钢铁渣基泡沫混凝土制备及特性研究*

2022-06-02郑佳萌许心萌易明珠张鹏超马欣彤

陶瓷 2022年5期

郑佳萌许心萌易明珠张鹏超马欣彤

(西安建筑科技大学华清学院土木工程学院西安 710043)

近几年来,随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,我国建筑能耗与社会总能耗之比逐年上升(目前已接近1/3),建筑节能已成为我国实现节能减排目标的关键举措之一。此外,钢渣是炼钢过程中产生的工业固体废渣,其排放量约为钢产量的15%。目前,我国钢渣存放量高达18亿t,由于缺乏高附加值的资源化利用途径,其综合利用率仅为30%。因此,如何使钢铁渣基泡沫混凝土的变废为宝,已成为急迫和重要的问题。

笔者从钢铁渣基泡沫混凝土的制备方面出发,在分析其特性的基础上,从水化特性、吸音性能和保温性能等方面分析了钢铁渣基泡沫混凝土目前未能投入大规模使用的原因,为后期的研究与发展提供参考,从而增加功能性建材品种,并解决了钢渣堆放造成的环境问题。

1 钢铁渣基泡沫混凝土

1.1 泡沫混凝土

泡沫混凝土又称“气泡混凝土”或“轻质混凝土”,是通过气泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡后,再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中,经混合搅拌,发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成形,然后经自然养护、标准养护或蒸汽养护后所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。可用于屋面保温、地面保温垫层、上翻梁基坑填充、墙体浇注等的节能材料。

泡沫混凝土属气泡状绝热材料,其突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔,从而使混凝土轻质化和保温隔热化。由于泡沫混凝土中含有大量封闭的孔隙,使其具有轻质、保温隔热性能好、隔音耐火性能好、低弹减震性好、防水性能好、耐久性能好、环保性能好、生产加工方便、施工方便等特性。

1.2 钢铁渣基泡沫混凝土

世界的经济发展离不开基础建设的新建、提升与完善,混凝土是基础建设中最大宗的材料,每年的产量已超过100亿t。钢渣是炼钢过程中产生的工业固体废渣,其排放量约为钢产量的15%。然而我国的钢渣在水泥生产和混凝土工业领域的利用率却一直都比较低;美国的钢渣基本上实现了排用平衡,欧洲的大部分钢渣也已得到了高效的利用。

近年来,我国越来越重视建筑节能工作,采用钢渣代替水泥制备钢铁渣基泡沫混凝土具有可行性,与普通的混凝土相比,钢铁渣基泡沫混凝土具有自重轻、保温隔热性能好、透气透水性能好、隔音耐火性能好、抗震抗压性能好等优点,因而广泛应用于建筑的保温、吸音、抗压等节能领域。钢铁渣基泡沫混凝土的研究与应用,在当前环境下,是一项不可忽视的问题,钢渣在泡沫混凝土中的应用不仅可以实现工业固废的循环利用,而且可以降低泡沫混凝土的生产成本,具有很好的社会效益和经济效益。

2 钢铁渣基泡沫混凝土的制备

2.1 国外情况

钢铁渣基泡沫混凝土在国外的应用较早,1923年,欧洲人运用预制气泡、水泥、砂浆等制造出了真正近代意义上的泡沫混凝土。

在20世纪初,北欧各国均致力于泡沫混凝土的技术开发,1926 年,前苏联开始研发泡沫混凝土;1930年,在列宁格勒(现圣彼得堡)开始生产泡沫混凝土;1940年,前苏联发明的发泡剂受到了来自世界各国的青睐。根据泡沫混凝土行业发展报告显示,从1975年起,就已经相继有关于泡沫混凝土的专利申请产生;随着建筑节能观念的普及,泡沫混凝土从萌芽阶段直至2010年一直处于平稳增长的状态;2010 年以后,相关专利的申请量出现了急速增长[23]。1975年,日本一名为Kanebo的公司就为一种发泡混凝土组合物申请了专利,随后,日本的Asahi Chem Ind、Sumitomo Metal Mining等公司也相继申请了有关于泡沫混凝土的专利,这一时期所申请的相关专利主要集中在日本。国外的相关研究萌芽早于国内,发展时期较长,实践应用情况比国内更普及,技术呈现更为丰富,这也为其后期在钢铁渣基泡沫混凝土领域的蓬勃发展奠定了坚实的基础。

2.2 国内情况

钢铁渣基泡沫混凝土在我国的研究起步较晚,但发展迅速,近年来也取得了许多的成果,但由于中国建立专利体系的时间较晚,我国所申请的专利相较于全球专利申请的发展趋势有一定的滞后性。

1950年,我国开始从前苏联引进泡沫混凝土技术;1952年,中国科学院土木建筑研究所成立了我国首个泡沫混凝土实验中心;1954年,在我国哈尔滨生产出了一种蒸压泡沫混凝土板。根据泡沫混凝土行业发展报告显示,国内申请从1989年至2005年的相关专利申请量较为持平,从2005 年之后出现快速增长,反映了我国对建筑节能工作的重视程度日益深入。国内专利申请的分布主要集中在安徽、江苏、北京、上海等地,长三角一带的高新企业在泡沫混凝土的创新研究方面的积极性很高[23]。1988年,四川省建材工业科学研究院申请了我国首项有关泡沫混凝土的专利;1997 年,卢崇德发明了一种复合轻质的混凝土制品;2007 年,甘肃省建材科研设计院制造出了一种微孔结构的轻质混凝土。随后,我国各高校也相继公开了有关泡沫混凝土的研究成果:2010 年,河北科技大学研制出一种含矿渣、尾矿、矿石粉等凝胶材料的承重泡沫混凝土;2012 年,哈尔滨工业大学深圳研究生院利用废弃的水泥砂浆研制出了泡沫混凝土;盐城工学院发明了一种废砖瓦秸秆泡沫混凝土,并为其申请了专利。我国最早的有关钢铁渣基泡沫混凝土的专利出现在首钢总公司,其在专利CN103011723A 中提供了一种大掺量的钢渣泡沫混凝土砌块。

以钢铁渣基泡沫混凝土为主题的研究至今仍受到学术界的密切关注,相应地,近年来该领域的研究也更为完善和成熟。

2.3 主要原料

钢铁渣基泡沫混凝土的制备原料主要有钢渣、矿渣及石膏,其各部分的主要成分见表1及不同配比见表2。

表1 钢铁渣基泡沫混凝土主要原料及其含有的氧化物种类

表2 钢铁渣基泡沫混凝土的不同配比

研究结果表明,在钢铁渣基泡沫混凝土的制备过程中,钢渣掺量最大可达48%,当钢渣掺量超过58%时,试块将会出现塌模现象,不利于钢铁渣基泡沫混凝土制备过程的正常进行。相关研究结果显示,水胶比会影响钢铁渣基泡沫混凝土的孔结构,进而影响试块的抗压强度,水胶比为0.45时的试块孔分布均匀,抗压强度最大[14]。

2.4 制备方法

钢铁渣基泡沫混凝土的制备过程中常用方法有:

(1)配合比设计方法。质量法、比表面积法以及体积法;

(2)试块成形方法。压力成形法以及振动压实成形法;

(3)测试方法。X 射线衍射(XRD)、X 射线荧光光谱分析(XRF)、光电子能谱(XPS)分析、固体核磁(NMR)分析、红外光谱(IR)检测、热重分析(TGDSC)、压汞法、CT 扫描、PFC重构模拟等。

2.5 制备设备

钢铁渣基泡沫混凝土的制备过程中,常使用的主要设备见表3。

表3 钢铁渣基泡沫混凝土制备常用设备

2.6 发泡剂

1940年前苏联中央工业建筑科学研究所以植物根茎研究出了植物皂素发泡剂,同期M·H·格兹列尔和Б·H·卡乌夫曼研究出松香皂发泡剂,1950年开始使用A·T·巴拉诺夫及Л·M 罗普费里德发明的石油磺酸铝发泡剂和Л·M 罗普费里德研制出的水解血胶发泡剂。如今的泡沫混凝土发泡技术,大多来自于前苏联,且其研制的发泡剂至今仍被广泛地应用。

发泡剂的类型主要有动物型发泡剂、植物型发泡剂和复合型发泡剂等3类,对比不同类型的发泡剂综合性能可发现,复合型发泡剂性能最佳,适用于钢铁渣基泡沫混凝土的发泡剂使用[14]。

3 钢铁渣基泡沫混凝土的特性

3.1 水化特性

矿渣和钢渣的水硬活性是潜在的,需受外界激发剂的作用才能激发出其水硬活性,钢渣的水硬活性要比矿渣差[1]。

水化反应早期(0～7 d)主要是矿渣的水化,同时钢铁渣基泡沫混凝土中的3CaO·SiO2也参与了水化反应,随着钙矾石的不断结晶促进了矿渣中铝(硅)四面体解聚和重新聚合形成C-S-H 凝胶,而钙矾石和C-S-H 凝胶的生成又促进了钢铁渣基泡沫混凝土的凝结硬化和强度的初步形成[14],并且水化产物中由凝胶和钙矾石共同形成的针棒状晶体纤维能增强复合结构,使混凝土具有更好的孔隙结构特征和耐久性能。中后期(14～28 d)则以钢渣的水化为主,钢铁渣基泡沫混凝土中的2CaO·SiO2与吸附水作用,生成了C-S-H 凝胶与Ca(OH)2,早期生成的片状C-S-H 凝胶会转变成更为致密的球状C-S-H 凝胶,且钙矾石密切穿插在该凝胶结构中,从而进一步提升了材料的密实程度[14]。

研究结果显示,掺入适量的钢渣有利于提高泡沫混凝土的强度,且水泥与钢渣间的协同作用能促进其中后期的水化反应进程,提高混凝土的密实程度,从而促进钢铁渣基泡沫混凝土后期强度的增长。

3.2 吸音性能

吸声材料分为多孔吸声材料和共振吸声材料两大类,钢铁渣基泡沫混凝土相比于石膏板、FC板(纤维水泥板)、金属板等,不仅节省了大量的原材料,还符合节能环保的要求,同时,也展现了开发新型的绿色低碳建筑吸声材料的必要性。但因其强度较低、吸声频段窄等缺点,不足以面对当今复杂的噪音成分[12]。

吸声是改善室内音质和控制噪声的重要举措,钢铁渣基泡沫混凝土凭借其多孔、通孔的结构和内部含大量连通的小孔等优势,对入射的声波具有较强的吸收和投射能力,从而使反射声波大大减小。同时,振动空气的能力不断转化为热能而被消耗,从而达到吸声降噪效果。研究结果表明,钢铁渣基泡沫混凝土对中低频各段噪声具有较好的吸声功能,中低频平均吸声系数可达0.48,可使变电站噪声降低9 d B[14]。目前,主要的吸声降噪措施有:防爆墙上安装吸声结构;变压器一侧安装声屏障;对门窗进行隔声治理;对通风口、进风口采用消声结构等。通过分析城市变电站的噪声特点和现有降噪措施的降噪效果发现,现有降噪措施并不能满足城市变电站低频降噪的需要[11],由此可见,钢铁渣基泡沫混凝土具有降低电站噪声的可行性。

3.3 保温性能

钢铁渣基泡沫混凝土中含有大量封闭的气孔,能有效阻止热传递,其保温隔热性能较好,因而能广泛应用于建筑保温隔热、管道及热工设备保温、路基回填、冷库保温、工业炉窑保温等工程中。与聚苯板、聚氨酯板等保温材料相比,钢铁渣基泡沫混凝土能防火、强度高、耐久性能好,与保温砂浆相比,钢铁渣基泡沫混凝土导热系数低、蓄热性能好,但是由于其吸水率高、干缩值大等缺点,目前并未能投入到大规模使用中。热量传递的基本方式是导热、热对流和热辐射,钢铁渣基泡沫混凝土中的热量主要在其基体中传播,混凝土气孔的增加延长了热量传播的途径,从而使得通过的导热量降低,起到保温隔热效果[14]。

研究结果显示,钢渣掺量对钢铁渣基泡沫混凝土的导热系数的影响较为显著,混凝土的抗压强度、干密度、吸水率及导热系数会随着钢渣掺量的增加而增大。随着泡沫混凝土干密度的增大,抗压强度将会提高,吸水率呈快速下降的趋势且导热系数迅速增大,当试块导热系数最大值略大于纯水泥基体的导热系数时,其保温性能较普通混凝土好[3]。