蛋壳粉对偏高岭土—水泥水化和强度的影响.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.019混凝土ConcreteMATERIALAND ADMINICLE原材料及辅助物料蛋壳粉对偏高岭土一水泥水化和强度的影响胡春华，马腾（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉430 0 6 4)摘要：为探究蛋壳粉(ESP)对偏高岭土(MK)一水泥体系的影响，将蛋壳粉与偏高岭土以不同的质量比取代水泥制备试件，对试件的强度结果以及水化产物进行分析。结果表明,ESP与MK分别取代1 0%水泥的试件，与单掺2 0%MK的水泥相比，各个龄期强度除3d强度降幅较大外,7、2 8 d强度都仅有略微的降低。与对照组PC相比3d强度降低过大,7 d强度略微降低,2 8 d强度略高于PC;ESP和MK分别取代1 0%和2 0%水泥的试件，与单掺30%MK相比，各个龄期强度除3d强度略微降低外，7、2 8 d强度大致相同，与PC相比有类似结果。所有复掺试样中，ESP和MK的分别取代5%和2 0%水泥试件抗压强度结果最优，与PC相比提升了约1 5%。偏高岭土-水泥体系中加人蛋壳粉可增加浆体溶液中碳酸根离子的浓度，与偏高岭土中的铝相结合生成碳酸铝盐，可增加水泥水化产物体积，从而提高水泥后期强度的发展。关键词：蛋壳粉；偏高岭土；水化；强度；影响机理中图分类号：TU528.041(College of Civil Engineering,Architecture and Environment,Hubei University of Technology,Wuahan 430064,China)Abstract:To explore the composite effect of eggshell powder(ESP)and metakaolin(MK)in cement,eggshell powder and metakaolinwere compounded to replace cement with different mass ratios.The effect of compound mixing eggshell powder and metakaolin on cementstrength was studied.The results show that ESP and MK replace 20%cement with 1:1.Compared with cement with 20%MK,the strength ateach age decreases slightly at 7 and 28 days,except that the strength at 3 days decreases greatly.Compared with PC,3 d strength decreasedtoo much,7 d strength decreased slightly,and 28 d strength was slightly higher than PC.When ESP and MK replace 30%cement with 1:2,compared with cement with 30%MK,the 3 d strength decreases slightly,and the 7 d and 28 d strength is basically the same.Compared withPC,the 3 d strength is lower,the 7 d strength is basically the same,the 28 d compressive strength is slightly higher than PC,and theflexural strength is significantly improved.Among all the mixed samples,the composite strength of ESP and MK with 1:4 instead of 25%cement is the best,and the compressive strength is increased by about 15%compared with PC.Adding eggshell powder to metakaolincement system can increase the concentration of carbonate ion in slurry solution,combine with aluminum in metakaolin to form aluminumcarbonate,and increase the volume of cement hydration products,so as to improve the development of later strength of cement.Key words:eggshell powder;metakaolin;hydration;trength influencing mechanism文献标志码：AEffect of eggshell powder and metakaolin on hydration and strength of cementHU Chunhua,MA Teng文章编号：1 0 0 2-3550(2 0 2 3)0 6-0 0 9 5-0 5换催化氧化来生产生物柴油 3-4。但除了作为饲料中的补钙0引言剂,ESP在其他方面都是极其少量的应用。但即使是作为我国作为鸡蛋生产和消费的大国，2 0 1 9 年鸡蛋产量达饲料中的补钙剂ESP也有缺陷的。虽然说蛋壳粉是可以用到了历史最高的3356 万t，而随着人口和生活水平的提高，来补钙的。但是，把它们清洗、杀菌等一系列加工方式，也这个数字还会增长。蛋壳约占鸡蛋总重的1 1%l。据不完全是需要成本的。跟其他渠道生产的碳酸钙粉末相比，如果没统计每年至少有30 0 多万t蛋壳将被废弃，腐烂的蛋壳会对有经济优势，饲料厂也不会采用。由于ESP和水泥的部分成其周边环境和空气造成污染。所以，废弃蛋壳如何处理是如分相似，所以替代部分水泥应用于建筑工程领域是一个十今面临的主要难题。分不错的选择。作为水泥需求量很大的土木行业，不仅可以目前,将蛋壳进行处理制成蛋壳粉(ESP)在农业、畜牧大量的使用ESP,而且还可以节约成本，保护环境。业、工业和医学方面都有一定的使用。也有研究发现蛋壳蛋壳粉对水泥砂浆影响机理已有较多的研究。Othmanl粉经处理可以作为除污剂来吸附水中的有害物质。也可研究发现蛋壳粉由于其填充效果和高钙含量从而降低了通过熳烧将蛋壳中CaCO,热分解获得CaO,再通过对酯交吸水率，促进了水泥的水化反应。因此对水泥强度有一定的收稿日期：2 0 2 2-0 3-1 3基金项目：国家自然科学基金（51 1 7 8 1 6 7）95提升，可以作为水泥的替代品。其他研究也有类似的结果。不仅如此,Binici研究还发现通过添加蛋壳粉制成的混凝土可用于屏蔽辐射治疗室，核反应堆和类似建筑物中的辐射。并且增加蛋壳粉的添加比例辐射吸收系数也会增加。不同种类蛋壳以及不同处理方式之间的差异也会影响水泥的强度。P.Pliyal7研究了不同颜色蛋壳发现，与白色蛋壳相比掺有棕色蛋壳粉的水泥强度略优。通常，蛋壳质量会受到多种因素的影响，例如;母鸡的种类/品种/遗传8。棕色的鸡蛋比白色的鸡蛋更大，更重并且壳更厚。然而，壳的颜色并不表示壳的内部成分含量。研究发现棕色蛋壳含96%97%碳酸钙和3%4%有机物质 9-1 0 ,白色蛋壳碳酸钙含量为9 4%,有机物含量为6%和其他次要化合物1-1 2 。基于这些发现，可以认为白色蛋壳和棕色蛋壳中的碳酸钙含量相等。HusseinAlaaJaber13研究发现烧后的蛋壳粉相比于仅研磨的蛋壳粉对水泥强度的提升更有优势,CaCO3高温下会分解成CaO和CO2,CaO能使蛋壳粉具有一定的活性。但是9 0 0 熳烧条件不仅不利于工业化生产而且在烧过程中有温室气体产生，所以本试验重点研究非烧蛋壳粉在水泥中的应用。蛋壳粉的主要成分是CaCO3,这与另一种近年来研究较多的掺合料石灰石粉(LS)类似。P.Pliya7对比石灰石粉和蛋壳粉研究发现，两者碳酸钙含量几乎相同，但蛋壳粉具有更高的氯化物、硫酸盐、硫和有机物，对于砂浆样品的材料Cao水泥65.35偏高岭土0.02蛋壳粉63.6抗压强度，该量可以忽略不计。所以两者在强度上的差异仅限于两者的比表面积的不同。石灰石粉具有更高的比表面积以及纯度更高碳酸钙,这些差异对水泥强度的影响并不大。所以蛋壳粉代替石灰石粉作为水泥掺料具有一定的可行性。诸多学者研究发现 1 5-2 1 在水化反应中水泥中的铝相可与LS中的CO结合生成碳铝酸盐。增加了水化产物的体积，从而提升了水泥强度。由此可以推断蛋壳粉中CO也会有类似的结果，但水泥熟料中的铝相有限,所以研究应集中于火山灰材料和ESP结合使用,来补充水泥中铝相的不足。偏高岭土在其制备过程中消耗的资源少、对环境的影响有限，并且含有40%以上的Al03，是一种和蛋壳粉十分匹配火山灰材料。近年来很多研究者将偏高岭土与石灰石粉、矿渣和粉煤灰等结合在水泥基复合材料中应用。M.Antoni2通过研究得出，复掺30%MK和1 5%LS的水泥与对照组相比在2 8 d时力学性能更优异。该研究对蛋壳粉的应用是一个非常好的借鉴,所以本研究将集中探索蛋壳粉对偏高岭土-水泥复合体系水化和强度的影响机理。1试验1.1原材料试验所用水泥（PC)为华新水泥公司的PI52.5级水泥。蛋壳粉(ESP)和偏高岭土(MK)均为市售粉体。原料的化学组成见表1。PCESP和MK的粒度分别为2 6.9、1 3、1 0 m。表1 原材料的化学组成%MgoSiO20.6021.010.1448.650.290.65FeO;2.550.380.05.CaCo,ESPAl.O;4.2843.180.12K,00.940.180.07SO;2.780.08一Na.00.0960.1301.280Loss1.1345.26032.800莫来石MK其他1.261.981.86强人人101.2试验方法1.2.1强度各试样编号和配合比见表2。各组试样按照GB/T176711999方法成型、养护，分别测定其3、7、2 8 d的抗压和抗折强度。1.2.2水化产物净浆试样和砂浆试样都采用0.5的水灰比，并在相同条件下养护。然后将养护完成的样品取出干燥，待表面水分蒸发完毕时将试件破碎，在乙醇（9 5%）溶液中浸泡48 h终止水化，然后在40 的烘箱中干燥48 h,最后取出试样研磨制备粉末样品，以备后期微观分析使用。96203020/)(a)蛋壳粉4050图1 原料的XRD结果2结果与讨论2.1复合凝胶材料的强度图2 为各试样的强度结果。由图2(a)可知,在抗压强度方面与对照组PC相比，在3d时只有加人1 0%MK时(MK10)与PC几乎相同,其余均小于对照组。在7 d龄期时，各试样均有所增长，并且复掺蛋壳粉和偏高龄土的试样除(ESP:MK-10:10)外均与PC大致相同。2 8 d时,所有试样强度都高于PC。MK 2 0 提升了约1 8%，ESP5MK20提升了约1 5%。当掺入1 0%MK，复掺5%和1 0%的ESP试样抗压强度随6010203020/()(b)偏高岭土405060表2 含蛋壳粉和偏高岭土复合胶凝材料的配合比试件编号水泥PC100MK1090MK2080MK3070ESP:MK-5:1085ESP:MK-10:1080ESP:MK-5:2075ESP:MK-10:207070口3d口7 d28d6050488100PCMK10MK20MK30