代 PFA 对试样干密度和抗压强度的影响。从图 1 可以发现:固定水泥掺量为 15.00%(文中含量、掺量均为质量分数),当 CFBA 取代 PFA 的量从 0%增加到 40%,AAC 试样的干密度和抗压强度均缓慢下降,分别从 534 kg/m3和 3.35 MPa 降低至 520 kg/m3和 3.20 MPa;当 CFBA 取代 60%PFA 后,AAC试样抗压强度降低为 2.50 MPa,干密度则增加为 526 kg/m3;继续取代 80
21、%PFA 后,AAC 试样抗压强度持续下降至 2.36 MPa,但干密度变化很小。当 CFBA 取代 PFA 的量从 0%增加到 80%时,在维持流动度不变条件下,W/S 由 0.57 增大至 0.78,增幅为 36.84%(表 3),这主要是由于 CFBA 较 PFA 粒度小,从而导致较高的需水量(表 2)。而大量水的添加,必然会导致经蒸压制得的 AAC 试样内部形成大量对强度有害的大孔10,进而导致试样抗压强度降低,2442资源综合利用硅 酸 盐 通 报 第 42 卷以及试样干密度降低。然而,CFBA 相较 PFA 具有更高的火山灰活性,意味着 CFBA 取代 PFA 后会在单位体积 AA
22、C 试样中形成更多的反应产物,当取代率增加到一定程度后,反应产物量增加对试样干密度提高的贡献大于需水量对试样干密度降低的效果时(如 CFBA 取代 60%PFA),AAC 试样干密度则会增加(图 1)。图1 结果显示 CFBA 取代40%PFA 后强度降低4.50%,继续取代60%PFA 后强度降低超过25.00%,因此后续研究 CFBA 取代 PFA 的比例定为 40%。2.2 水泥掺量对 AAC 物理性能的影响图 2 为水泥掺量对试样干密度和抗压强度的影响。由图 2 可知,蒸压所得 AAC 试样的干密度和抗压强度均随着水泥掺量增加而增加。固定 CFBA 取代40%PFA,当水泥掺量为12.
23、5%时,试样干密度和抗压强度最小,分别为 517 kg/m3和 3.10 MPa;当水泥掺量增加至 20.0%,试样干密度和抗压强度分别增加到537 kg/m3和3.62 MPa,满足蒸压加气混凝土砌块(GB/T 119682020)干密度级别 B05 和强度级别 A3.5的要求;当水泥掺量继续增加至 22.5%,试样干密度和抗压强度为 542 kg/m3和 3.78 MPa,虽然也满足干密度级别 B05 和强度级别 A3.5 的标准要求,但是干密度非常接近 550 kg/m3的限值。图 1 CFBA 取代 PFA 对试样干密度和抗压强度的影响Fig.1 Influence of replac
24、ement of PFA by CFBA on drybulk density and compressive strength of sample图 2 水泥掺量对试样干密度和抗压强度的影响Fig.2 Influence of cement content on dry bulk densityand compressive strength of sample在蒸压过程中增加水泥掺量,虽然可以增加反应产物 B 型水化石硅酸钙(C-S-H(B)凝胶和托勃莫来石含量,从而提高 AAC 试样强度11,但是一方面由于水泥密度高于石灰、PFA 和 CFBA,增加水泥掺量势必增加 AAC 试样的干密度
25、,另一方面,水泥掺量增加带来的更多反应产物也必然会增加试样的干密度。此外,水泥掺量增加也会导致生产成本增加。因此,本研究综合试样抗压强度、干密度和经济性考量,确定水泥掺量为 20.0%,CFBA 取代 40%PFA 来制备合格 AAC。2.3 掺 CFBA 的 AAC 中 AFt 的延迟形成在养护温度不超过 70 的水泥基水化体系中,通常认为 AFt 的生成量在水化 2 d 后基本稳定,后期随着体系 SO2-4减少,AFt 会逐步转化为单硫型水化产物(AFm)12。表 4 为 S7 和 S9 试样中钙钒石含量。表 4结果显示,对于空气养护无蒸压试样,随着空气养护龄期从 3 d 增加到 7 d,
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