花岗岩_矿渣基碱激发材料的制备及性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:李 响()男山东济南人高级工程师研究方向为公路建设养护技术与新材料研发(:.)通讯作者:游凌云()男湖南常德人博士副教授研究方向为道路与交通工程(:.)基金项目:湖北省自然科学基金()山东高速湖北发展有限公司技术研发项目()花岗岩/矿渣基碱激发材料的制备及性能研究李 响 布 羽 付文翔 龙正午 游凌云(.湖北武麻高速公路有限公司 湖北 武汉.华中科技大学 土木与水利工程学院 湖北 武汉)摘 要:为探讨花岗岩废料的再生利用问题以水玻璃和氢氧化钠为碱性激发剂利用花岗岩和矿渣制备花岗岩基碱激发材料代替水泥降低水泥生产过程中的二氧化碳排放进而实现“碳达峰、碳中和”目标 通过力学性能试验和微观测试研究矿渣掺量、水玻璃掺量、氢氧化钠掺量、液固比等因素对花岗岩基碱激发材料性能的影响 结果表明:花岗岩/矿渣复合基碱激发材料具有良好的力学性能在配比范围内该碱激发材料的抗压强度随着矿渣掺量和水玻璃掺量的增加而增大 同时氢氧化钠掺量对该碱激发材料的抗压强度有显著影响液固比对于抗压强度也有一定的影响 此外花岗岩/矿渣复合基碱激发材料的强度主要由矿渣提供花岗岩粉末主要起填充作用关键词:碱激发材料 花岗岩 矿渣 再生利用 抗压强度 微观结构中图分类号:.文献标识码:文章编号:()/(.):“”./.:第 期李 响等:花岗岩/矿渣基碱激发材料的制备及性能研究 水泥是基础设施建设应用最广泛的材料之一 年我国水泥产量达到了.亿 然而水泥生产过程中会排放大量的二氧化碳其碳排放量约占全球人类活动产生碳排放总量的 碱激发材料()被认为是一种绿色的传统波特兰水泥的替代品是一种由碱金属原料(固体或液体)和固体硅酸盐粉体反应得到的胶凝材料 相比于传统波特兰水泥碱激发材料具有显著的节能、环保和服役性能 在节能、环保方面碱激发材料制备过程中的碳排放可降低 其原材料主要来源于天然矿物开采和工业固体废弃物能减少不可再生资源和能源的消耗及环境污染在服役性能方面碱激发材料强度高且耐高温、隔热、耐腐蚀性能好界面结合力优异 因此碱激发已逐渐成为一种处理固体废弃物和生产绿色胶凝材料的重要手段 其中碱激发矿渣的相关研究已经比较成熟碱激发矿渣虽然强度高但由于凝结快、干缩大等问题限制了其在实际工程中的广泛应用在花岗岩矿物开采过程中会产生大量的花岗岩废料长期以来这些花岗岩废料的处理方式主要是直接堆积或填埋这不仅占用了大量的土地资源还对周围的生态环境带来了严重的污染 目前也有一些学者研究了回收废弃花岗岩石粉对水泥浆体力学性能的影响然而这些研究所采用的水泥掺量仍然要显著高于花岗岩废料掺量这些方法尽管能在一定程度上消耗花岗岩等废弃物却难以从根源上解决水泥生产所带来的碳排放污染问题 因此为提高花岗岩和矿渣的综合利用率本文以花岗岩和矿渣为原材料制备碱激发材料研究矿渣掺量、水玻璃掺量、氢氧化钠掺量和液固比等因素对其力学性能和微观性能的影响旨在为有效服务我国可持续发展战略和进一步落实我国“碳达峰、碳中和”目标提供技术指导 试验材料与方案.试验材料花岗岩选自湖北武麻高速公路有限公司为白色块状固体主要矿物成分是二氧化硅、氧化铝以及少量的氧化钾和氧化铁 将原状花岗岩在 下烘干并磨成粉末后备用 矿渣采用由巩义市龙泽净水材料有限公司生产的 级高炉粒化矿渣粉 碱性激发剂采用水玻璃和氢氧化钠 水玻璃由枣庄胜鹏水玻璃有限公司生产选用的水玻璃模数为.波美度 二氧化硅()含量为.氧化钠()含量为.水玻璃不溶物含量为.水玻璃在 下的密度为.氢氧化钠颗粒由天津市福晨化学试剂厂生产其 含量为分析纯 级别.试验方案试块材料配比设计如表 所示 首先取矿渣掺量从 到考察矿渣粉掺量对花岗岩/矿渣基碱激发材料的影响变化梯度为 在矿渣粉掺量恒定为 时取水玻璃掺量为 变化梯度为在水玻璃掺量恒定为条件下取氢氧化钠掺量为.和.最后 固定氢氧化钠掺量为.取液固比为.变化梯度为.前驱体(花岗岩和矿渣)掺量之和为 各前表 试验配比设计分组花岗岩掺量/矿渣掺量/水玻璃掺量/氢氧化钠掺量/液固比矿渣掺量对比组.水玻璃掺量对比组.氢氧化钠掺量对比组.液固比对比组.土木工程与管理学报 年驱体掺量、激发剂掺量以及水掺量均以前驱体总质量为基准 液固比为液体成分质量(包括水和水玻璃)与固体成分质量(包括前驱体和氢氧化钠颗粒)之比 试块放置在温度为 湿度为的标准养护箱中养护至待测龄期并测定其抗压强度和显微结构 其中用于测定材料抗压强度的试块尺寸为 的立方体试块 抗压强度测试采用力控制加载模式加载速率为./采用星微光学 电子显微镜测试试块受压破坏后断面的显微结构 值测试采用力辰科技有限公司生产的 仪器在 去离子水中加入 粉末(粉末取自试块的中心部位)用玻璃棒搅拌均匀分别测试 时的 值 结果与讨论.各因素对抗压强度的影响.矿渣掺量如图 矿渣掺量对抗压强度的影响可知碱激发胶凝材料的 抗压强度随矿渣掺量的增加而增大 当矿渣粉掺量从 增加到 时花岗岩/矿渣基碱激发材料试块的 抗压强度大致呈现出先显著增加然后缓慢增加的010203040506070809010001020304050?/%3 d7 d28 d?/MPa图 矿渣掺量对抗压强度的影响趋势 当矿渣掺量处于 时碱激发材料各龄期抗压强度保持在一个相对稳定的状态 对于没有掺矿渣粉和掺 矿渣粉的试块抗压强度很小并且后期抗压强度几乎没有增加 由此可以推测出花岗岩粉末对该碱激发材料抗压强度的形成贡献较小 而对于纯矿渣粉体系 的抗压强度分别能达到.分别为无矿渣试块的 和 倍 当矿渣粉掺量增加到 时该碱激发材料的抗压强度有显著的提升当矿渣粉掺量为 时 的抗压强度分别为.除 抗压强度略有降低之外 和 的抗压强度基本与纯矿渣体系接近 这说明可以采用一个较低的矿渣掺量来改善花岗岩/矿渣基碱激发材料的抗压强度从而提高花岗岩废料的利用率 此外用于建筑材料时通常要求试块的抗压强度在 以上由此可见较低矿渣掺量的花岗岩/矿渣碱激发材料可以满足一般工程对工程材料的强度要求现有研究表明碱激发材料体系中含有的氧化钙越多在碱性激发剂的作用下能迅速产生 凝胶从而形成较高的抗压强度 由于本研究制备的碱激发材料的前驱体是花岗岩粉末和矿渣粉花岗岩粉末钙含量较低且活性低所以纯花岗岩碱激发体系难以形成强度而矿渣粉中的钙含量很高且有很高的活性随着矿渣掺量的增加花岗岩 矿渣复合体系的氧化钙含量增加体系的碱激发活性增强因此导致该复合体系的反应程度加剧产生的凝胶越多从而体系的抗压强度增加 花岗岩粉末的活性低在复合体系中难以与碱性激发剂参与反应只有极少数的花岗岩粉末参与了碱激发反应绝大多数花岗岩粉末仅仅起到微集料填充作用该复合体系的抗压强度主要由矿渣的碱激发反应提供468101214160510152025303540?/%?/MPa图 水玻璃掺量对抗压强度的影响.水玻璃掺量从图 水玻璃掺量对抗压强度的影响可以看出水玻璃掺量在 时该碱激发胶凝材料的 抗压强度均随水玻璃掺量的增加而增加水玻璃掺量为 时试块的抗压强度最高 抗压强度能达到.水玻璃掺量为 时试块各龄期的抗压强度分别为.与水玻璃掺量为 的试块相比降低的幅度很小当水玻璃掺量为 时各龄期的抗压强度分别为.仍然能够满足实际工程的材料强度需求 因此选用一个较低的水玻璃掺量(低于)该碱激发材料也能形成较高的抗压强度 水玻璃水解后会产生硅酸根离子和氢氧根离子随着水玻璃掺量 第 期李 响等:花岗岩/矿渣基碱激发材料的制备及性能研究的增加体系中硅酸根离子和氢氧根离子的含量也会增加 氢氧根离子会形成碱性环境与矿渣中的钙反应加速碱激发反应的进行而硅酸根离子会与钙离子、硅离子以及铝离子发生反应形成凝胶从而使复合体系的抗压强度增加 然而水玻璃含量过高时碱激发反应的速率会降低从而导致抗压强度增长缓慢.氢氧化钠掺量氢氧化钠掺量对碱激发胶凝材料抗压强度的影响如图 所示 当氢氧化钠掺量为.和.时复合体系 的抗压强度仍能够满足工程的要求然而 抗压强度存在显著降低因此无法应用于实际工程中 随着氢氧化钠掺量的继续增加碱激发材料的抗压强度先增后降这种情况下试块 抗压强度能够实现稳定增加满足实际工程中材料的强度要求 当氢氧化钠掺量较低时体系的氢氧根含量较低难以提供碱激发反应进行的碱性环境因此到反应后期碱激发反应会提前中止体系中多余的碱可能会与空气中的二氧化碳发生反应生成碳酸钠晶体碳酸钠晶体析出会破坏试块的内部结构从而对试块的强度产生不利影响 上述结果表明只有当碱性激发剂(水玻璃和氢氧化钠)的掺量适当时前驱体的溶解速率和凝胶的形成速率相匹配该碱激发胶凝材料才能形成较高的抗压强度0.500.851.201.551.9002468101214161820?/%3 d7 d28 d?/MPa图 氢氧化钠掺量对抗压强度的影响.液固比图 为液固比对碱激发胶凝材料抗压强度的影响 该碱激发胶凝材料各龄期的抗压强度随液固比的增大呈现出先增后减的趋势 当液固比为.时试块 抗压强度达到最大为.当液固比为.时试块 抗压强度降至.这是因为液固比较低时缺乏足够的溶液来提供碱激发反应发生的碱性条件导致复合体系的反应不够充分从而形成较低的强度当液固比较高时会对碱性环境进行稀释影响激发剂中硅酸根和氢氧根离子浓度降低前驱体材料中硅铝的溶出率浆体之间的流动性增加同时存在更多未参与反应的水这些水分蒸发后会在试块内部留下大量孔隙和初始缺陷试块的内部初始缺陷将对碱激发胶凝材料的抗压强度产生不利影响0.300.320.340.360.380.40051015202530?3 d7 d28 d?/MPa图 液固比对抗压强度的影响.花岗岩/矿渣基碱激发材料的微观结构.受压破坏断面微观结构为进一步探讨花岗岩/矿渣基碱激发胶凝材料的反应机理对不同矿渣掺量碱激发试块的受压破坏断面进行电子显微镜测试结果如图 所示 以 矿渣掺量的碱激发材料为例图 展示了 矿渣掺量碱激发胶凝材料的受压破坏断面通过电子显微镜观察受压破坏断面的微观结构如图 所示 由图 可知对于纯花岗岩体系断面的颜色全为白色这与花岗岩粉末的颜色一样说明白色断面的主要成分为花岗岩花岗岩几乎没有参与反应与花岗岩粉末的活性低有关对于纯矿渣体系断面的颜色全为蓝绿色未发现白色区域说明蓝绿色区域是矿渣形成的此外矿渣原状粉末的颜色为白色这意味着矿渣在碱性激发剂的作用下参与了碱激发反应 随着矿渣掺量的增加更多的矿渣参与碱激发反应蓝绿色区域的面积增加试块的抗压强度变大 当矿渣掺量较低时(和 的矿渣掺量)试块受压破坏断面主要为白色区域由于参与反应的矿渣较少此时试块的抗压强度与纯矿渣体系相比相差较大(见图)当矿渣掺量从增加到时开始观察到蓝绿色区域并且和白色区域交错分布试块的抗压强度也逐渐增加当矿渣掺量从增加到 时蓝绿色区域逐渐大于白色区域意味着随着矿渣掺量增加有更多的矿渣参与了反应然而此时抗压强度增加的幅度下降说明花岗岩和矿渣之间存在着一个较优的比例使得该碱激发胶凝材料形成较高的抗压强度 此外受压 土木工程与管理学报 年?(a)?(b)10%?(c)20%?(d)30%?(e)40%?(f)50%?(g)60%?(h)70%?(i)80%?(j)90%?(k)?(l)80%?图 花岗岩/矿渣基碱激发材料 受压破坏断面局部显微结构破坏断面的局部显微图像也说明花岗岩/矿渣基碱激发材料的抗压强度主要由矿渣形成花岗岩粉末仅仅起到骨架填充作用 当矿渣掺量为时试块 抗压强度略低于 矿渣掺量的抗压强度这可能与矿渣掺量为 的碱激发试块在制备过程中花岗岩粉末和矿渣粉的分散程度较差有关.值为进一步分析花岗岩/矿渣基碱激发胶凝材料的碱激发特性对不同矿渣掺量的碱激发样品及原材料进行 值测试 花岗岩/矿渣基碱激发材料的 值变化如图 所示图 为前驱体原材料的 值 由图 可知随着矿渣掺量的增加样品的 值呈现增加的趋势 当矿渣掺量为 和 时 值略有降低 这与图 中 和 矿渣掺量的抗压强度低于 矿渣掺量的结果一致意味着凝胶的形成会使得体系的 值增加体系的 值可以间接反映样品的抗压强度 样品的 值要高于原材料粉末的 值这是由于在制备过程中加入了碱性激发剂 此外矿渣粉末的 值要高于花岗岩粉末的 值说明花岗岩粉末需要加入更多的激发剂才能达到与纯矿渣体系相近的 值这也是纯花岗岩基碱激发材料抗压强度低的原因之一体系中 值的上升有利于降低碱性激发剂的消耗说明在一定程度上增加矿渣掺量不仅能够提高花岗岩/矿渣基碱激发材料的抗压强度还可以减少碱性激发剂的消耗从而降低该花岗岩/矿渣基碱激发材料的造价02040608010010.010.511.011.512.012.513.0pH?/%1 min5 min10 min30 min图 花岗岩/矿渣基碱激发材料的 值变化(龄期为 )0510152025309.510.010.511.011.512.012.5pH?min/?图 原材料的 值变化 结 论本文通过室内试验制备花岗岩/矿渣基碱激发胶凝材料分析矿渣掺量、水玻璃掺量、氢氧化钠掺量和液固比等因素对其力学性能和微观性能的影响 主要结论如下:()花岗岩/矿渣基碱激发材料的抗压强度 第 期李 响等:花岗岩/矿渣基碱激发材料的制备及性能研究随着矿渣掺量和水玻璃掺量的增加而增大 氢氧化钠掺量对该碱激发材料的抗压强度有显著影响液固比对于抗压强度也有一定影响()花岗岩/矿渣基碱激发材料的抗压强度主要由矿渣提供花岗岩粉末主要起填充作用花岗岩粉末和矿渣粉之间的分散程度也会对该碱激发材料的抗压强度产生重要的影响()碱激发材料体系 值的上升有利于降低碱性激发剂的消耗说明在一定程度上增加矿渣的掺量不仅能够提高花岗岩/矿渣基碱激发材料的抗压强度还可以减少碱性激发剂的消耗从而降低花岗岩/矿渣基碱激发材料的造价参考文献 .:.佟 庆 魏欣旸 秦旭映等.我国水泥和钢铁行业突破性低碳技术研究.上海节能():.():.马保国 亓 萌 李宗津.碱 矿渣水泥快速凝结的影响因素与机理研究.建筑材料学报():.曾 路 余意恒 任毅 等.碱激发钢渣 矿渣加气混凝土的制备研究.建筑材料学报():.阚黎黎 王文松 王家豪 等.高延性偏高岭土 粉煤灰基地聚合物的制备及拉伸性能.建筑材料学报 ():.许 福 蒋川梓 张书经 等.碱激发矿渣固化土压平衡盾构渣土的试验研究.地下空间与工程学报 ():.郝 彤 田文琴 曹力强 等.大掺量废弃花岗岩石粉对砂浆力学性能影响.混凝土():.黄绍龙 罗宵 黄修林 等.碱激发花岗岩石粉水泥浆体性能研究.混凝土():.黄绍龙 罗宵 卢吉 等.碱激发花岗岩石粉泡沫混凝土性能研究.新型建筑材料 ():.:.龙正午.基于 和 的氯盐侵蚀下沥青 集料界面微观粘附特性研究.湘潭:湘潭大学.:.