工业废渣复合胶凝材料泡沫轻质土制备及性能

2022-07-05赵正峰王笑风王国栋褚付克闫毅军王晔晔殷卫永

硅酸盐通报 2022年6期

赵正峰，王笑风，王国栋，褚付克，闫毅军，王晔晔，殷卫永

(1.洛阳市公路事业发展中心洛界高速公路管理处，洛阳 471000；2.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，郑州 450000;3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450000；4.河南省固废材料道路工程循环利用重点实验室，郑州 450000；5.河南路星工程管理有限公司，洛阳 471000)

0 引言

受资源禀赋、能源结构等因素影响，目前我国赤泥、钢渣、煤矸石、铝土矿尾矿等大宗固废面临产生量大、利用不充分等问题，大宗固废累计堆存量约600亿t，每年新增堆存量近30亿t[1]，占用大量土地资源，严重影响生态环境。为提高大宗固废综合利用率，探寻固废资源化利用新途径已成为亟需解决的问题。

与此同时，目前我国公路建设发展迅速，路基差异沉降和台背回填沉降是常见的工程问题。泡沫轻质土作为一种新型建筑材料，因其具有多孔性、轻质性、密度和强度可调节性、施工便捷性等优良特性，被广泛应用于公路拓宽路基差异沉降处置、挡土墙台背回填等工程领域[2-3]。目前常用的泡沫轻质土为泡沫水泥轻质土，这种泡沫土在抗压强度、耐久性等方面仍需进一步提高[4]，且生产过程中需消耗大量水泥，存在污染重、能耗高等环保问题，研制高性能绿色环保泡沫轻质土用于公路工程建设迫在眉睫。利用工业废渣配制胶凝材料并制备相应泡沫轻质土，可提高固废利用率，减少水泥等传统胶凝材料的使用，符合国家固废循环利用和生态环保的发展理念。

已有研究表明，赤泥、钢渣、煤矸石、铝土矿尾矿、矿渣、粉煤灰、脱硫石膏等工业废渣具有潜在胶凝活性，可用于制备胶凝材料[5]。Zawrah等[6]将工业废黏土与适量碱激发剂混合，制备出抗压强度为8.46 MPa的泡沫地质聚合物；Li等[7]利用铅锌废渣、赤泥和石灰制备出赤泥基胶凝材料并分析了其理化性能和机理，结果表明赤泥潜在的胶凝特性主要来源于被石灰和石膏有效活化的氧化铝形成的复杂水化产物，该胶凝材料可用于水泥复合材料。Cheng等[8]以废钻井液、高炉矿渣和赤泥为原料制备抗压强度达16.7 MPa的新型胶凝材料，并通过XRD、压汞法分析其理化机理，结果表明该材料的结构形成主要是新型非晶结构，添加赤泥可使其结构更加致密。Zhang等[9]以硅酸钙渣、高铝粉煤灰、脱硫石膏等为原材料制备胶凝材料，机理分析表明棒状钙矾石和非晶态C-A-S-H凝胶为主要水化产物，可对膏体结构的致密化起到积极促进作用。目前关于泡沫轻质土的研究主要集中于其制备及常规性能、耐久性[10]、纳米复合泡沫轻质土[11]、超轻泡沫混凝土[12]等方面。鉴于目前的多数研究仅局限于工业废渣胶凝材料或泡沫轻质土单方面，若利用工业废渣胶凝材料制备泡沫轻质土，可实现两者高效组合，更好地实现工业固废循环利用并满足工程应用需求。但目前关于利用工业废渣胶凝材料制备泡沫轻质土的研究仍处于探索阶段，工业废渣胶凝材料泡沫轻质土制备、性能及机理等方面仍需进一步深入研究。

基于此，本文采用粉煤灰、磷石膏、钢渣、煤矸石等工业废渣为原材料，制备工业废渣复合再生胶凝材料(industrial waste residues composite cementitious material， RC)及其泡沫轻质土，优化制备工艺，对比RC泡沫土与水泥泡沫土力学性能，分析RC泡沫土强度形成机理，以期为RC泡沫轻质土的进一步推广应用提供参考。

1 实验

1.1 原材料

RC由粉煤灰、矿渣粉、尾矿等工业废渣烘干粉磨而成，生产设备简单，在水泥粉磨站的基础上适当改造后可批量生产，具体生产工艺流程如下：(1)将烧结法赤泥、铝土矿尾矿、钛石膏、铝土矿尾矿、电石渣、矿渣粉等原材料分别脱水至水分含量低于1%，并研磨成粒径小于1 mm的颗粒；(2)按照设定比例研磨至粒径小于300目(48 μm)，即可得到RC。根据性能要求不同，RC各组分含量存在差异，生产工艺参数不完全相同，但工艺流程一致。

水泥采用市售P·O 42.5，指标满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)要求。发泡剂是制备泡沫轻质土的关键材料，泡沫需在泡沫土中稳定均匀分散，不易破裂，且具有表面活性，减少对胶凝材料硬化和流动性的影响[13]。本文选择松香树脂类、蛋白类及复合类三种发泡剂，复合类发泡剂含有松香树脂类、蛋白类发泡剂成分以及十二烷基苯磺酸钠等多种表面活性剂。不同发泡剂性能指标如表1所示。

表1 发泡剂性能Table 1 Foaming agent performance

1.2 泡沫轻质土各组分含量确定

工业废渣复合胶凝材料泡沫轻质土原材料用量按式(1)和式(2)计算，每立方米RC泡沫轻质土的用水量按式(3)计算，气泡群体积量按式(4)计算。制备水泥泡沫轻质土时，将式(1)～式(4)中mr替换为mc(每立方米泡沫轻质土中水泥用量)，ρr替换为ρc(水泥密度取ρc=3 100 kg/m3)。本文设计四种湿密度的泡沫轻质土，不同湿密度下各成分含量如表2所示。

(1)

mr+mw+mf=100γ

(2)

mw=(W/B)×mr

(3)

(4)

式中：mr、mw、mf分别是每立方米RC泡沫轻质土中RC胶凝材料、水和气泡群用量，kg；ρr、ρw、ρf分别是RC、水和气泡群密度，取值ρr=3 150 kg/m3、ρw=1 000 kg/m3、ρf=50 kg/m3；γ为RC泡沫轻质土湿容重(kN/m3)，取值3～15 kN/m3；W/B为泡沫轻质土的水胶比，取值0.55～0.65；Vf为每立方米泡沫轻质土的气泡群体积量，L。

表2 不同设计密度的泡沫轻质土配比Table 2 Ratio of foamed lightweight soil with different design density

1.3 制备工艺

RC泡沫轻质土主要制备步骤为：(1)按照设定水胶比称取RC和水，依次加入搅拌机中充分搅拌均匀制得工业废渣复合胶凝材料浆液；(2)称取适量发泡剂并加水稀释50倍，搅拌均匀后加入发泡机，根据标准泡沫密度设定发泡倍率后制备泡沫；(3)按设定比例，将泡沫加入到变频搅拌机中，按设定转速和时间充分搅拌均匀得到RC泡沫轻质土。

1.4 试验方法

1.4.1 RC泡沫土性能试验

RC泡沫土流动度和湿密度试验参照《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(CJJ/T 177—2012)。流动度分为初始流动度和静置60 min后流动度，以评价施工过程中容许时间内流动度变化。无侧限抗压强度试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)。

泡沫轻质土耐久性主要从抗干缩和冻融循环性能方面评价。抗干缩试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)。抗冻融循环试验参照JTG E51—2009，冻融循环次数选定为8次。测试养生56 d的两种泡沫土经历不同冻融循环次数前后抗压强度并计算抗压强度残留比，其中抗压强度残留比为冻融后抗压强度与冻融前的比值[14]。

1.4.2 XRD分析

XRD分析采用日本岛津XRD-7000型X射线衍射仪。将湿密度为827 kg/m3的水泥泡沫土试件和RC泡沫土试件，在28 d无侧限抗压试验结束后收集完整较大块的残留试样，将残块敲碎后挑选内部的小块，放入烘箱中烘干后研磨，再过325目(43 μm)筛得到的试样粉末进行XRD试验[15]。

2 结果与讨论

2.1 RC泡沫土制备工艺参数对性能影响

2.1.1 发泡剂类型

设定每立方米RC泡沫土比例为RC 350 kg,水210 kg,泡沫677 L，水灰比0.6，设计湿密度594 kg/m3，泡沫与RC在200 r/min转速下搅拌混合2 min，采用三种发泡剂制备RC泡沫轻质土，制备完成后立即测试流动度、湿密度并成型强度试件。为评价泡沫稳定性，将泡沫轻质土放置60 min后再测试流动度、湿密度并成型强度试件，试验结果如图1所示，其中抗压强度为标准条件养生7 d无侧限抗压强度。

图1 泡沫轻质土放置不同时间后性能Fig.1 Performance of foamed lightweight soil at different time

由图1分析可知，三种发泡剂制备的泡沫轻质土60 min流动度、湿密度和抗压强度均大于对应的初始值，但三个指标的变化幅度存在显著差异。在测试范围内相同类型发泡剂泡沫轻质土，湿密度越大，对应的流动度和抗压强度越大。对比三种泡沫轻质土流动度、湿密度和抗压强度初始值，树脂类发泡剂泡沫轻质土最高，复合类次之、蛋白类最低。放置60 min后，树脂类和蛋白类发泡剂对应泡沫土流动度基本一致，且均高于复合类发泡剂；湿密度和抗压强度两个指标，树脂类发泡剂泡沫轻质土最高，蛋白类次之、复合类最低。对比三种泡沫轻质土初始和60 min湿密度测试值与设定值比值，树脂类分别为1.16倍、1.2倍；蛋白类为0.93倍、1.05倍；复合类为0.98倍、1.0倍。以上结果表明，松香树脂类发泡剂发泡倍数较低，导致实测湿密度显著高于设定值。蛋白类发泡剂泡沫稳定性较差，放置60 min后流动度和湿密度变化幅度最大。复合类发泡剂稳定性和发泡倍数均较好。综合考虑各项性能，本研究优选复合类发泡剂。

2.1.2 搅拌转速

设定每立方米RC泡沫土比例为RC 350 kg,水210 kg,泡沫677 L，水灰比0.6，设计湿密度594 kg/m3，泡沫与RC在不同转速下搅拌混合2 min配制RC泡沫轻质土。制备完成后立即测试流动度、湿密度，放置60 min后再次测试湿密度。试验结果如图2所示，其中初始湿密度变化率为初始湿密度相对设定湿密度的变化率，60 min湿密度变化率为60 min湿密度相对初始湿密度变化率。

图2 不同转速下RC泡沫轻质土流动度和湿密度变化率Fig.2 Fluidity and wet density change rate of RC foamed lightweight soil under different speed

由图2分析可知，泡沫轻质土流动度随搅拌转速增加逐渐减小，且变化幅度逐渐减小。初始湿密度变化率随搅拌转速增加逐渐减小，在搅拌转速300 r/min及以下时为正值，400 r/min时为负值。随搅拌转速增加，60 min湿密度变化率先减小后增大，200 r/min对应最小值。这主要是由于搅拌速率较慢时，泡沫与RC浆料搅拌不充分，泡沫轻质土不均匀，泡沫未完全混溶在RC浆料内部，泡沫轻质土密度较大，对应流动度较大。随着转速增加，泡沫与RC浆料充分混合，泡沫轻质土密度减小，当转速大于300 r/min时，初始湿密度变化率趋于稳定。但转速过高时对泡沫稳定性不利，转速不大于200 r/min时，60 min湿密度变化率不显著；转速在300 r/min及以上时，60 min湿密度变化率显著增大，表明60 min时有较多泡沫破裂，泡沫稳定性较差。综合选择搅拌转速为200 r/min可获得较好的初始湿密度和稳定性。

2.1.3 搅拌时间

设定每立方米RC泡沫土比例为RC 350 kg，水210 kg,泡沫677 L，水灰比0.6，设计湿密度594 kg/m3，泡沫与RC在200 r/min转速下搅拌混合不同时间配制RC泡沫轻质土。制备完成后立即测试流动度、湿密度，放置60 min后再测试湿密度，试验结果如图3所示。

图3 不同搅拌时间下RC泡沫轻质土流动度和湿密度变化率Fig.3 Fluidity and wet density change rate of RC foamed lightweight soil under different stirring time

由图3分析可知，泡沫轻质土流动度随搅拌时间增加逐渐减小，且变化幅度逐渐减小。初始湿密度变化率绝对值随着搅拌时间增加先减小后增加，在搅拌时间3 min及以下时为正值，4 min时为负值。60 min湿密度变化率随搅拌时间增加先减小后增大，2 min对应最小值。该变化规律和原因与不同搅拌速率下基本一致。当搅拌时间较短时搅拌不充分，搅拌时间较长影响泡沫稳定性，综合确定优选搅拌时间为2 min。

2.2 RC泡沫土性能

2.2.1 流动度

不同设计湿密度下RC泡沫土和水泥泡沫土初始流动度和静置60 min后流动度如图4所示。由图4分析可知，不同设计湿密度下两种泡沫土流动度均满足《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(CJJ/T 177—2012)规范要求。随着设计湿密度增大，两种泡沫土流动度增大。相同设计湿密度时，60 min流动度大于初始流动度，这主要是由于60 min时部分泡沫破裂，湿密度增大，泡沫阻力减小。

2.2.2 抗压强度

不同湿密度下，RC泡沫土和水泥泡沫土在7 d、28 d、56 d不同龄期时无侧限抗压强度如图5所示。

图4 不同设计湿密度下两种泡沫土流动度Fig.4 Fluidity of two kinds of foamed soil under different design wet density

图5 泡沫轻质土不同龄期下抗压强度Fig.5 Compressive strength of foamed lightweight soil at different ages

由图5分析可知，相同湿密度下，随着龄期增加，两种泡沫轻质土抗压强度逐渐增加。7 d时两种泡沫土抗压强度差异不显著；28 d时，516 kg/m3、672 kg/m3、827 kg/m3、982 kg/m3湿密度下，RC泡沫土强度分别为水泥泡沫土强度的1.23倍、1.26倍、1.19倍、1.15倍，平均1.21倍；56 d时，四种湿密度下RC泡沫土强度分别为水泥泡沫土强度的1.41倍、1.37倍、1.33倍、1.29倍，平均1.35倍。相同类型泡沫土不同龄期时，28 d RC泡沫轻质土四种湿密度下抗压强度平均值为7 d龄期对应强度的1.44倍，水泥泡沫土对应的为1.23倍；56 d时RC泡沫轻质土四种湿密度下抗压强度平均值为7 d龄期强度的1.67倍，水泥泡沫土对应的为1.27倍。两种泡沫土由7 d到28 d强度均有显著增长，但RC泡沫轻质土增长幅度比水泥泡沫土高21%；由28 d到56 d，RC泡沫轻质土强度持续增长23%，但水泥泡沫土强度增长4%，即强度趋于稳定。上述结果表明，随着养护时间增加，RC泡沫轻质土强度增长幅度高于水泥泡沫土，尤其是28 d之后强度更具优势。

2.2.3 耐久性

耐久性主要评价抗干缩性能和抗冻融循环性能。选择RC672、水泥672和RC982、水泥982四种泡沫土进行抗干缩性能试验,试验结果如图6所示。

由图6(a)分析可知，随着龄期增加，不同胶凝材料泡沫土的累计失水率均逐渐增加，但失水率变化趋势存在差异。水泥泡沫土累计失水率前期增长较快，约从22 d后失水速率开始降低并逐步趋于稳定。RC泡沫土7 d前失水率增长较快，7 d到14 d增长速率减小，从14 d后失水率先增长较快最后趋于稳定。到30 d时，相同湿密度下水泥泡沫土的失水率高于RC泡沫土。相同胶凝材料类型和龄期下，泡沫土湿密度越小，累计失水率越大。由图6(b)分析可知，随着龄期增加，水泥和RC泡沫土的干缩系数20 d前逐渐增大并达到峰值，20 d后逐渐趋于稳定。相同湿密度和养生时间时，RC泡沫土稳定峰值干缩系数显著低于水泥泡沫土；相同胶凝材料类型时，湿密度越低，泡沫土干缩系数越大。

两种泡沫土前期失水较多，主要是由于前期自由水含量较多，水分更容易挥发；后期随着水化反应进行，部分自由水转化为结合水，且泡沫土整体含水量降低使失水率降低。RC泡沫土7～14 d失水率增长较缓是由于RC泡沫土此时水化反应仍较多，自由水转化为结合水含量较多，且RC胶凝材料中部分成分具有一定保水作用。两种胶凝材料泡沫土干缩系数前期增长较快，主要是前期水化速率和水分蒸发较快，水化后形成较多孔隙，且泡沫土强度较低，抗收缩性能低。后期随着水化速率降低和水分蒸发变缓，干缩系数减小并趋于稳定。RC泡沫土总体抗干缩性能优于水泥泡沫土。

图6 不同养护龄期下轻质泡沫土累计失水率和干缩系数Fig.6 Cumulative water loss rate and dry shrinkage coefficient of foamed soil at different curing periods

图7 不同冻融循环次数下抗压强度及残留比Fig.7 Compressive strength and residual ratio under different freeze-thaw cycles

选择RC827和水泥827进行抗冻融循环试验，冻融循环试验结果如图7所示。

由图7分析可知，随着冻融循环次数增加，冻融循环后两种泡沫土抗压强度和抗压强度残留比均逐渐减小，且降低幅度逐渐增大。冻融循环2次时，RC泡沫土和水泥泡沫土残留强度比分别降低3%和5%；冻融循环由6次增加到8次时，RC泡沫土和水泥泡沫土残留强度比分别降低7%和9%。相同冻融循环次数下，RC泡沫土的抗压强度及强度残留比高于水泥泡沫土。冻融循环8次后RC泡沫土残留强度比为80%，水泥泡沫土强度比为71%；RC泡沫土抗压强度5.02 MPa，水泥泡沫土抗压强度3.35 MPa，前者约为后者1.5倍。RC泡沫土抗冻融循环性能优于水泥泡沫土主要是由于RC泡沫土后期水化程度更高，泡沫土强度较高，抗冻融损伤性能更好。

2.3 RC泡沫土强度机理分析

(5)

3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+20 H2O→CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(6)

物质B为SiO2(2θ=20.76°、26.54°)，RC泡沫土峰强约为水泥泡沫土的1.2倍，这主要是由于RC含有的粉煤灰等成分亦含有较多SiO2。物质C为水化硅酸钙(Ca5Si6O16(OH)·4H2O，2θ=29.22°、50.53°)，是硅酸三钙、硅酸二钙水化反应的主要产物，对泡沫土强度具有重要作用，RC泡沫土峰强约为水泥泡沫土的2.5倍。水泥、钢渣、矿渣粉、烧结法赤泥、粉煤灰等水化反应均会生成水化硅酸钙。RC泡沫土强度高于水泥泡沫土是由于RC水化产物中增加了钙矾石，且水化硅酸钙含量显著高于水泥水化产物，钙矾石和水化硅酸钙共同作用提高泡沫土强度，较高的水化产物含量利于RC泡沫土后期强度增长。