多固廢耦合水泥制備C30混凝土性能研究
時(shí)間：2022-11-16 來(lái)源：首鋼技術(shù)研究院 楊志強(qiáng) 分享：
中國(guó)力求在2030年前和2060年前分別實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和，這是一項(xiàng)重大戰(zhàn)略決策?；鹆Πl(fā)電的CO?排放量約占全國(guó)碳排放的40%，位居行業(yè)第一，并且產(chǎn)生大量粉煤灰和脫硫石膏等副產(chǎn)物需要消納；鋼鐵企業(yè)的CO?排放量約占全國(guó)碳排放的18%，位居行業(yè)第二，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量水渣、鋼渣等固體廢棄物；水泥行業(yè)的CO?排放量占全國(guó)碳排放總量的13%~14%，位居行業(yè)第三。
中國(guó)力求在2030年前和2060年前分別實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和，這是一項(xiàng)重大戰(zhàn)略決策?；鹆Πl(fā)電的CO?排放量約占全國(guó)碳排放的40%，位居行業(yè)第一，并且產(chǎn)生大量粉煤灰和脫硫石膏等副產(chǎn)物需要消納；鋼鐵企業(yè)的CO?排放量約占全國(guó)碳排放的18%，位居行業(yè)第二，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量水渣、鋼渣等固體廢棄物；水泥行業(yè)的CO?排放量占全國(guó)碳排放總量的13%~14%，位居行業(yè)第三。
據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年全國(guó)粗鋼產(chǎn)量為10.5億噸，每冶煉一噸粗鋼產(chǎn)生0.10~0.15噸的鋼渣，由此計(jì)算可知2020年全國(guó)產(chǎn)生1.1億~1.5億噸鋼渣，數(shù)量如此之大，如不加以合理利用，不僅會(huì)占用大量耕地、造成環(huán)境污染，而且還是對(duì)資源的巨大浪費(fèi)。鋼渣由于自身存在成分波動(dòng)大、安定性差、粉磨成本高和活性指數(shù)低等問(wèn)題，其利用率不足 30%。目前關(guān)于鋼渣磨細(xì)粉用于制備膠凝材料成為了新的研究熱點(diǎn)，該膠凝材料用于混凝土的制備，能夠替代部分水泥用量，不僅節(jié)約了天然材料，而且降低了能耗和碳排放，符合國(guó)家綠色低碳的發(fā)展道路。彭鵬飛等研究了鋼渣、水渣、水泥熟料摻量比為40%、45%和15%時(shí)可達(dá)到S95級(jí)復(fù)合礦粉要求；劉軒等發(fā)現(xiàn)鋼渣、礦渣和脫硫石膏比例分別為25%、63%和12%時(shí)，可制備出28d強(qiáng)度為55.97MPa的無(wú)熟料混凝土。徐東等以堿渣30%、礦渣45%、鋼渣15%、脫硫石膏10%的配比作為膠凝材料制備混凝土，28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)38.33MPa，經(jīng)分析該膠凝材料中各原料在協(xié)同作用下的水化產(chǎn)生C-S-H凝膠、鈣礬石和Friedel鹽，從而獲得膠結(jié)強(qiáng)度。李穎等發(fā)現(xiàn)礦渣、鋼渣及石膏能夠產(chǎn)生以生成鈣礬石為驅(qū)動(dòng)力的協(xié)同作用，主要水化產(chǎn)物是鈣礬石和C-S-H凝膠。但是針對(duì)所研發(fā)膠凝材料本身物化性能是否符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和所制備凈漿、膠砂、混凝土等試塊性能系統(tǒng)分析的研究較為鮮見(jiàn)。
本文將鋼渣、水渣和脫硫石膏按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35:55:10的比例進(jìn)行復(fù)摻混磨，混磨成比表面積為400m2/kg以上的復(fù)摻粉作為復(fù)合膠凝材料。按照J(rèn)G/T486《混凝土用復(fù)合摻合料》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合膠凝材料進(jìn)行了系統(tǒng)的性能研究分析；通過(guò)凈漿實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合膠凝材料與水泥不同比例對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、初凝和終凝時(shí)間的影響；通過(guò)復(fù)合膠凝材料替代水泥制備C30混凝土實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的研究了復(fù)合膠凝材料對(duì)混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗水滲透性的影響。
本實(shí)驗(yàn)制備C30混凝土需要的原料包括國(guó)內(nèi)某大型鋼廠提供的水渣、鋼渣、脫硫石膏制備的復(fù)合膠凝材料和國(guó)內(nèi)某攪拌站提供的PO42.5水泥、粉煤灰、建筑砟、砂、水、減水劑，以上原料均符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)XRF對(duì)復(fù)合膠凝材料和粉煤灰樣品進(jìn)行檢測(cè)，復(fù)合膠凝材料的主要含有CaO、SiO?、Al?O?、MgO等，粉煤灰主要包含SiO?和Al?O?等。采用激光粒度分析儀對(duì)復(fù)合膠凝材料進(jìn)行粒度分布表征，經(jīng)測(cè)定其顆粒組成特征值為：d30=7.79μm、d60=21.71μm、中值粒徑d50=16.24μm。按照GB5085.3《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)機(jī)元素及化合物的要求，對(duì)復(fù)合膠凝材料進(jìn)行了浸出毒性檢測(cè)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，復(fù)合膠凝材料浸出液中的總鉻、銅、鋅、砷、鉛等元素的含量均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，其余鎳、鎘、汞、無(wú)機(jī)氟化物、氰化物等元素未檢測(cè)到，表明復(fù)合膠凝材料符合固體廢物毒性浸出的標(biāo)準(zhǔn)要求。2.1 復(fù)合膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)性能檢測(cè)方法 按照J(rèn)G/T486-2015《混凝土用復(fù)合摻合料》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，在復(fù)合膠凝材料摻量為30%的情況下，對(duì)細(xì)度、活性指數(shù)、三氧化硫含量、安定性、放射性等性能指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的性能檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)制備C30混凝土進(jìn)行試驗(yàn)采用配合比為某攪拌站提供的常用C30混凝土的配合比，每立方混凝土包括水泥240kg、礦粉60kg、粉煤灰80kg、砂850kg、石子991kg、減水劑9.0kg、水170kg。本實(shí)驗(yàn)使用復(fù)合膠凝材料取代現(xiàn)有礦渣，并逐步取代水泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，具體實(shí)驗(yàn)配比方案設(shè)計(jì)如表4所示。按照實(shí)驗(yàn)配比，將原料進(jìn)行混料、澆筑、振實(shí)等步驟，制備成邊長(zhǎng)為100mm的立方體混凝土試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至3d、7d、14d、28d齡期，按照GB/T50081《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。混凝土抗水滲透性能試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)27天取出，并擦拭干凈晾干，第28天按照GB/T50082《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中逐級(jí)加壓法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)抗水滲透性能測(cè)試。
3.1 復(fù)合膠凝材料對(duì)混凝土性能的影響通過(guò)復(fù)合膠凝材料和水泥按不同比例制備混凝土試塊，研究了復(fù)合膠凝材料不同替代量下對(duì)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度（3d、7d、14d、28d不同齡期）和抗水滲透性的影響?；炷亮蠞{攪拌、振實(shí)成型、養(yǎng)護(hù)、強(qiáng)度性能測(cè)試和滲水性能測(cè)試過(guò)程如圖2所示。本試驗(yàn)所制備混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示，可以看出，隨著復(fù)合膠凝材料替代水泥比例的增加，各齡期的抗壓強(qiáng)度均有所下降。當(dāng)復(fù)合膠凝材料替代礦渣時(shí)，各齡期抗壓強(qiáng)度與#1對(duì)照組相差不大，是完全可行的。全部用復(fù)合膠凝材料作為膠凝材料制備混凝土試塊的3d、7d、14d、28d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到水泥對(duì)照組各齡期抗壓強(qiáng)度的 30.2%、49.6%、73.5%、78.3%，由此可見(jiàn)，復(fù)合膠凝材料早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，3d抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到6.1MPa，但7d抗壓強(qiáng)度為3d抗壓強(qiáng)度的3倍，14d抗壓強(qiáng)度為3d抗壓強(qiáng)度的6倍，此時(shí)期強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速；28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到43.5MPa，滿(mǎn)足C30混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。摻有水泥時(shí)試塊強(qiáng)度較高，這是因?yàn)樗嗪兔摿蚴鄬?duì)復(fù)合膠凝材料能夠起到雙重激發(fā)作用。本試驗(yàn)所制備的混凝土試件，按照逐級(jí)加壓法進(jìn)行抗水滲透性能測(cè)試，各配比下混凝土均可達(dá)到抗水滲透P8等級(jí)以上，能夠滿(mǎn)足一般工程質(zhì)量要求。3.2 水化機(jī)理及應(yīng)用前景分析 本文所制備的復(fù)合膠凝材料7天和28天水化產(chǎn)物的掃面電鏡圖片如圖4所示，從圖中來(lái)看，水化產(chǎn)物主要是針狀的鈣釩石和絮狀的水化硅酸鈣溶膠，且28天試樣經(jīng)過(guò)進(jìn)一步水化，鈣釩石生長(zhǎng)更完整，結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高材料的強(qiáng)度。復(fù)合膠凝材料主要包含水渣、鋼渣和脫硫石膏組成，鋼渣微粉和脫硫石膏對(duì)具有潛在活性的水渣進(jìn)行化學(xué)激發(fā)。鋼渣中的氧化鈣水解產(chǎn)生Ca2+OH-離子，如反應(yīng)方式（1），提供的堿性環(huán)境促進(jìn)了水渣中玻璃體的分散和溶解，水渣中活性SiO?、Al?O?與Ca(OH)?發(fā)生如反應(yīng)方式（2）和（3）的火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣；滲入水化產(chǎn)物間的縫隙里繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，直到礦渣全部水化。由于復(fù)合膠凝材料中含有脫硫石膏起到硫酸鹽激發(fā)劑作用，生成的水化鋁酸鈣與硫酸鈣反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），如反應(yīng)式（4），生成的鈣釩石覆蓋在未反應(yīng)顆粒表面，能夠減緩水分子擴(kuò)散速度，從而起到緩凝作用。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，大量針棒狀鈣釩石晶體和非晶態(tài)的水化硅酸鈣凝膠不斷長(zhǎng)大，促使結(jié)構(gòu)更加致密，從而使得混凝土可獲得較高的強(qiáng)度。從經(jīng)濟(jì)效益角度看，在雙碳背景下，水泥生產(chǎn)過(guò)程中碳排放量之大、天然原材料限制開(kāi)采等原因制約了水泥行業(yè)的發(fā)展，勢(shì)必會(huì)造成水泥價(jià)格直線上升，而復(fù)合膠凝材料主要以鋼鐵生產(chǎn)、火力發(fā)電等過(guò)程產(chǎn)生的鋼渣、水渣和脫硫石膏等工業(yè)固廢為原料，成本不足水泥的50%，占據(jù)了明顯的優(yōu)勢(shì)。從產(chǎn)品性能角度看，該產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足建工行業(yè)對(duì)混凝土用復(fù)合摻合料的相關(guān)要求，替代不同比例水泥所制備的混凝土，雖然在抗壓強(qiáng)度方面有所下降，但也均能滿(mǎn)足C30混凝土的質(zhì)量要求，可應(yīng)用于道路、地坪、人工魚(yú)礁等較多場(chǎng)景，具有廣闊的市場(chǎng)。從環(huán)境效益角度考慮，復(fù)合膠凝材料的使用減少水泥產(chǎn)量，不僅固廢得到資源化利用，避免了污染環(huán)境，而且節(jié)約天然原料，同時(shí)避免了生產(chǎn)水泥排放CO?。綜上所述，該復(fù)合膠凝材料在未來(lái)具有廣闊的應(yīng)用前景，仍需值得注意的是該材料與水泥在凝結(jié)時(shí)間、早強(qiáng)等方面的差異目前未被施工人員所掌握，制約其大范圍推廣，本文從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求、凈漿性能、混凝土性能等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，為復(fù)合膠凝材料的推廣應(yīng)用提供參考意義。
（1）復(fù)合膠凝材料由鋼渣、水渣和脫硫石膏按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35：55：10的比例制備而成，通過(guò)檢測(cè)其重金屬等毒性物質(zhì)含量和性能指標(biāo)均可達(dá)到GB5085.3-2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》和JG/T486-2015《混凝土用復(fù)合摻合料》標(biāo)準(zhǔn)中的要求。（2）復(fù)合膠凝材料作為復(fù)合摻合料具有顯著的緩凝作用，凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)和復(fù)合膠凝材料的摻入量成正比例相關(guān)，混凝土抗壓強(qiáng)度也隨之降低，但各配比下制備得混凝土均可達(dá)到C30等級(jí)，因此可適當(dāng)調(diào)整復(fù)合膠凝材料的摻入比例，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景對(duì)凝結(jié)時(shí)間和性能強(qiáng)度的要求。（3）無(wú)水泥復(fù)合膠凝材料比水泥的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)了一倍，所制備的混凝土試塊的 3d、7d、14d、28d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到水泥對(duì)照組各齡期抗壓強(qiáng)度的30.2%、49.6%、73.5%、78.3%，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到43.5MPa，早期強(qiáng)度發(fā)展慢，后期強(qiáng)度提升較快；通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)鋼渣微粉和脫硫石膏能夠促進(jìn)水渣水化，生成鈣釩石和水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物，起到良好的膠結(jié)作用使得混凝土結(jié)構(gòu)致密，獲得良好的性能。本文以鋼渣、水渣和脫硫石膏等工業(yè)固體廢棄物制備復(fù)合膠凝材料，成本不足水泥的50%，不僅實(shí)現(xiàn)了工業(yè)固廢的資源化利用，而且該材料替代水泥能節(jié)約天然原料降低成本，避免了水泥生產(chǎn)過(guò)程排放CO?，符合碳減排的要求，能為社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，因此該復(fù)合膠凝材料具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
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