摘要
以稻壳灰和Ca(OH)2为原料,B2O3为稳定剂,通过机械-水热联合法制备了高活性硅酸二钙(C2S),研究了预处理工艺对稻壳灰活性以及烧成制度对硅酸二钙活性的影响.结果表明:稻壳灰经1%稀硫酸溶液预处理2.5 h后煅烧,可使稻壳灰活性增高,有利于提高水热合成的效率;分段煅烧和掺入0.5%的B2O3促进了β‑C2S的形成,并提升了其早期水化活性,有利于强度发展;按钙硅比为2配制的物料经球磨2.0 h、水热4.0 h后,先在500 ℃下预烧1.0 h,再升温至600 ℃煅烧1.0 h,可得到高活性硅酸二钙,其水化7、28 d后的抗压强度分别为33.0 、41.1 MPa.
水泥工业所排CO2约占全世界总碳排放量的8
考虑现有合成技术主要存在材料昂贵、工序复杂、合成效率低等诸多问题,本研究以稻壳灰及Ca(OH)2为原料,B2O3为稳定剂,探究了机械-水热联合法制备高活性硅酸二钙的可行性.利用X射线衍射仪、热分析仪、微量热仪等研究了原材料的处理方式及煅烧制度对机械-水热联合法所得硅酸二钙活性的影响.
稻壳取自安徽省淮南市,Ca(OH)2和B2O3为国药化学试剂有限公司生产的化学纯试剂.采用2种方法制备稻壳灰:(1)将未预处理稻壳置于高温炉中,升温至特定温度,保温1.5 h,而后随炉冷却,再将煅烧产物在南大仪器厂生产的QM‑3SP4型高能行星式球磨机粉磨至37 μm以下,最终得到未预处理稻壳灰(RHA);(2)先用1%(质量分数,文中涉及的组成、比值等除特殊说明外均为质量分数或质量比)稀硫酸溶液按照固液比1∶50浸泡稻壳,2.5 h后将稻壳滤出、清水冲洗并烘干,再将预处理的稻壳进行煅烧和粉磨(工艺同(1)),得到预处理稻壳灰(PRHA).稻壳灰的命名规则为:P600表示经600 ℃煅烧后的预处理稻壳灰;R500表示经500 ℃煅烧后的未预处理稻壳灰,其他类推.P600和R500的化学组成见
Sample | SiO2 | SO3 | P2O5 | CaO | K2O | Na2O | MgO | Al2O3 | MnO | ZnO | Cl |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
P600 | 98.53 | 0.53 | 0.28 | 0.26 | 0.11 | 0.09 | 0.09 | 0.05 | 0.04 | 0.01 | |
R500 | 92.88 | 0.51 | 0.80 | 0.79 | 3.25 | 0.06 | 0.41 | 0.08 | 0.21 | 0.01 | 0.99 |
Ca(OH)2和稻壳灰按照钙硅比n(Ca)/n(Si)=2进行混合,样品的配合比见
Sample | P600 | R500 | Ca(OH)2 | B2O3 |
---|---|---|---|---|
HP | 29.15 | 0 | 70.85 | 0 |
HR | 0 | 30.39 | 69.61 | 0 |
HPB | 29.15 | 0 | 70.85 | 0.5 |
HRB | 0 | 30.39 | 69.61 | 0.5 |
烧成制度A:将水热产物放入高温炉,分别升温至500、600、800 ℃,在最高温度保温1.0 h,而后随炉冷却,样品分别记为A500、A600、A800.烧成制度B:将水热产物放入高温炉,先升温至500 ℃预烧1.0 h,再分别升至600 ℃或800 ℃,恒温1.0 h,最后随炉冷却,样品分别记为B600、B800.
采用德国布鲁克公司SRS3400型X射线荧光光谱仪(XRF)分析稻壳灰的化学成分.采用日本Rigaku公司D/Max2550 型X射线衍射仪(XRD)探究烧成物料及水化产物的物相组成.测试条件为:铜靶,管压40 kV,管流100 mA,2°~70°连续扫描,扫描速率为2(°)/min.采用德国Netzsch公司STA449C型热分析仪进行热重(TG)分析,升温范围为30~1 000 ℃,升温速率为10 ℃/min,N2氛围.采用美国TA公司TAM Air C80型八通道等温量热仪测量硅酸二钙的水化放热,表征其早期反应活性,测试温度为(20±1) ℃,样品总质量为2.0 g,加水量为2.1 g.根据GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行水泥胶砂强度测试.
为探索预处理工艺和煅烧温度对稻壳灰活性的影响,将不同的稻壳灰与Ca(OH)2以质量比1∶1混合,按照水固比为1加入去离子水,密封放置于60 ℃烘箱中,水化3 d后测试其水化产物的XRD图谱,结果见

图1 不同稻壳灰与Ca(OH)2反应3 d后水化产物的XRD谱图
Fig.1 XRD patterns of hydration products from reaction of different rice husk ashes and Ca(OH)2 for 3 d
对比水化后剩余Ca(OH)2的特征峰强度,可见相同煅烧温度下,PRHA的水化活性高于RHA,即酸洗工艺有利于提升稻壳灰的水化活性.此外,当煅烧温度高于900 ℃,RHA中大量无定形SiO2转化为方石英(2θ=21.7 °);而PRHA在1 000 ℃只能观察到极低的方石英衍射峰,这可能是由于未预处理稻壳中碱金属含量较高,会降低方石英的形成温度,而稀硫酸预处理可以有效降低稻壳中钾等碱金属氧化物含量(见
为进一步考察煅烧温度为400~600 ℃的预处理稻壳灰和未预处理稻壳灰的水化活性,对其与Ca(OH)2反应3 d时的水化产物进行TG分析,结果见

图2 不同温度下煅烧所得稻壳灰与Ca(OH)2反应3 d水化产物的TG‑DTG曲线
Fig.2 TG‑DTG patterns of hydration products from reaction of Ca(OH)2 and rice husk ash calcinated at different temperatures
经计算,400、500、600 ℃煅烧稻壳灰与Ca(OH)2反应3 d后,预处理稻壳灰剩余的Ca(OH)2含量分别为8.96%、7.16%、6.04%,而未预处理稻壳灰的为9.01%、8.46%、10.95%.由此可见,预处理稻壳灰及未预处理稻壳灰煅烧至600、500 ℃匀具有较高的反应活性.因此,后续选择600 ℃煅烧的预处理稻壳灰(P600)和500 ℃煅烧的未预处理稻壳灰(R500)作为合成高活性硅酸二钙的硅质原料.P600中含有98.53%的SiO2(见
样品的XRD图谱见

图3 样品的XRD图谱
Fig.3 XRD patterns of samples
样品HPB水热产物经不同烧成制度所得硅酸二钙的XRD图谱见

图4 样品HPB水热产物经不同烧成制度所得硅酸二钙的XRD图谱
Fig.4 XRD patterns of C2S from products of sample HPB
根据相关研

图5 不同烧成制度所得硅酸二钙水化放热速率和累计放热曲线
Fig.5 Rate of heat flow and cumulative heat of C2S obtained at different sintering regimes
为厘清硅酸二钙早期放热行为及分析水化过程中的相变化,对不同龄期水化产物进行XRD分析,结果见图

图6 水化时间为30 h内硅酸二钙水化产物的XRD图谱
Fig.6 XRD patterns of C2S hydration products with of hydration time at 30 h

图7 水化时间为7、28 d的硅酸二钙水化产物的XRD图谱
Fig.7 XRD patterns of C2S hydration products with hydration time at 7 d and 28 d
不同煅烧制度所得硅酸二钙水化7、28 d后的抗压强度见
Time/d | A500 | A600 | B600 | A800 | B800 |
---|---|---|---|---|---|
7 | 0 | 7.2 | 33.0 | 13.7 | 21.1 |
28 | 0 | 8.3 | 41.1 | 38.8 | 39.8 |
(1)经1%稀硫酸溶液预处理2.5 h,再升温至600 ℃煅烧1.5 h可得较高反应活性的稻壳灰,其无定形SiO2含量达到98.53%.
(2)以稻壳灰、Ca(OH)2和B2O3为原料,采用球磨2.0 h、水热合成4.0 h的机械-水热联合工艺可得硅酸钙水合物,稻壳灰活性越高,越有利于合成.此外,0.5% B2O3的掺入也有利于高活性硅酸二钙的形成.
(3)机械-水热合成产物经煅烧可得到以β‑C2S为主要物相的高活性硅酸二钙,分段煅烧制度利于形成β‑C2S,且可有效提升β‑C2S的早期水化活性.煅烧温度过低(500 ℃)会导致β‑C2S生成量较少,烧成矿物强度低,甚至无强度;温度过高(800 ℃)易导致硅酸二钙结晶度较高,早期水化延缓,早期强度发展较慢.
(4)先在500 ℃下预烧1.0 h,再升温至600 ℃煅烧1.0 h所得高活性硅酸二钙的7、28 d抗压强度分别为33.0、41.1 MPa.
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