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近年來,粉煤灰等固體廢棄物逐年增加,對周邊環(huán)境產生了消極影響。另外,生活中廢棄的聚苯乙烯泡沫(EPS),即“白色垃圾”,由于回收率低,對環(huán)境也造成了危害。因此,如何有效地綜合利用固體廢棄物,實現變廢為寶,推進資源型、環(huán)保型社會的發(fā)展,是當前和今后一個時期新型建筑材料研究的方向。目前,建筑材料領域對粉煤灰的研究和利用方興未艾,但也面臨在利用粉煤灰的同時,因粉煤灰摻入而導致建筑材料耐久性能降低的問題。如何對粉煤灰進行增鈣處理,進一步提高粉煤灰活性,增加在水泥中的摻量或部分取代水泥混凝土中的水泥用量,以降低成本,提高經濟效益,減少環(huán)境污染是當前研究的重點。關于粉煤灰在石灰-石膏激發(fā)下利用改性EPS研制節(jié)能自保溫砌塊,國內外文獻未見詳細報道,筆者對此作了嘗試性研究。研究表明,提高增鈣粉煤灰中CaO的含量,即提高CaO/SiO2比,是提高粉煤灰活性的主要途徑。將粉煤灰作為砂漿混合材,以石灰、石膏作為粉煤灰活性激發(fā)劑,利用改性后廢棄聚苯乙烯顆粒(EPS)的保溫優(yōu)勢,獲得強度高、性能穩(wěn)定,且質量輕、導熱系數低、綜合成本少、吸水率低、施工方便、安全等優(yōu)點的新型建筑材料,克服了目前大多數保溫材料有毒、開裂、易燃、短壽、施工難度大、綜合成本高等弊端,是目前綜合利用廢棄物,研制開發(fā)新型材料的新方法、新途徑[1-2]。

1實驗部分

1.1主要實驗原料

(1)水泥:安徽淮南礦務局水泥廠八公山牌42•5級復合普通硅酸鹽水泥,其熟料化學成分(%):SiO224•58、Al2O36•45、CaO67•8、MgO3•39、SO30•38、f-CaO0•73。礦物組成(%)是:C3S51•99、C2S23•88、C3A9•20、C4AF13•18。

(2)粉煤灰:為安徽淮南洛河電廠出廠原灰;石膏:少量水泥緩凝石膏粉其化學成分見表1。

(3)石灰和石膏:CaO含量為78%的鈣質石灰(MgO≤5%),細度180目標準方孔篩,篩余<10%。

1•2實驗方法

采用少量無刺激性氣味、無毒、廉價的乙酸乙烯酯為改性劑,將適量的粘結劑用水稀釋,分別加入等量的改性EPS顆粒和偶聯(lián)劑,取代0•5%、1%、1•5%、2%、2•5%、3%、3•5%、4%和4•5%的水泥,攪拌使顆粒表面附裹一層水泥漿體,通過陳化,在聚苯乙烯泡沫顆粒表面形成一層硅酸鹽“外殼”。按GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》制作試塊模型,用DRX-I-PB導熱系數測定儀測定砌塊導熱系數,對標準養(yǎng)護24h后脫模試塊,在20℃水中養(yǎng)護至規(guī)定齡期后,進行力學性能測試,取最優(yōu)樣的中心部位,進行DSC-TG(differentialscanningcalorimeter-thermalgravity)水化產物熱機理分析;SEM(scanningelectronmicroscopy)掃描;D/MAX型X射線衍射儀(X-ray-diffractometer)進行水化產物物相成分對應分析。

2實驗結果與分析

2•1粉煤灰最佳配比的確定

為獲得耐久性能、保溫性能好的砂漿試塊,首先確定:石灰對粉煤灰活性激發(fā)效果與CaO含量有很大關系,實驗前提為:激發(fā)效果以CaO含量相等為條件;無水石膏及水化產生的二水石膏及Ca(OH)2與粉煤灰中活性硅鋁組分作用形成鈣礬石,對粉煤灰水化起硫酸鹽激發(fā)作用,而且會因水化產生的二水石膏的高分散性與高表面活性更加強烈;二水石膏和粉煤灰膠結材硬化體以鈣礬石晶體為結構骨架,未水化粉煤灰顆粒及二水石膏顆粒作為微集料填充于空隙中,而水化硅酸鈣凝膠為“粘結劑”將各相結合成整體。因此粉煤灰的水化又促進了無水石膏的溶解與水化,即粉煤灰與石灰-石膏的水化相互促進。參閱石灰-石膏激發(fā)摻比文獻[3-4]及石灰-石膏等量原則,實驗確定石灰摻量為10%,石膏為5%;復合NF-30減水劑為0•5%在石灰-石膏摻量確定條件下,保證水泥基材料強度合格,確定粉煤灰的最優(yōu)摻比。試樣配比齡期強度如圖1所示。由圖1可知,在石灰-石膏激發(fā)下,早期強度損失較快,28d及60d強度在粉煤灰摻量≤25%時損失小,強度數值接近空白樣。但當粉煤灰摻量≥25%,后期強度損失明顯。可見外摻石灰、石膏對粉煤灰砂漿體系激發(fā)效果以20%~25%摻量為佳。

2.2EPS的顆粒級配及保溫墻體砌塊的物理性能分析

由表2數據分析可知,EPS表面為憎水性,無機膠凝材料對其不潤濕。在新拌砂漿中,由于EPS顆粒與水泥漿體之間不親合,且容重很小,所以在攪拌過程中很容易造成EPS顆粒“上浮”,從而導致砂漿分層,嚴重影響其和易性與施工性能。通過對EPS預處理,使其表面由憎水性變?yōu)橛H水性,使之能被新拌硅酸鹽漿體所潤濕。隨著EPS顆粒粒徑的增大,砂漿的分層度增大,保水性、和易性及抗折強度降低。當粒徑達到2•5mm時,砂漿分層度達到2•5cm,粘聚性、和易性較差。將EPS1與EPS2按10∶90(質量比)進行混合,所配制的保溫砂漿力學綜合性能較好,尤其體現為施工時和易性好,攪拌保溫砂漿時不離析,EPS顆粒不“上浮”。表2EPS顆粒平均粒徑與級配對砂漿性能的影響由表3數據可知,石灰為10%,石膏為5%,粉煤灰為20%~25%,EPS1與EPS2質量比為10∶90,EPS為2%~2•5%,保溫砌塊齡期強度效果最好。但和2•1節(jié)對比發(fā)現,盡管同樣外摻石灰-石膏作為粉煤灰活性激發(fā)劑,但外摻EPS砂漿齡期強度降低幅度略有增大,抗折強度卻有所改善。抗折強度改善的主要原因:一是在砂漿的凝結硬化過程中,外摻減水劑及改性劑中的聚合體在EPS顆粒與水泥漿體之間的過渡區(qū)凝膠成膜,使二者的界面結合更密實、更牢固;二是一部分聚合體分散至水泥漿體中,在水泥水化物凝膠表面凝聚成膜,形成聚合物網絡,這種低彈性模量聚合體網絡促使硬化水泥的韌性得到改善,宏觀表現為抗拉、抗折強度增大。三是部分極性基團與水泥水化產物發(fā)生物理化學反應,形成特殊的橋鍵,水泥水化產物物理組織結構改變,內應力緩解,減少了水泥漿體中微裂紋的產生,保溫砂漿耐久、耐候性能提高。實驗結果進一步驗證了石灰-石膏-粉煤灰-EPS保溫墻體砌塊制作的可能性[3-4]。表3石灰-石膏-粉煤灰-EPS砂漿砌塊齡期強度

2.3粉煤灰保溫墻體砌塊水化產物齡期物相成分分析

由圖2XRD圖譜分析可知,3d早期各衍射峰均弱且寬,高角度衍射區(qū)的小峰較多,此齡期水化產物剛剛開始形成,數量不多,且晶型很不穩(wěn)定,處在向穩(wěn)定晶型轉化的階段。對比分析3d、28d及60d的衍射峰顯示:隨齡期延長,水化產物在高角度衍射角區(qū),衍射峰明顯減少,主要水化產物衍射峰變得比較尖銳,其晶形發(fā)育細密化,水化產物增多且相對更加穩(wěn)定。由水化產物水化鋁酸鈣、水化硅酸鈣(CSH(1)、α-C2SH、β-C2SH)、氫氧化鈣(CH)、鈣礬石的齡期發(fā)育情況可知,隨著齡期的增長,水化程度依次加深,石灰、石膏對粉煤灰的活性激發(fā)作用后期顯著,粉煤灰?guī)缀跬耆?。此時粉煤灰表面的低聚物與Ca(OH)2反應,部分聚合度較高的硅鋁質玻璃體在堿性介質中被OH-打破Al—O、Si—O鍵網絡,使聚合度降低成為活性狀態(tài),并與Ca(OH)2反應。可見粉煤灰活性在石灰水化環(huán)境下是一個逐漸釋放的過程,隨著水化放熱,粉煤灰活性物質隨時間延長,活性組分溶出量增加,活性釋放相對更強,所以后期水化產物數量增多,水化更完全,進一步說明石灰-石膏對粉煤灰的潛在活性具有激發(fā)作用[5-6]。

2.4粉煤灰保溫砂漿砌塊的水化產物齡期形貌分析

由圖3分析可知,3d齡期水化產物主要是針柱狀結構鈣礬石、多層片狀結構的氫氧化鈣及連接作用的水化硅酸鈣凝膠CSH,這些物質相互膠結生長,提供了砂漿早期強度。3d保溫砂漿砌塊水化產物發(fā)育不夠完善,相互搭接不夠緊密,呈松散分布,沒有和CSH(CxSHx-0.5)凝膠形成密集體,有少量的孔洞,部分片狀水化產物CH呈零星狀分散在漿體中,所以早期強度偏低。28d齡期水化機理分析顯示,水化反應層由內向外逐漸推進,水解后遷移到溶液中的大量鈣離子和硅酸根離子在砂漿中繼續(xù)水化,砂漿體內水分不斷消耗,水化產物增多,水化產物結構趨于緊密。28d保溫砂漿砌塊水化產物中,大量顆粒及針柱狀結構的鈣礬石經CSH包裹形成相對致密化結構。60d時水化產物形貌接近沒有摻EPS樣,截面水化產物形貌非常致密,其間夾雜層狀Ca(OH)2及細長的AFt(鈣礬石)晶體,表明此處鋁、硅離子較為充足。粉煤灰中活性的SiO2及Al2O3已經和水泥熟料水化產物發(fā)生二次反應,生成較多的CSH凝膠和AFt晶體致密包裹體,說明保溫砂漿砌塊水化后期界面趨于規(guī)整,其耐候性提高,后期強度相對持久[7-8]。

2.5粉煤灰保溫砂漿砌塊的水化過程熱機理分析

圖4是摻2•5%EPS保溫砂漿砌塊水化7d齡期DSC-TGA曲線。由圖8可知,在100℃附近有較大吸熱峰,失重2%左右。這一溫度段含水礦物脫水吸熱,包括水化硅酸鈣(CSH)凝膠、鈣礬石(AFt)的層間脫水過程和水化鋁酸鹽及單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)的脫水;在450℃左右有一個吸熱峰,失重7%。主要是水化產物氫氧化鈣Ca(OH)2晶體發(fā)生分解;在690℃附近有吸熱峰,失重很少,大約為1%,主要是晶體結構發(fā)生了變化,此時溫度較高,有改變晶體結構的可能性,同時伴有少量的CaCO3分解;在802℃吸熱峰附近,失重約為5%,主要是一些碳酸鹽成分發(fā)生分解,吸熱放出CO2,同時摻入的EPS也發(fā)生分解,部分水化硅酸鹽強結晶水脫出,但失重率小于基準樣,從而導致外摻改性2•5%EPS試樣的齡期強度略低于標準砂漿砌塊強度。

2.6粉煤灰保溫砂漿砌塊的綜合性能及環(huán)保性能測試

由表4可知,對EPS表面改性,保溫砂漿的和易性、施工性良好。EPS保溫墻體砂漿粘結強度大大高于膨脹珍珠巖保溫砂漿,砌塊28d強度達43•2MPa,吸水率為12•3%,不到膨脹珍珠巖的30%。EPS保溫砂漿砌塊的凍融循環(huán)、干濕循環(huán)強度損失只有膨脹珍珠巖保溫砂漿砌塊的一半左右,耐候性優(yōu)良,與聚氨酯(PU)保溫材料相差不大。相同條件下對EPS保溫砌塊與對比樣進行測定,EPS保溫砂漿砌塊的導熱系數為0•505(W/m•K),接近聚氨酯(PU)保溫砂漿砌塊0•503(W/m•K)[9]。參照國標《建筑材料放射性核素限量GB6566-2001》,粉煤灰-EPS保溫砂漿砌塊放射性核素比活度測試(Bq/kg)測試結果為:226Ra范圍為36•2~69•6,均值為47•8,232Th范圍為44•9~91•0,均值為7•01,40K范圍為161~284,均值為216,mr范圍為0•36~0•61,均值為0•47。測試結果分析顯示:粉煤灰-EPS保溫砂漿砌塊放射性核素mr<1(內外照射指數),建材所至居民內、外照射年有效劑量當量為0•47msv,僅是我國《放射衛(wèi)生防護基本標準》中規(guī)定公眾個人年劑量當量限量5msv的9•4%,不會對居民的健康造成有害的影響。環(huán)保指標屬于A類建筑材料[10]。

3結論

(1)通過對石灰-石膏激發(fā)粉煤灰水化活性機理研究,彌補了因外摻保溫材料EPS所引起的砂漿砌塊強度損失,同時砂漿砌塊后期水化過程得到優(yōu)化。采用石灰-石膏激發(fā)粉煤灰活性時,2~2•5mm的EPS級配,粉煤灰摻入量為20%~25%,EPS摻量2%~2•5%時,保溫砂漿的綜合工作性能最好。

(2)外摻石灰-石膏激發(fā)粉煤灰活性體系,早期激發(fā)不顯著,后期明顯,粉煤灰?guī)缀跬耆?為其耐候性的提高創(chuàng)造了有利條件。早期水化產物主要是針狀AFt、纖維粒狀C-S-H、板片狀的CH,后期隨粉煤灰活性的激發(fā)及進一步的填充作用,水化產物結構相對趨于緊密,60d時幾乎接近沒有摻EPS樣。(3)粉煤灰-EPS保溫砂漿砌塊屬于利廢、環(huán)保、節(jié)能自保溫材料,綜合施工性能良好,齡期強度符合要求,耐候性好,使用后無二次環(huán)境污染,拓展了廢棄物資源化的利用途徑。