循环流化床灰蒸压加气混凝土中延迟形成钙矾石的研究

2023-07-31房天齐乔秀臣

硅酸盐通报 2023年7期

房天齐,黄舒,乔秀臣

(华东理工大学资源与环境工程学院,上海 200030)

0 引言

蒸压加气混凝土(autoclaved aerated concrete, AAC)具有质轻、保温和防火等优点,被广泛用于填充墙与隔墙[1-2]。随着人们环保意识增强,使用稻壳灰[3]、垃圾焚烧底渣[4]、铁尾矿[5]等工业废料制备AAC成为国内外学者的探索热点。

循环流化床(circulating fluidized bed, CFB)锅炉具有燃烧温度低(850～950 ℃)、燃料适应性高和污染气体(SO2和NOx)排放少等优势[6],在我国火力发电领域得到广泛运用。循环流化床灰(circulating fluidized bed fly ash, CFBA)具有较高的火山灰活性[7],理论上利于AAC的强度发展,便于制备出性能良好的AAC产品。然而,CFBA中SO3含量远高于煤粉炉粉煤灰(pulverized fuel ash, PFA),在制备AAC的高温蒸压环节,由于工作温度(≥160 ℃)远高于钙矾石(AFt)的分解温度(70 ℃),从而导致CFBA中的SO3因无法参与水化反应而继续以无水硫酸钙或半水硫酸钙形式存在。依据《砌体结构工程施工规范》(GB 50294—2014)要求,当AAC应用到砌筑墙体工程时,需要对砌筑面浇水润湿;当AAC产品在雨季露天堆放时,会由于无法有效遮盖等原因而被雨水淋浸;此外,在较高的相对湿度条件下,周围环境也会持续向堆放的AAC或砌筑成墙体的AAC供应水分。持续或大量的水分供应必然促进含CFBA的AAC中的无水硫酸钙或半水硫酸钙溶解,并有可能与CFBA中残余的活性铝质和钙质组分发生水化反应生成钙矾石(AFt),在AAC制备完成后延迟形成的钙矾石可能会造成制品体积破坏[8]。

本研究旨在通过化学定量测定、XRD、SEM和强度测试等手段,探索CFBA取代PFA制备成AAC产品,再继续空气养护(20 ℃、相对湿度90%)或泡水养护(20 ℃)不同龄期后钙矾石延迟形成的特点,为CFBA制备AAC及其应用过程中的科学管控提供理论与技术支撑。

1 实验

1.1 试验原料

选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥、山西吕梁某火电厂CFBA、江苏常熟某火电厂PFA作为原材料,化学成分见表1。外加剂石灰选用广州弘纳公司石灰产品(CaO含量85%,质量分数),铝粉膏选用济南诚意佳化公司GLS-65产品。CFBA与PFA的部分理化性能指标见表2。

表1 原材料的主要化学组成Table 1 Main chemical composition of raw materials

表2 CFBA与PFA的理化性能Table 1 Physical and chemical properties of CFBA and PFA

从表1结果可以发现,CFBA中CaO和SO3含量均明显高于PFA。表2数据显示,CFBA的标准稠度需水量、强度活性指数和45 μm方孔筛通过率都明显高于PFA。较高的强度活性指数说明CFBA相较于PFA具有更高的火山灰活性,这与文献[9]结果一致。

1.2 试验设备

搅拌机为NRJ-411A型水泥胶砂搅拌机,养护箱为HTC-250型恒温恒湿箱,抗压强度试验采用WEW-300B型微机屏显液压万能试验机,SEM测试采用日本日立公司Regulus8100 扫描电子显微镜,XRD测试采样日本理学公司SmartLab X射线多晶衍射仪。

1.3 试验设计及方法

固定所有配合料的钙硅比(即CaO/SiO2摩尔比)为0.8,固定铝粉掺量为胶凝材料(水泥、石灰、CFBA和PFA)总质量的1.20‰。各物料的配比如表3所示。不同的水固比(W/S)是为了保证各个配比物料的流动度均为(198±2) mm。表3中所列CFBA对PFA的取代率为设计取代率,以S0中PFA的质量百分数为基准。实际配制时为了保证配合料的CaO/SiO2摩尔比为0.8,以及所掺水泥的质量百分数,需要微调氧化钙和CFBA的质量百分含量。因此表3中S1～S9中CFBA的实际质量百分含量和S0中PFA质量百分含量之比与设计值存在较小偏差。

表3 试验配比Table 3 Mix proportion of experiment

根据表3设计,准确称取所需水泥、石灰、CFBA、PFA、铝粉和水,并进行充分搅拌。为了满足切割边长100 mm立方体试样的需要,将搅拌好的料浆注入φ200 mm×400 mm模具,在40 ℃条件下静置7 h后脱模,脱模试样在0.8 MPa和170 ℃条件下继续蒸压8 h制得AAC。其中S7和S9的脱模试样,一部分用于蒸压制备AAC,另外一部分则采用空气养护3、7和28 d,标为空气养护无蒸压试样。各个配比的脱模试样蒸压制得AAC后,切割成 100 mm×100 mm×100 mm试样,按照标准《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T 11969—2020)进行干密度和抗压强度测试。

为探索AFt延迟形成的特点,将S7和S9的脱模试样蒸压制得的部分AAC再继续空气养护3、7、28 d和泡水养护3、7、28 d,到达相应养护龄期后,采集一定量试样,用无水乙醇终止水化后用于AFt含量、XRD和SEM测试。进行AFt含量测定时,先将部分终止水化的试样在50 ℃抽真空条件下烘干24 h,然后磨细至100%通过75 μm方孔筛;采用体积比为1∶3的甲醇-乙二醇溶剂,选择性萃取试样中的AFt[8],按照《水泥化学分析方法》(GB/T 176—2017)中硫酸铜反滴定法,对萃取液中的铝质组分含量进行测定,最后通过AFt分子式计算其含量。

2 结果与讨论

2.1 CFBA取代PFA对AAC物理性能的影响

图1为CFBA取代PFA对试样干密度和抗压强度的影响。从图1可以发现:固定水泥掺量为15.00%(文中含量、掺量均为质量分数),当CFBA取代PFA的量从0%增加到40%,AAC试样的干密度和抗压强度均缓慢下降,分别从534 kg/m3和3.35 MPa降低至520 kg/m3和3.20 MPa;当CFBA取代60%PFA后,AAC试样抗压强度降低为2.50 MPa,干密度则增加为526 kg/m3;继续取代80%PFA后,AAC试样抗压强度持续下降至2.36 MPa,但干密度变化很小。

图1 CFBA取代PFA对试样干密度和抗压强度的影响Fig.1 Influence of replacement of PFA by CFBA on dry bulk density and compressive strength of sample

当CFBA取代PFA的量从0%增加到80%时,在维持流动度不变条件下,W/S由0.57增大至0.78,增幅为36.84% (表3),这主要是由于CFBA较PFA粒度小,从而导致较高的需水量(表2)。而大量水的添加,必然会导致经蒸压制得的AAC试样内部形成大量对强度有害的大孔[10],进而导致试样抗压强度降低,以及试样干密度降低。然而,CFBA相较PFA具有更高的火山灰活性,意味着CFBA取代PFA后会在单位体积AAC试样中形成更多的反应产物,当取代率增加到一定程度后,反应产物量增加对试样干密度提高的贡献大于需水量对试样干密度降低的效果时(如CFBA取代60% PFA),AAC试样干密度则会增加(图1)。

图1结果显示CFBA取代40%PFA后强度降低4.50%,继续取代60%PFA后强度降低超过25.00%,因此后续研究CFBA取代PFA的比例定为40%。

2.2 水泥掺量对AAC物理性能的影响

图2为水泥掺量对试样干密度和抗压强度的影响。由图2可知,蒸压所得AAC试样的干密度和抗压强度均随着水泥掺量增加而增加。固定CFBA取代40%PFA,当水泥掺量为12.5%时,试样干密度和抗压强度最小,分别为517 kg/m3和3.10 MPa;当水泥掺量增加至20.0%,试样干密度和抗压强度分别增加到537 kg/m3和3.62 MPa,满足《蒸压加气混凝土砌块》(GB/T 11968—2020)干密度级别B05和强度级别A3.5的要求;当水泥掺量继续增加至22.5%,试样干密度和抗压强度为542 kg/m3和3.78 MPa,虽然也满足干密度级别B05和强度级别A3.5的标准要求,但是干密度非常接近550 kg/m3的限值。

图2 水泥掺量对试样干密度和抗压强度的影响Fig.2 Influence of cement content on dry bulk density and compressive strength of sample

在蒸压过程中增加水泥掺量,虽然可以增加反应产物B型水化石硅酸钙(C-S-H(B))凝胶和托勃莫来石含量,从而提高AAC试样强度[11],但是一方面由于水泥密度高于石灰、PFA和CFBA,增加水泥掺量势必增加AAC试样的干密度,另一方面,水泥掺量增加带来的更多反应产物也必然会增加试样的干密度。此外,水泥掺量增加也会导致生产成本增加。因此,本研究综合试样抗压强度、干密度和经济性考量,确定水泥掺量为20.0%,CFBA取代40%PFA来制备合格AAC。

2.3 掺CFBA的AAC中AFt的延迟形成

图4 28 d空气养护无蒸压试样(CFBA取代100%PFA)的SEM照片Fig.4 SEM images of 28 d air cured sample (100% PFA replacement by CFBA) without autoclaving

表4 S7和S9试样中钙钒石含量Table 4 AFt content in sample S7 and S9

(1)

(2)

图5 28 d空气养护或泡水养护AAC试样的XRD谱(1:CFBA取代100%PFA,泡水养护;2:CFBA取代100%PFA,空气养护;3:CFBA取代40%PFA,泡水养护;4:CFBA取代40%PFA,空气养护)Fig.5 XRD patterns of 28 d air or water cured AAC samples (1: 100% replacement of PFA by CFBA, water curing; 2: 100% replacement of PFA by CFBA, air curing; 3: 40% replacement of PFA by CFBA, water curing; 4: 40% replacement of PFA by CFBA, air curing)

CFBA取代40%PFA和100%PFA所制得的AAC,再继续泡水养护3 d的试样(表4)中AFt含量分别为0.28%和0.38%,继续泡水养护7 d后,分别增加1.54倍和2.21倍,28 d后则分别增加8.18倍和10.74倍。需要指出的是,CFBA取代40%PFA所制得的AAC再泡水养护28 d后,利用XRD仍然无法检测出AFt晶相(图5),只有在CFBA取代100%PFA所制得的AAC再泡水养护28 d后的试样中,才可以清晰观察到AFt衍射峰。因此,在评判试样中AFt是否形成方面,XRD检测的灵敏度弱于化学检测。

从图5的XRD谱还可以发现,掺入CFBA制得AAC后再继续空气养护或泡水养护28 d的试样中均存在托勃莫来石相,而且CFBA取代40%PFA所制得的AAC试样中托勃莫来石相衍射强度明显高于CFBA取代100%PFA制得的试样。这是随着CFBA取代量增加,AAC试样抗压强度降低的重要原因之一。

CFBA取代40%PFA所制得的AAC再继续空气养护或泡水养护28 d的试样的SEM照片如图6所示。二者均可观测到大量相互交错的片状托勃莫来石相,以及小粒状物料间的C-S-H凝胶。泡水养护的AAC试样中托勃莫来石相与C-S-H凝胶相互紧密交织,密实度大;而空气养护的AAC试样中,托勃莫来石相周围的C-S-H凝胶较少,密实度较小。

图6 CFBA取代40%PFA制得的AAC经28 d空气养护或泡水养护后试样的SEM照片Fig.6 SEM images of 28 d air or water cured AAC samples with 40% replacement of PFA by CFBA

CFBA取代100%PFA所制得的AAC再继续空气养护或泡水养护28 d后的SEM照片如图7所示。由图7可知,CFBA取代100%PFA所制得的AAC的托勃莫来石相尺寸比CFBA取代40%PFA所制得的AAC中的小,但是C-S-H凝胶量却增多。在CFBA取代100%PFA所制得的AAC再继续泡水养护28 d的试样中,可以明显观察到针棒状结构的AFt晶体,而且其长径比与图4中空气养护无蒸压试样中AFt晶体接近,具备引发体积膨胀的条件; AFt晶体在C-S-H凝胶和托勃莫来石相周围形成,且在AFt晶体附近出现断裂迹象。