多固廢耦合水泥制備C30混凝土性能研究
時間：2022-11-16 來源：首鋼技術(shù)研究院 楊志強 分享：
中國力求在2030年前和2060年前分別實現(xiàn)碳達峰與碳中和，這是一項重大戰(zhàn)略決策。火力發(fā)電的CO?排放量約占全國碳排放的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?排放量約占全國碳排放的18%，位居行業(yè)第二，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量水渣、鋼渣等固體廢棄物；水泥行業(yè)的CO?排放量占全國碳排放總量的13%~14%，位居行業(yè)第三。
中國力求在2030年前和2060年前分別實現(xiàn)碳達峰與碳中和，這是一項重大戰(zhàn)略決策。火力發(fā)電的CO?排放量約占全國碳排放的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?排放量約占全國碳排放的18%，位居行業(yè)第二，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量水渣、鋼渣等固體廢棄物；水泥行業(yè)的CO?排放量占全國碳排放總量的13%~14%，位居行業(yè)第三。
據(jù)統(tǒng)計2020年全國粗鋼產(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，由此計算可知2020年全國產(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，不僅會占用大量耕地、造成環(huán)境污染，而且還是對資源的巨大浪費。鋼渣由于自身存在成分波動大、安定性差、粉磨成本高和活性指數(shù)低等問題，其利用率不足 30%。目前關(guān)于鋼渣磨細粉用于制備膠凝材料成為了新的研究熱點，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%時可達到S95級復(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，可制備出28d強度為55.97MPa的無熟料混凝土。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抗壓強度可達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。但是針對所研發(fā)膠凝材料本身物化性能是否符合相應(yīng)標準和所制備凈漿、膠砂、混凝土等試塊性能系統(tǒng)分析的研究較為鮮見。
本文將鋼渣、水渣和脫硫石膏按質(zhì)量分數(shù)為35:55:10的比例進行復(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JG/T486《混凝土用復(fù)合摻合料》標準對復(fù)合膠凝材料進行了系統(tǒng)的性能研究分析；通過凈漿實驗研究了復(fù)合膠凝材料與水泥不同比例對標準稠度用水量、初凝和終凝時間的影響；通過復(fù)合膠凝材料替代水泥制備C30混凝土實驗，系統(tǒng)的研究了復(fù)合膠凝材料對混凝土各齡期的抗壓強度和抗水滲透性的影響。
本實驗制備C30混凝土需要的原料包括國內(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)量標準。通過XRF對復(fù)合膠凝材料和粉煤灰樣品進行檢測，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復(fù)合膠凝材料進行粒度分布表征，經(jīng)測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《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》國家標準對無機元素及化合物的要求，對復(fù)合膠凝材料進行了浸出毒性檢測。從實驗結(jié)果來看，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低于標準值，其余鎳、鎘、汞、無機氟化物、氰化物等元素未檢測到，表明復(fù)合膠凝材料符合固體廢物毒性浸出的標準要求。按照JG/T486-2015《混凝土用復(fù)合摻合料》標準規(guī)定的相關(guān)檢測標準，在復(fù)合膠凝材料摻量為30%的情況下，對細度、活性指數(shù)、三氧化硫含量、安定性、放射性等性能指標進行了系統(tǒng)的性能檢測。本實驗制備C30混凝土進行試驗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。本實驗使用復(fù)合膠凝材料取代現(xiàn)有礦渣，并逐步取代水泥進行實驗研究，具體實驗配比方案設(shè)計如表4所示。按照實驗配比，將原料進行混料、澆筑、振實等步驟，制備成邊長為100mm的立方體混凝土試塊，在標準條件下養(yǎng)護至3d、7d、14d、28d齡期，按照GB/T50081《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》的規(guī)定進行抗壓強度測試。混凝土抗水滲透性能試件在標準條件下養(yǎng)護27天取出，并擦拭干凈晾干，第28天按照GB/T50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中逐級加壓法進行試驗時抗水滲透性能測試。
通過復(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混凝土試塊的抗壓強度（3d、7d、14d、28d不同齡期）和抗水滲透性的影響。混凝土料漿攪拌、振實成型、養(yǎng)護、強度性能測試和滲水性能測試過程如圖2所示。本試驗所制備混凝土試塊的抗壓強度結(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，各齡期的抗壓強度均有所下降。當復(fù)合膠凝材料替代礦渣時，各齡期抗壓強度與#1對照組相差不大，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抗壓強度分別達到水泥對照組各齡期抗壓強度的 30.2%、49.6%、73.5%、78.3%，由此可見，復(fù)合膠凝材料早期強度發(fā)展緩慢，3d抗壓強度僅達到6.1MPa，但7d抗壓強度為3d抗壓強度的3倍，14d抗壓強度為3d抗壓強度的6倍，此時期強度增長迅速；28d抗壓強度達到43.5MPa，滿足C30混凝土的強度設(shè)計要求。摻有水泥時試塊強度較高，這是因為水泥和脫硫石膏對復(fù)合膠凝材料能夠起到雙重激發(fā)作用。本試驗所制備的混凝土試件，按照逐級加壓法進行抗水滲透性能測試，各配比下混凝土均可達到抗水滲透P8等級以上，能夠滿足一般工程質(zhì)量要求。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)過進一步水化，鈣釩石生長更完整，結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高材料的強度。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具有潛在活性的水渣進行化學(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，能夠減緩水分子擴散速度，從而起到緩凝作用。隨著養(yǎng)護齡期的增加，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度。從經(jīng)濟效益角度看，在雙碳背景下，水泥生產(chǎn)過程中碳排放量之大、天然原材料限制開采等原因制約了水泥行業(yè)的發(fā)展，勢必會造成水泥價格直線上升，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。從產(chǎn)品性能角度看，該產(chǎn)品能夠滿足建工行業(yè)對混凝土用復(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，雖然在抗壓強度方面有所下降，但也均能滿足C30混凝土的質(zhì)量要求，可應(yīng)用于道路、地坪、人工魚礁等較多場景，具有廣闊的市場。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)時間、早強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)品標準要求、凈漿性能、混凝土性能等方面進行了相關(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)量分數(shù)為35：55：10的比例制備而成，通過檢測其重金屬等毒性物質(zhì)含量和性能指標均可達到GB5085.3-2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》和JG/T486-2015《混凝土用復(fù)合摻合料》標準中的要求。（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)時間的延長和復(fù)合膠凝材料的摻入量成正比例相關(guān)，混凝土抗壓強度也隨之降低，但各配比下制備得混凝土均可達到C30等級，因此可適當調(diào)整復(fù)合膠凝材料的摻入比例，滿足不同場景對凝結(jié)時間和性能強度的要求。（3）無水泥復(fù)合膠凝材料比水泥的凝結(jié)時間延長了一倍，所制備的混凝土試塊的 3d、7d、14d、28d抗壓強度分別達到水泥對照組各齡期抗壓強度的30.2%、49.6%、73.5%、78.3%，28d抗壓強度達到43.5MPa，早期強度發(fā)展慢，后期強度提升較快；通過研究發(fā)現(xiàn)鋼渣微粉和脫硫石膏能夠促進水渣水化，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)過程排放CO?，符合碳減排的要求，能為社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，因此該復(fù)合膠凝材料具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
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