鋁冶煉硅鈣渣基生態(tài)混凝土的性能研究

趙亞釗 劉曉明 李宏煦 張 娜 張宏雷

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2.清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084)

鋁冶煉硅鈣渣基生態(tài)混凝土的性能研究

趙亞釗1劉曉明1李宏煦1張 娜2張宏雷1

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2.清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084)

硅鈣渣是高鋁粉煤灰提取氧化鋁過程中排放的固體廢棄物。為揭示以其為主要原料制備的硅鈣渣基生態(tài)水泥的性能，以32.5#普通硅酸鹽水泥為參照對(duì)象，以天然砂石為骨料、液態(tài)聚羧酸為減水劑，分別制備了等級(jí)為C30和C40的混凝土，比較了同等級(jí)的2種混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。結(jié)果表明：①硅鈣渣基生態(tài)混凝土的早期力學(xué)性能高于相同標(biāo)號(hào)的普通混凝土，后期力學(xué)性能則發(fā)展緩慢，膠砂28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到8 MPa和40 MPa以上。②硅鈣渣基生態(tài)混凝土與普通混凝土相比具有優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性能和抗氯離子滲透性能；硅鈣渣基生態(tài)混凝土14 d 前(含14 d)的收縮率與普通混凝土相當(dāng)，14 d后收縮率小于普通混凝土；C40硅鈣渣基生態(tài)混凝土具有優(yōu)異的抗堿骨料反應(yīng)性能，其余耐久性能與普通混凝土相當(dāng)。③硅鈣渣基生態(tài)水泥對(duì)于Cr離子具有優(yōu)異的固化特性。因此，硅鈣渣基生態(tài)水泥總體性能優(yōu)于32.5#普通硅酸鹽水泥。

硅鈣渣基生態(tài)水泥 32.5#普通硅酸鹽水泥 混凝土 力學(xué)性能 耐久性能

硅鈣渣是高鋁粉煤灰提取氧化鋁過程中排放的固體廢棄物[1]。由于現(xiàn)有工藝的制約，每處理1 t高鋁粉煤灰約產(chǎn)出0.4 t的Al2O3粉和1 t硅鈣渣。硅鈣渣的堆積不僅占用土地，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，實(shí)現(xiàn)硅鈣渣多渠道、規(guī)?；C合利用契合國家產(chǎn)業(yè)政策。

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物的大宗量資源化利用，不少學(xué)者在利用工業(yè)固體廢棄物制備陶粒[2-4]和膠凝材料[5-9]和混凝土[10-11]等方面做了大量研究，但將硅鈣渣用于制備水泥混凝土材料卻未見報(bào)道，而將硅鈣渣應(yīng)用到水泥中正是實(shí)現(xiàn)其大宗量資源化利用的有效途徑之一。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)以硅鈣渣為主要原料，輔以礦渣、熟料、粉煤灰、石膏來制備硅鈣渣基生態(tài)水泥。試驗(yàn)用硅鈣渣取自大唐國際再生資源有限公司，經(jīng)105 ℃烘干；礦渣取自唐山鋼鐵有限責(zé)任公司；熟料取自內(nèi)蒙古蒙西水泥股份有限公司；粉煤灰取自大唐國際再生資源有限公司；石膏取自大唐國際再生資源有限公司；硅鈣渣基生態(tài)水泥為自配32.5#水泥，比表面積為465 m2/kg；普通32.5#硅酸鹽水泥購自冀東水泥公司，比表面積為350 m2/kg。上述原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果

Table 1 Main chemical composition analysis of raw materials %

原 料各化學(xué)成分的含量SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOK2ONa2O硅鈣渣22.928.1740.011.782.020.314.11礦 渣34.1912.5337.251.229.330.510.22熟 料22.194.2163.653.583.571.030.30粉煤灰37.8048.503.622.270.310.360.15生態(tài)水泥25.729.7949.242.714.191.041.13普通水泥20.505.7461.672.754.260.890.19

試驗(yàn)用石子和砂子購自北京昌平，級(jí)配分析結(jié)果見表2。

表2 砂子、石子粒級(jí)級(jí)配

由表2可以看出，砂子中-5 mm粒級(jí)占88.20%，其中5～0.63 mm粒級(jí)占65.30%；石子中+5 mm粒級(jí)占88.25%，其中10～5 mm粒級(jí)占83.25%。

減水劑為中清大科技股份有限公司生產(chǎn)的液態(tài)聚羧酸減水劑。

為了系統(tǒng)研究硅鈣渣混凝土的性能，根據(jù)普通硅酸鹽水泥混凝土的標(biāo)號(hào)規(guī)則設(shè)計(jì)了C30和C40(即28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到30，40 MPa)混凝土，其配合比見表3。

表3 C30和C40混凝土配合比設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)方法

(1)硅鈣渣基生態(tài)水泥的環(huán)境友好性能評(píng)價(jià)。環(huán)境友好性能評(píng)價(jià)借助離子體發(fā)射光譜儀(Inductively CoupledPlasma)，并依據(jù)中華人民共和國環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ557—2009 固體廢物浸出毒性浸出方法 水平振蕩法，對(duì)普通水泥和硅鈣渣基生態(tài)水泥浸出液中有害物質(zhì)含量進(jìn)行測試。

(2)水泥膠砂試驗(yàn)。水泥膠砂試驗(yàn)依照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)在溫度為20±1 ℃、相對(duì)濕度為95%±1%的情況下養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，并繼續(xù)在此條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，測試其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

(3)混凝土成型。混凝土攪拌成型依照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，成型1 d后脫模，放入溫度為20±1 ℃、相對(duì)濕度為95%±1%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

(4)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

(5)混凝土耐久性能試驗(yàn)。混凝土耐久性能試驗(yàn)依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 硅鈣渣基生態(tài)水泥的膠砂性能和環(huán)境性能

3.1.1 硅鈣渣基生態(tài)水泥的膠砂性能

硅鈣渣基生態(tài)水泥膠砂性能見表4。

表4 硅鈣渣基生態(tài)水泥膠砂性能

從表4可以看出，硅鈣渣基生態(tài)水泥膠砂28 d的抗折強(qiáng)度達(dá)到8 MPa以上，抗壓強(qiáng)度達(dá)到45 MPa以上，優(yōu)于32.5#普通硅酸鹽水泥的膠砂性能。

3.1.2 硅鈣渣基生態(tài)水泥的環(huán)境友好性能評(píng)價(jià)

普通水泥和硅鈣渣基生態(tài)水泥有害離子浸出試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 生態(tài)水泥與普通水泥有害離子浸出試驗(yàn)結(jié)果

Table 5 TCLP results of eco-cement and ordinary Portland cement×10-6

項(xiàng) 目各元素的含量AlAsCdCrCuFeMnNiPbSbZn飲用水標(biāo)準(zhǔn)0.2000.0100.0050.0501.0000.3000.1000.0200.0100.0051.000生態(tài)水泥0.1660.00300.0250.1820.1430.0820.0130.01800普通水泥0.0410.00402.3490.1790.1050.0830.0140.02300

從表5可以看出，根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 5749—2006 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，僅普通水泥浸出液中Cr超標(biāo)，生態(tài)水泥浸出液Cr含量不僅不超標(biāo)，而且遠(yuǎn)低于普通水泥，說明硅鈣渣基生態(tài)水泥對(duì)于有害離子具有優(yōu)異的固化特性。

3.2 力學(xué)性能

3.2.1 抗壓強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm，C30、C40混凝土各養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 C30混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 C40混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從圖1、圖2可以看出，硅鈣渣基生態(tài)混凝土的早期抗壓強(qiáng)度(1～7 d)增長更迅速，但7 d后的抗壓強(qiáng)度增長緩慢；2種C30混凝土和2種C40混凝土28 d強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的110%以上；C30、C40硅鈣渣基生態(tài)混凝土的強(qiáng)度均高于對(duì)應(yīng)的普通混凝土的強(qiáng)度，尤其3 d和7 d的強(qiáng)度更是遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)的普通混凝土的強(qiáng)度，7 d的強(qiáng)度均超過30 MPa。

3.2.2 抗折強(qiáng)度

混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)試件規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm，C30、C40混凝土各養(yǎng)護(hù)齡期抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見圖3、圖4。

圖3 C30混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 C40混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從圖3、圖4可以看出，硅鈣渣基生態(tài)混凝土的早期抗折強(qiáng)度(1～7 d)增長更迅速，但7 d后的抗折強(qiáng)度增長緩慢；C30、C40硅鈣渣基生態(tài)混凝土的強(qiáng)度均高于對(duì)應(yīng)的普通混凝土的強(qiáng)度，尤其3 d和7 d的強(qiáng)度更是遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)的普通混凝土的強(qiáng)度。

3.2.3 抗拉強(qiáng)度

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm，C30、C40混凝土各養(yǎng)護(hù)齡期抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見圖5、圖6。

從圖5、圖6可以看出，與抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律類似，生態(tài)混凝土早期抗拉強(qiáng)度迅速增長，且明顯高于相同標(biāo)號(hào)的普通混凝土，而其后期抗拉強(qiáng)度增長緩慢，略優(yōu)于相同標(biāo)號(hào)的普通混凝土。

圖5 C30混凝土抗拉強(qiáng)度

圖6 C40混凝土抗拉強(qiáng)度

3.3 耐久性能

3.3.1 抗凍融性能

混凝土抗凍融試驗(yàn)采用快凍法，以經(jīng)受的快速凍融循環(huán)次數(shù)來表示混凝土的抗凍性能。每個(gè)凍融循環(huán)應(yīng)在2～4 h內(nèi)完成，且用于融化的時(shí)間不得少于整個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間的1/4；在凍融過程中，試件中心任意時(shí)刻的溫度不得高于7 ℃，也不得低于-20 ℃；試件從3 ℃降至-16 ℃所用的時(shí)間不得少于冷凍時(shí)間的1/2，從-16 ℃升至3 ℃所用的時(shí)間不得少于整個(gè)融化時(shí)間的1/2，試件的內(nèi)外溫差不宜超過28 ℃。當(dāng)凍融循環(huán)出現(xiàn)以下情況時(shí)，可停止試驗(yàn)：①達(dá)到規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)；②試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%；③試件的質(zhì)量損失率達(dá)5%。試件規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm，抗凍試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可以看出，硅鈣渣基生態(tài)水泥以及普通硅酸鹽水泥的C30混凝土的抗凍等級(jí)同為50級(jí)，C40混凝土的抗凍等級(jí)同為100級(jí)，說明硅鈣渣基生態(tài)混凝土的抗凍性能與普通混凝土抗凍性能無異。從表6可以看出，硅鈣渣基生態(tài)水泥以及普通硅酸鹽水泥的C30混凝土的抗凍等級(jí)同為100級(jí)，C40混凝土的抗凍等級(jí)同為150級(jí)，說明硅鈣渣基生態(tài)混凝土的抗凍性能與普通混凝土抗凍性能無異。

表6 混凝土的抗凍融試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 收縮形變

收縮形變?cè)囼?yàn)試件的規(guī)格為100 mm×100 mm×515 mm，硅鈣渣基生態(tài)混凝土和普通混凝土的收縮形變性能對(duì)比見圖7、圖8。

圖7 C30混凝土的收縮形變性能對(duì)比

圖8 C40混凝土的收縮形變性能對(duì)比

從圖7、圖8可以看出，生態(tài)混凝土的早期(1～14 d)收縮率和普通水泥相差不大，隨著時(shí)間的延長，C30和C40硅鈣渣基生態(tài)混凝土的收縮率小于相應(yīng)普通混凝土的收縮率。

3.3.3 抗?jié)B性能

混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)采用逐級(jí)加壓法，以抗?jié)B等級(jí)來表示混凝土的抗水滲透性能，混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)以每組6個(gè)試件中有4個(gè)試件未出現(xiàn)滲水時(shí)的最大水壓力乘以10減1來確定。在測試2種混凝土過程中，抗?jié)B試驗(yàn)機(jī)的水壓均達(dá)到最高壓強(qiáng)4.0 MPa，試件端面均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，其抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 混凝土的抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

從表7可以看出，C30、C40的硅鈣渣基生態(tài)混凝土和普通混凝土抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到最高級(jí)——39級(jí)，說明2種混凝土的抗水滲透能力相差無異。

3.3.4 堿骨料反應(yīng)性能

堿骨料反應(yīng)性能試驗(yàn)試件在溫度為38 ℃的潮濕條件下養(yǎng)護(hù)，試件的尺寸為75 mm×75 mm×275 mm，混凝土在某齡期膨脹率不超過0.04%，說明混凝土在該齡期的堿骨料反應(yīng)性能合格。硅鈣渣基生態(tài)混凝土和普通混凝土的堿骨料反應(yīng)性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 C30混凝土的堿骨料反應(yīng)性能對(duì)比

圖10 C40混凝土的堿骨料反應(yīng)性能對(duì)比

從圖9、圖10可以看出，硅鈣渣基生態(tài)混凝土和普通混凝土在前8周測試齡期內(nèi)均合格；與相應(yīng)的普通混凝土相比，C30硅鈣渣基生態(tài)混凝土的抗堿骨料反應(yīng)性能略差，而C40硅鈣渣基生態(tài)混凝土具有優(yōu)異的抗堿骨料反應(yīng)性能。

3.3.5 抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土抗硫酸鹽等級(jí)表示的是混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)下降至不低于75%時(shí)的最大干濕循環(huán)次數(shù)。硅鈣渣基生態(tài)混凝土和普通混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)試件規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

從表8可以看出，硅鈣渣基生態(tài)水泥和普通硅酸鹽水泥C30混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級(jí)為30級(jí)；C40混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級(jí)至少可達(dá)到45級(jí)，并且相應(yīng)級(jí)數(shù)下硅鈣渣基生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度均大于普通混凝土，說明硅鈣渣基生態(tài)混凝土較普通混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)異。

3.3.6 抗氯離子滲透性能

混凝土的抗氯離子滲透性能可以通過RCM法或電通量法來確定。本試驗(yàn)以通過混凝土試件的電通量為指標(biāo)來確定，試件規(guī)格為φ100 mm×50 mm，試驗(yàn)結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 C30混凝土的抗氯離子滲透性能對(duì)比

從圖11、圖12可以看出，C30和C40硅鈣渣基生態(tài)混凝土的電通量均小于普通混凝土；硅鈣渣基生態(tài)混凝土的氯離子電通量隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高呈下降趨勢(shì)，但普通混凝土的氯離子電通量隨著強(qiáng)度等級(jí)的提升沒有呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此可得出硅鈣渣基生態(tài)混凝土具有優(yōu)異的抗氯離子滲透能力。

圖12 C40混凝土的抗氯離子滲透性能對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)浸出試驗(yàn)表明，普通水泥浸出液除Cr含量超標(biāo)外，其他元素含量均符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，而硅鈣渣基生態(tài)水泥浸出液中各元素含量均低于普通水泥浸出液中，且Cr含量遠(yuǎn)低于普通水泥浸出液中，符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，說明硅鈣渣基生態(tài)水泥對(duì)于有害離子具有優(yōu)異的固化特性。

(2)硅鈣渣基生態(tài)混凝土的早期力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度)要高于相同標(biāo)號(hào)的普通混凝土，后期強(qiáng)度發(fā)展相對(duì)較緩慢。

(3)硅鈣渣基生態(tài)混凝土與普通混凝土相比具有優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性能和抗氯離子滲透性能；硅鈣渣基生態(tài)混凝土14 d 前(含14 d)的收縮率與普通混凝土相當(dāng)，14 d后收縮率小于普通混凝土；C40硅鈣渣基生態(tài)混凝土具有優(yōu)異的抗堿骨料反應(yīng)性能，其余耐久性能與普通混凝土相當(dāng)。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Study on the Performance of Eco-concrete with Calcium-silicate Slag from Alumina Metallurgy

Zhao Yazhao1Liu Xiaoming1Li Hongxu1Zhang Na2Zhang Honglei1

(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.Architectural Design and Research Institute of Tsinghua University Co.，Ltd.，Beijing 100084，China)

Calcium-silicate slag is a kind of solid waste，which is discharged during alumina extraction from high alumina content fly ash.To reveal the performance of calcium-silicate slag based eco-cement，regarding 32.5#ordinary Portland cement as a reference object，natural sandstone as aggregate，and liquid polyethylene acid as reducing agent，concrete at the degree of C30 & C40 were produced，and also its mechanical properties and durable performance were investigated.The results show that ①the mechanical properties of the calcium-silicate slag based eco-concrete at early age are better than those of the ordinary Portland concrete，but at slow growth in the late.The flexural strength and the compressive strength of the eco-cement mortar cured at 28d reach more than 8 MPa and 40 MPa，respectively.②Compared with ordinary concrete，eco-concrete confers excellent properties of the resistance to sulfate attack and chloride penetration.Eco-concrete cured at 14 d (including 14 d)is about the same to ordinary Portland concrete，but its shrinkage is less than ordinary Portland concrete after 14 d.Eco-cement C40 has excellent resistance to alkali-aggregate reaction.The remaining durable performance of eco-concrete is fairly the same as that of ordinary Portland concrete.③Eco-cement has excellent solidification characteristics for Cr ions.Therefore，eco-cement is superior to the ordinary Portland concrete.

Calcium-silicate slag based eco-cement，32.5#ordinary Portland cement，Concrete，Mechanical properties，Durable performance

2014-07-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51302012)，教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(編號(hào)：20120006120015)。

趙亞釗(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者 劉曉明(1980—)，男，副教授。

TD926.4

A

1001-1250(2014)-11-175-06