以电石渣、脱硫石膏和钢渣掺量为影响因素,改性粉煤灰地聚物7、28 d抗压强度为响应值,使用响应面法(RSM)研究各种固体废弃物的交互作用对改性粉煤灰地聚物强度的影响规律,并通过水化热、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析其增强机理.结果表明:经RSM优化设计后的电石渣、脱硫石膏和钢渣的最佳掺量分别为6.34%、1.60%和29.47%,改性粉煤灰地聚物7、28 d抗压强度分别达到18.10、29.92 MPa;电石渣和钢渣通过增强体系碱性,加快Si和Al的溶解,促进水化硅铝酸钙(钠)的生成,提高改性粉煤灰地聚物各龄期的强度;脱硫石膏通过提高Ca2+和
Taking the contents of calcium carbide residue, desulfurization gypsum and steel slag as the influencing factors, and the compressive strengths of modified fly ash geopolymer at 7 and 28 d as the response values, the response surface method (RSM) was used to study the influence of each solid waste interaction on the strength of modified fly ash geopolymer. The enhancement mechanism was analyzed by hydration heat, scanning electron microscope(SEM) and X
水泥是应用最广泛、使用最多的胶凝材料,其制品具有强度高、耐久性好等优点,但生产过程需要消耗天然资源,并排放大量CO2,与中国“双碳”目标背道而驰[
利用工业固废制备低碳胶凝材料并替代水泥是当前的研究热点.粉煤灰地聚物是性能良好的低碳胶凝材料,其强度主要来源于粉煤灰在碱性环境下溶解、重构、缩聚成结构与水化硅酸钙(C
本研究基于RSM中的Box
粉煤灰、电石渣、脱硫石膏和钢渣的XRD图谱和化学组成(质量分数,文中涉及的组成、掺量、比值等除特别说明外均为质量分数或质量比)分别见
粉煤灰、电石渣、脱硫石膏和钢渣的化学组成
Material | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | Fe2O3 | Na2O | K2O | SO3 | IL |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
FA | 56.28 | 30.06 | 1.84 | 0.81 | 5.20 | 0.09 | 1.23 | 0.47 | 4.02 |
CCR | 2.56 | 1.68 | 67.20 | 0.22 | 0.09 | 0.35 | 0.03 | 0.68 | 27.19 |
DG | 3.94 | 0.77 | 36.69 | 0.70 | 0.31 | 0.56 | 0.98 | 50.63 | 5.42 |
SS | 2.56 | 18.80 | 45.72 | 4.82 | 20.70 | 0.35 | 0.13 | 0.32 | 6.60 |
由于固废的掺入会改变地聚物的各项性能,故本文将掺入固废后的粉煤灰地聚物统称为改性地聚物.根据前期单一固废改性地聚物的研究,确定各因素的最佳掺量[
改性地聚物的配合比及强度
Sample No. | Mix proportion/% | Compressive strength/MPa | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
FA | CCR | DG | SS | 7 d | 28 d | ||
1 | 64.9 | 5.0 | 1.6 | 28.5 | 16.10 | 25.50 | |
2 | 61.9 | 8.0 | 1.6 | 28.5 | 16.30 | 23.90 | |
3 | 63.7 | 5.0 | 2.8 | 28.5 | 18.20 | 23.80 | |
4 | 60.7 | 8.0 | 2.8 | 28.5 | 17.40 | 24.40 | |
5 | 68.8 | 5.0 | 2.2 | 24.0 | 16.40 | 21.50 | |
6 | 65.8 | 8.0 | 2.2 | 24.0 | 16.20 | 19.70 | |
7 | 59.8 | 5.0 | 2.2 | 33.0 | 17.20 | 24.00 | |
8 | 56.8 | 8.0 | 2.2 | 33.0 | 16.60 | 22.40 | |
9 | 67.9 | 6.5 | 1.6 | 24.0 | 18.20 | 26.50 | |
10 | 66.7 | 6.5 | 2.8 | 24.0 | 19.20 | 25.80 | |
11 | 58.9 | 6.5 | 1.6 | 33.0 | 18.00 | 28.40 | |
12 | 57.7 | 6.5 | 2.8 | 33.0 | 21.20 | 27.10 | |
13 | 62.8 | 6.5 | 2.2 | 28.5 | 18.70 | 29.40 | |
14 | 62.8 | 6.5 | 2.2 | 28.5 | 18.30 | 29.80 | |
15 | 62.8 | 6.5 | 2.2 | 28.5 | 18.60 | 29.70 | |
16 | 62.8 | 6.5 | 2.2 | 28.5 | 18.50 | 29.30 | |
17 | 62.8 | 6.5 | 2.2 | 28.5 | 18.70 | 29.40 |
按照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法》对改性地聚物净浆试件进行7、28 d抗压强度测试.采用水化热、SEM和XRD分析反应进程和微观结构,所用仪器为I
在Design
在Design
响应面模型方程的方差分析
Compile source | 7 d compressive strength | 28 d compressive strength | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Equation coefficient | Equation coefficient | |||||
0.989 9 | 0.987 3 | |||||
Model | 76.230 | <0.000 1 | 18.560 0 | 60.390 | <0.000 1 | 29.320 0 |
A | 5.980 | 0.044 5 | 8.790 | 0.021 0 | ||
B | 166.950 | <0.000 1 | 0.920 0 | 4.650 | 0.068 0 | |
C | 27.440 | 0.001 2 | 0.380 0 | 32.020 | 0.000 8 | 1.050 0 |
AB | 6.100 | 0.042 9 | 4.390 | 0.074 3 | 0.550 0 | |
AC | 0.980 | 0.356 2 | 0.036 | 0.854 3 | 0.050 0 | |
BC | 29.510 | 0.001 0 | 0.550 0 | 0.330 | 0.585 4 | |
A2 | 433.690 | <0.000 1 | 379.890 | <0.000 1 | ||
B2 | 25.160 | 0.001 5 | 0.500 0 | 0.065 | 0.806 7 | 0.006 5 |
C2 | 0.930 | 0.367 8 | 0.095 0 | 90.640 | <0.000 1 |
由
从响应面模型方程的方差分析结果可见:7 d龄期时,影响因素AB、BC的
脱硫石膏对改性地聚物28 d抗压强度的影响与其对7 d抗压强度的影响有所不同,AFt晶体虽然弥补了地聚合凝胶早期强度不足的劣势,但当试件结构稳定后,AFt晶体的生成会产生额外的膨胀压力,对改性地聚物的后期强度不利[
电石渣、脱硫石膏和钢渣综合影响改性地聚物的强度,三者存在最优配比,以达到多元固废协同增强的最佳效应.在Design
为确认优化后响应面模型的准确性和适用性,对试验响应值(实测值)和模型预测值进行比较,并计算两者之间的误差,结果如图
(1)粉煤灰地聚物的放热速率低,水化反应各阶段不明显,3 h时出现微弱的初始放热峰,10 h后放热速率曲线进入缓慢期;累积放热量曲线较为平缓,热量增长缓慢,在测试结束时(65 h),每克样品的累积放热量为10.4 J.
(2)与粉煤灰地聚物相比,优化设计后改性地聚物的放热速率曲线诱导期显著缩短,0.4 h时出现峰值明显变高的初始放热峰,表明地聚物体系的反应更为剧烈;地聚合反应前期累积放热量的增长速率极快,中后期的增长速率有所减缓,但仍高于粉煤灰地聚物;在测试结束时,每克样品的累积放热量达到33.7 J,是粉煤灰地聚物的3.2倍.
对比2组地聚物的水化放热速率曲线和累积放热量曲线可见:粉煤灰本身活性较低,在碱激发剂的作用下,其颗粒溶解较为缓慢,这与粉煤灰地聚物凝结时间长、硬化慢、强度低的现象一致;掺入电石渣、脱硫石膏和钢渣可以有效提高地聚物体系的反应活性,加快反应速度,促进水化产物的生成,缩短凝结时间,提高早期强度;水化时间超过40 h后,优化设计后改性地聚物的放热速率曲线仍高于粉煤灰地聚物,这是因为电石渣和钢渣补充了体系的碱度,且脱硫石膏具有硫酸盐激发效应[
对比2组地聚物的XRD图谱可见:粉煤灰地聚物与改性地聚物中均生成了水化凝胶,但改性地聚物中还生成了AFt晶体;改性地聚物中的半水石膏和莫来石的衍射峰峰强均有不同程度的降低,水化凝胶的峰强有所提高,表明改性地聚物的水化反应比粉煤灰地聚物更为充分.
电石渣、脱硫石膏和钢渣的加入可以提高体系内的钙质组分含量,还可以增强体系的碱性以促进硅铝质组分的释放,两者反应生成C
(1)7 d龄期时,地聚物颗粒被大量水化凝胶和AFt晶体包裹,形成连续的凝胶团,孔隙交错分布于其中;部分粉煤灰颗粒仍保持较为完整光滑的形态,以非活性填料的形式填充在水化产物中,与XRD图谱中仍保存部分原材料衍射峰的现象一致;针棒状结构的AFt晶体和大小各异的孔隙被无定形水化凝胶包裹,组成了地聚物体系的基本结构.
(2)28 d龄期时,粉煤灰颗粒表面被进一步侵蚀破坏,更多水化凝胶包裹AFt晶体,孔隙明显减少,结构更加致密.钢渣水化过程具有一定的膨胀性,并且持续进行的地聚合反应不断生成水化凝胶,填充了结构中的微小孔隙[
多元固废的掺入使得改性地聚物中生成了更多的AFt晶体和C(N)
(1)电石渣、脱硫石膏和钢渣可以协同改性粉煤灰地聚物,且存在最优配比.采用Box
(2)多元固废的掺入提高了整个地聚物反应体系的活性,电石渣和钢渣通过增强体系碱性、提高反应速率、加快Si和Al的溶解,促进水化硅铝酸钙(钠)(C(N)
(3)经响应面法(RSM)优化设计得到电石渣、脱硫石膏和钢渣的最佳掺量分别为6.34%、1.60%和29.47%,此时改性粉煤灰地聚物7、28 d抗压强度可达18.10、29.92 MPa,抗压强度实测值与预测值的误差最大值为-3.72%,对地聚物的复合改性设计及原材料的交互作用分析具有一定的参考价值.
高英力,祝张煌,孟浩等.电石渣-脱硫石膏-钢渣改性粉煤灰地聚物协同增强机理[J].建筑材料学报,2023,26(08):870-878.
GAO Yingli,ZHU Zhanghuang,MENG Hao,et al.Synergistic Enhancement Mechanism of Calcium Carbide Residue-Desulfurization Gypsum-Steel Slag Modified Fly Ash Geopolymer[J]. JOURNAL OF BUILDING MATERIALS,2023,26(08):870-878.