碱激发赤泥-矿渣人造骨料及其砂浆性能研究.pdf
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1、第55卷第4期2023年8 月DO1:10.15986/j.1006-7930.2023.04.007西安建筑科技大学学报(自然科学版)J.Xian Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.55No.4Aug.2023碱激发赤泥-矿渣人造骨料及其砂浆性能研究田凯歌1,,王恒岳,王琰帅,董必钦,戴建国,邢(1.中国地震局工程力学研究所,中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江哈尔滨150 0 8 0;2.深圳大学土木与交通工程学院,广东深圳518 0 6 0;3.香港理工大学土木与环境工程系,香港9990 7 7)摘要:利用碱激发技术
2、,采用赤泥和矿渣作为前驱体,以水玻璃为碱激发剂,通过冷固结成球工艺制备碱激发赤泥-矿渣人造骨料实验结果表明所制备的人造骨料的堆积密度低于12 0 0 kg/m,平均单颗粒破碎强度可达10.6 1MPa,筒压强度最高2 1.17 MPa,满足轻集料规范中对骨料的技术要求人造骨料的水化产物主要为C-(N)-A-S-H凝胶、C-S-H凝胶及少量钙矾石经过2 8 d饱和Ca(OH)2溶液浸泡,人造骨料的化学成分未发生明显变化,表明在混凝土模拟孔溶液环境下其化学稳定性良好进一步,以水泥为胶凝材料制备人造骨料砂浆,其2 8 d强度可达54.2 MPa.利用赤泥-矿渣人造骨料部分替代自然骨料制备砂浆,50%
3、替代率砂浆2 8 d平均强度提高2 4.6%综上所述,碱激发赤泥-矿渣人造骨料不仅可以用于制备人造轻质骨料,改善天然骨料供给不足的现状,还可实现赤泥规模化回收利用.关键词:碱激发人造骨料;赤泥;化学稳定性;人造骨料砂浆;强度中图分类号:TU526Study on alkali-activated red mud-slag artificial aggregate andTIAN Kaigel-2,WANG Hengyue”,WANG Yanshuai”,DONG Biqin,DAI Jianguo,XING Fengl.(1.Key Laboratory of Earthquake Engin
4、eering and Engineering Vibration,Institute ofEngineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin 150080,China;2.College of Civil and Transportation Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;3.Department of Civil and Environmental Engineering,The Hong Kong Polytechnic University,
5、Hongkong 999077,China)Abstract:In this study,alkali activated red mud-slag artificial aggregates were prepared by cold-bonded pelletizationtechnology using red mud and granulated ground blast furnace slag(GGBS)as precursors and sodium silicate as thealkali activator.The experimental results show tha
6、t bulk densities of the artificial aggregates are less than 1200kg/m,the average single-particle crushing strength is up to 10.61 MPa and the cylinder compressive strength is up to21.17 MPa,which meets the specification requirements for the lightweight aggregates.The hydration products ofartificial
7、aggregates are mainly the calcium-sodium-silicate-hydrate(C-(N)-A-S-H)gels,calcium-silicate-hydrate(C-S-H)gels and a small amount of ettringites(AFts).After 28 days immersion in saturated Ca(OH)2 solution,no obvious chemical change was detected in the artificial aggregates,indicating that their chem
8、ical stability wasgood in the simulated concrete pore solution.Furthermore,the 28-day compressive strength of cement mortarswith the artificial aggregates can reach 54.2 MPa.The average 28-day compressive strength of mortar with 50%partially replaced artificial aggregates could increase by 24.6%.In
9、total,red mud can be manufactured as alkali-activated artificial aggregates to address both the shortage of natural aggregates and the recycling of red mud.Key words:alkali-activated artificial aggregates;red mud;chemical stability;mortar with artificial aggregates;strength混凝土所具备的独特经济可行性、材料适用性、可塑性、力
10、学性能、及耐久性,使其成为应用最广收稿日期:2 0 2 2-11-11修回日期:2 0 2 3-0 7-16基金项目:国家基金委与香港研究资助局联合科研资助基金合作研究基金项目(NSFC-RGC,52 0 6 116 0 48 1)第一作者:田凯歌(1991一),男,硕士,主要从事碱激发人造骨料研究.E-mail:t i a n k a i g e o u t lo o k.c o m通信作者:邢锋(196 5一),男,教授,博士生导师,主要从事混凝土耐久性研究E-mail:x i n g f s z u.e d u.c n下锋1,2文献标志码:A文章编号:10 0 6-7 930(2 0 2
11、 3)0 4-0 52 8-12its mortar performance泛的人工材料11仅2 0 16 年,全球混凝土产量就大约有2 50 亿t2骨料作为混凝土的主要组成成分之第4期一,在混凝土中体积占比超过6 0%3 据联合国统计,全球每年提取的骨料大约有32 0 50 0 亿t4.城市化发展需要大量骨料用于基础设施建设,然而由于对天然骨料的过度开采和其本身的不可再生特性,许多国家的骨料资源已濒临枯竭1,5 目前,可供采用骨料来源,主要有机制砂、海砂、沙漠砂、再生砂等,然而由于其各自性能的局限6 ,尚不能完全满足现有建设需求,呕需开发新的骨料供应途径另一方面,工业化发展产生的大量工业副产
12、品及固体废弃物(如矿渣、粉煤灰、赤泥等)给社会经济和环境带来巨大的压力3,7-8 对于大量堆放存储的固体废弃物,除了占用大量土地和污染地下水之外,还有可能发生围坝塌而造成的废弃物泄漏事故9。近年来,研究者们不断开拓研究骨料供应途径,其中利用固体废弃物制备人造骨料不仅可以供应混凝土生产的骨料,同时也可以回收利用固体废弃物,可谓一举两得3.6,10-13 目前人造骨料的制备工艺主要有压力成球法、搅拌成球法、挤出-滚圆成球法及高温熔融成球法14 其中搅拌成球法是最常用的成球方法,一般通过成球圆盘的滚动来完成,可结合碱激发技术制备冷固结人造骨料1-16 Dong 等15 以锂渣为原材料,采用碱激发免烧
13、结滚动成球法制备锂渣人造骨料,其骨料单颗粒平均破碎强度最高可达5.25MPa.Dong等17 采用圆盘成球法,以粉煤灰为前驱体、硅酸钠和氢氧化钠混合液为激发剂制备出满足工程标准的人造骨料Xu等18 等以粉煤灰为前驱体制备地聚物人造骨料,并应用其调控高强度工程水泥基复合材料应力硬化性能,为人造骨料提供了一种新的应用途径Xu等19 还发现可以应用地聚物人造骨料提高性能纤维增强水泥基复合材料(ECC)的长期抗拉性能。Tian等2 0 以搅拌成球法制备相变人造骨料,并通过研究发现该人造骨料有助于提高相变混凝土的抗冻融性.Tian等2 1 将废物能源转换场的底灰和飞灰用碱激发方法制备成人造骨料,并通过实
14、验证明,合适底灰和飞灰替代比例的人造骨料可用作建筑材料。Fang等2 2 1 研制的地聚物人造骨料可实现高达10.5的热调节Qian等2 3 对单组分和双组分地聚物人造骨料进行研究发现,双组分造粒工艺更适合地聚物人造骨料的制备Qian等3 还对烧结碱激发人造骨料和冷固结碱激发人造骨料制备工艺和工程性能进行综述,同时提出人造骨料的未来发展方向,其中包括拓宽废弃材料的应用效果和范围、人造骨料的统一测试方法及推广工程应用等.田凯歌,等:碱激发赤泥-矿渣人造骨料及其砂浆性能研究529目前,以赤泥为原材料用于人造骨料制备的研究还比较少前期本文作者曾以赤泥和粉煤灰为前驱体制备人造骨料,并对其基本性能和微观
15、结构进行探究,发现该骨料在建筑领域具有应用前景 本文则采用赤泥和矿渣作为前驱体,利用碱激发技术,以水玻璃为碱激发剂,通过冷固结成球工艺制备碱激发赤泥-矿渣人造骨料,并通过实验对该骨料的基本性能、化学组成成分和微观形貌、化学稳定性能进行测试和分析,进一步,以水泥为胶凝材料制备人造骨料砂浆并对其力学性能进行测试同时,还对人造骨料部分替代自然骨料砂浆的力学性能进行探索。1试验材料及方法1.1试验原料赤泥取自河南省焦作市中国铝业股份有限公司中州分公司,矿渣取自江西省新余市新余钢铁有限公司其化学组成见表1,由表可知,该赤泥为高铁拜耳法赤泥,活性较低,矿渣氧化钙和氧化硅含量较高,碱激发活性较好;其粒径分布
16、见图1,由图可知,赤泥的颗粒中位径为1.30 9m,而矿渣的颗粒中位径为6.7 6 1m,矿渣颗粒粒径明显要大于赤泥颗粒粒径;XRD图谱见图2,据图可知,赤泥主要包含针铁矿(FeO(OH))、赤铁矿(Fe2O:)、方石英(SiO,)、三水铝矿(Al(OH):)和水软铝石(A1O(OH)),而矿渣的矿物相主要为非晶相,仅有部分方解石(CaCO:)呈现晶体相水玻璃购买于嘉善县优瑞耐火材料有限公司,其模数为3.3,组成成分为8.54%Na2O,2 7.3%SiO 2和6 4.16%水在使用前2 4h,每10 0 克水玻璃溶液添加13.2 5g固体氢氧化钠颗粒(分析纯,96%),将其模数调配为1.5,
17、用作激发剂骨料制备用水为自来水.10080%率60402000.1图1原材料(赤泥和矿渣)粒径分布图Fig.1Particle size distribution of powdered rawmaterials(RM and GGBS)矿渣-赤泥1.309m*1Particle size/m*6.761 m101001000530本文采用圆盘造粒机,按照不同赤泥和矿渣质量配比制备人造骨料骨料制备所用固体粉末总质量50 0 g,具体配合比详见表2 其中用水量与成球时间通过预实验进行确定,保证所有固体粉末成球按照设计配合比称取赤泥和矿渣粉末,倒入圆盘造粒机成球盘中,以15r/min的转速拌合2
18、min保持15r/min的低档转速,然后用喷枪以喷洒方式加入提前配置好的1.5M水玻璃激发剂,以保证激发剂能与固体粉末混合均匀,有利Tab.1Chemical compositions of red mud(RM)and GGBS(mass fraction/%)氧化物(wt%)Fe2O赤泥41.54矿渣0.47-针铁矿(FeO(OH)PDF#81-0464)*-赤铁矿(Fe2O,PDF#89-0597)-石英(SiO,PDF#85-0621)三水铝矿(A1(OH),PDF#01-0263)-勃姆石(AIO(OH)PDF#74-1895)1020V-方解石(CaCO,PDF#96-221-41
19、07)1020图2 赤泥(a)和矿渣(b)的XRD图谱Fig.2XRD patterns of RM(a)and GGBS(b)1.2试样制备基于骨料性能,选取R40S60骨料制备人造骨料砂浆,并研究不同水灰比和不同砂率下砂浆的性能差异骨料在使用之前用水浸泡2 4h,进行预饱和处理之后再用于试样制备砂浆制备所用水泥为42.5普通硅酸盐水泥,采用高效固体聚羧酸减水剂来调整砂浆的和易性设置自然骨料砂浆作为对照组,其砂率按照人造骨料等体积换算得出本文所采用自然骨料堆积密度经测试为1602kg/m,人造骨料预饱和处理之后的堆积密西安建筑科技大学学报(自然科学版)于骨料成球添加完激发剂之后,将成球盘转速
20、调节至30 r/min,用喷枪以喷洒方式添加自来水.加完自来水之后,将成球盘转速调节至55r/min,成球2 min后停止成球从加入固体粉末到停止成球,整个过程大约12 min然后将骨料取出并放置于标准养护室(2 0 土3,相对湿度 90)养护2 8d人造骨料初始级配为粗砂,经级配调整至中砂备用人造骨料的配合比设计如表2 所示.表1矿渣和赤泥的化学组成Al2O3SiO219.012.712.926.6304020/()(a)304020/()(b)第55卷Na2 0CaO10.11.850.3740.1度为12 8 3kg/m,经过等体积换算得出:当人造骨料砂浆砂率为1.5时,自然骨料砂浆砂率
21、应设置为1.8 7;当人造骨料砂浆砂率为1时,自然骨料砂浆砂率应设置为1.2 5人造骨料砂浆的配合比设计如表3所示.表2 人造骨料材料配比Tab.21Mix proportions of artificial aggregates50605060K.00.580.40试样编号赤泥/矿渣/g激发剂(水玻璃)/gR80S20400R60S40300R40S60200R20S80100表3人造骨料砂浆配合比Tab.3Mix proportions of artificial aggregate mortars人造骨料试样编号水灰比砂率减水剂/%比例/%A-10A-1-1100A-1-2100A-1-
22、3100A-20A-2-1100A-2-2100A-2-3100注:A-1,A-2 为对照组;A-砂率编号-水灰比编号,砂率编号:1-1.5,2-1,水灰比编号:1-0.2 5,2-0.3,3-0.35.基于人造骨料应用场景的考虑,本文对部分替代自然骨料砂浆也进行了研究在ISO标准砂中,粒径处于1.18 2.36 mm范围内的骨料质量占比为2 3%,占比最高因此,本文以标准砂制备的砂浆作为基准,用1.18 2.36 mm粒径的人造骨料按不同体积比(2 5%,50%,7 5%,10 0%)SO0.532.021002003004000.30.250.30.350.30.250.30.35烧失量4
23、.347.7790.390.390.390.31.871.51.51.51.25111总计90.6490.63水/g505050500.270.180.080.280.07第4期替代标准砂中粒径处于1.18 2.36 mm范围内的骨料来制备部分替代自然骨料砂浆该组砂浆的Tab.4 Mix proportions of mortars made from partial replacement of natural aggregates试样编号水灰比A-0A-25A-50A-75A-1001.3人造骨料性能表征1.3.1基本性能(1)堆积密度和吸水率所制备的人造骨料养护14d后,参照规范2 4测
24、试其堆积密度和吸水率。(2)骨料强度本文采用两种方法对骨料强度进行表征:颗粒破碎仪测试法6 和承压筒测试法2 4 第一种测试方法可以获取单颗骨料破碎强度骨料养护3、7、14、2 8 d 后,分别选取不少于2 0 颗直径为36 mm的未饱水骨料,以公式(1)计算骨料破碎强度并取平均值,从而获得各组骨料的单颗破碎强度.=2.8F/元d2式中:为骨料破碎强度;F为骨料压碎力值;d为骨料直径。骨料颗粒破碎强度测试方便且耗费骨料较少,但承压筒测试法为我国规范规定的轻质骨料强度测试方法,对工程实际有更好的指导意义因此,在骨料养护2 8 d后,亦采用承压筒法确定各组骨料的2 8 d筒压强度.(3)颗粒级配对
25、于强度最优骨料,在养护14d后,参照规范2 4 测试其颗粒级配.1.3.2骨料成分分析为确定人造骨料的矿物相组成及变化,将养护2 8 d骨料、浸泡饱和氢氧化钙溶液7 d骨料及浸泡2 8 d骨料破碎磨粉并过2 0 0 目筛,进行X射线衍射测试(XRD)(德国BrukerD8),测试参数为电压40 kV、电流40 mA、步长0.0 2、每步10 s、20测试范围为5 7 51.3.3微观形貌及铁元素分析采用深圳奥斯维AO-HK830-5870电子显微照相机对养护2 8 d的各组骨料剖面特征进行拍照.田凯歌,等:碱激发赤泥-矿渣人造骨料及其砂浆性能研究配合比设计如表4所示.表4部分替代自然骨料砂浆配
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