白泥-粉煤灰-水泥复合基体的制备及性能研究

白泥-粉煤灰-水泥复合基体的制备及性能研究

随着我国新碱回收系统的数量增加和规模的扩大，产生的白污泥比例显著增加。因此,对造纸白泥的回收再利用,在建筑材料、塑料行业以及环保领域均进行了较多的探索及技术可行性研究,但终因技术或成本因素限制了其大范围的推广应用。其中比较可行的是:对于以木材为原料的造纸苛化白泥,国内外一些大型造纸厂多采用回转窑煅烧法生产再生石灰,在苛化过程中循环使用,但其设备投资大,工艺复杂,生产效率低,综合成本远高于外购石灰,因此厂家的积极性不高。特别是以非木材纤维为原料的制浆造纸企业,由于白泥的硅含量高,在循环使用中,要加剧碱回收中硅的干扰,致使碱回收系统无法正常运行。作者通过将造纸白泥与所设计的外加剂配伍,在蒸汽养护条件下进行适当的激发处理,将其应用于建筑材料的制备,得到不同密度等级的新型轻质保温墙体材料,造纸白泥掺量达50%的复合基体,3d抗压强度可达24.1MPa,且未出现泛霜。本文针对造纸白泥特别是非木浆(竹浆)白泥的物理化学特性,通过添加适当的自制改性剂,进一步研究了其在免烧免蒸养(蒸压)新型墙体材料中的应用,本着低成本、高效率、工艺简单、可操作性强的基本思路,对造纸白泥复合固化体基体的力学性能及其影响因素进行了更深入的研究,并测试了其用作墙体材料的各项性能。1原材料和实验方法1.1安金安零售业有限公司造纸白泥(竹浆,含水率42%),四川雅安金安纸业有限公司;粉煤灰(Ⅰ级),四川江油电厂;P·O42.5水泥,北川中联;改性剂J,自制。原材料化学组成见表1。1.2性能测试方法复合固化体基体的制备:采用振动成型的方式,将一定配比的各组分物料倒入搅拌锅中,搅拌3~5min,加入改性剂,继续搅拌3~5min,装入40mm×40mm×160mm模具,脱模后在标准养护条件下养护至龄期。力学性能按照GB17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行测试。基础配合比:A配比为m(造纸白泥)∶m(粉煤灰)∶m(水泥)=40∶40∶20,B配比为m(造纸白泥)∶m(粉煤灰)∶m(水泥)=50∶30∶20,C配比为m(造纸白泥)∶m(粉煤灰)∶m(水泥)=60∶20∶20。衍射分析用D/maxRB型XRD(X-raydiffraction)测试,测试条件:Cu靶Kα线,管电压40kV,管电流30mA。块状样做SEM(Scanningelectronmicroscope,LEOS440)测试。根据GB/T2542—2003《砌墙砖试验方法》规定测试试块强度以及抗泛霜性能,吸水率、软化系数、抗冻融以及干燥收缩率等性能依据GB/T4111—1997《混凝土小型空心砌块试验方法》中规定的方法进行测试。依据GB6566—2001《建筑材料放射性核素限量》进行放射性测试。2结果与分析2.1非木浆融资的碱回收技术白泥原料粒度见表2,XRD衍射分析图谱见图1。经测试分析,非木浆造纸白泥的特点:(1)含水率高,原料含水率达到42%。(2)主要矿物组成为碳酸钙和二氧化硅,分别以碳酸钙和硫化硅的形式存在。硅元素在碱回收过程中会产生严重的硅干扰,致使系统无法正常运行,这是造成竹浆白泥区别于木浆白泥的主要特点,是其通过碱回收系统再利用的技术瓶颈所在。(3)残碱含量高,以R2O表示的碱含量接近2%。因此,非木浆造纸白泥利用的技术难点在于:首先,含水率高,且烘干困难,大大增加其回收过程中的预处理成本;其次,杂质元素含量相对较高,以及其较强的碱性,制约了其作为填料及环保方面的应用;其它领域的应用均因处理成本过高,消耗量小而现实意义不大。2.2基质制备2.2.1c配比对复合固体力学性能的影响对水泥基材料而言,水灰比(W/C)对浆体的工作性能影响较大,同时是力学性能的主要影响因素。将白泥完全烘干,以外加水的方式控制水料比(水和所有固体原料的质量比),水料比对复合固化体基体抗压强度的影响见图2。从图2可以看出,B配比水料比小于0.40时,对强度的影响非常明显;降低水料比将显著提高复合基体的强度,当水料比在0.40~0.45范围时,其力学性能随水料比变化不大。C配比下,白泥掺量增加至60%时,复合固化体力学性能下降明显,当水料比低于0.42时,大量自由水被白泥颗粒吸附,丧失流动性,已致使其无法成型。造纸白泥复合固化基体与普通水泥混凝土中水灰比对强度影响的规律基本一致,同时因造纸白泥的特殊来源,其又有一定的特殊性。当大掺量(50%以上)应用白泥制备固化复合基体时,白泥的高含水率(42%)会显著增大体系水料比,但这些吸附于白泥颗粒表面及填充于颗粒之间搭接的三角空隙中的空隙水,却对浆体和易性的改善无益,导致和易性差,各物料间无法混合均匀,最终影响力学性能和耐久性。因此,应设法打开白泥颗粒的絮凝团聚状态,充分释放颗粒表面吸附水及空隙中的自由水,在保证浆体具有一定的工作性能的基础上,具有尽可能低的水料比。2.2.2最佳掺量的确定充分利用白泥自身所含水分,使其在无外掺水的情况下满足复合固化体的成型,水化硬化要求是问题的关键。采用基础配方A、B、C,将未经烘干的原状白泥(含水率42%)直接使用,此时白泥掺量最大的C组其水料比为0.43,对应于A组和B组的水料比分别为0.33和0.36。通过实验发现:改性剂J的掺入可明显提升基体的力学性能,但二者并非成稳定的线性关系,同时,成本的上升也是必须考虑的因素。针对不同的白泥掺量,力求找出改性剂J的最佳掺量(以复合基体总质量的百分数计),即改性剂J的饱和掺量(见图3)。由图3可知:采用震动成型时,改性剂J的最佳掺量随白泥比例的减少而增加。在无外掺水时,体系中所含自由水随白泥比例的增大而增大,一定程度上有助于浆体工作性能,但水料比过大时(大于0.5),会使胶凝材料所占比例减少,同时,试块硬化后因水分散失而导致的孔隙率上升也是固化体力学性能下降的原因。白泥(含水率42%)掺量分别为40%、50%、60%时,改性剂J的最佳掺量(饱和掺量)分别为0.37%、0.25%、023%。2.2.3白泥掺量对强度的影响将未经处理的白泥(含水率42%)和粉煤灰与水泥按一定的比例混合,并添加适宜掺量的改性剂J,讨论了白泥掺量及配比对该体系力学性能的影响。实验配合比及力学性能见表3。从表3可以看出,固定水泥掺量20%时,28d抗压强度随着白泥掺量的增加而降低,超过70%时,强度下降比较严重。当水泥掺量低于15%时,强度过低,无法达到砌墙砖的产品强度要求。当水泥掺量≥20%时,强度随白泥掺量的升高而降低,但水泥、粉煤灰、白泥三者之间存在一个适宜的配比。白泥掺量增大引起水料比的上升,是力学性能下降的主要原因。水泥作为水硬性胶凝材料是该体系主要的强度来源,白泥在本体系中主要起填充及骨架作用,同时,白泥中含有2%左右的碱,可激发水泥和粉煤灰等胶凝材料的反应活性。因此,通过调整白泥原料的含水率来控制复合基体的水料比,并适当添加改性剂,既可以保证工作性能和力学性能的协调,同时使白泥资源化利用的消耗量保持在较高水平。2.2.4改性剂j对材料表面元素表达的影响对B组和C组试样分别进行XRD(见图4)和SEM(见图5)测试分析,讨论白泥在该体系中的作用机理以及其对体系的影响。由图4可知,复合固化体的矿物组成和造纸白泥相同,仍然以碳酸钙为主晶相,但其衍射峰强度随白泥掺量的下降逐步减弱。这说明,白泥掺入对体系中胶凝材料水化产物并未产生十分显著的影响,衍射峰强度的下降主要是其所占比例下降造成的。同时,衍射分析结果未出现氢氧化钙和钙矾石等水泥的常见水化产物,这主要是因为水泥比例较少以及粉煤灰的火山灰反应消耗钙离子,致使在现有条件下仪器无法测出。由图5可知,样品内部由于改性剂J的加入,白泥颗粒充分分散,并填充在絮凝状固体凝胶和纤维状水化产物互相搭接形成空间网络中,水化产物紧密包裹在白泥颗粒表面,形成水化产物-白泥颗粒-水化产物的致密均一体系;对比B组样品和C组样品发现,B组样品的密实程度明显高于C组,由于白泥掺量较高,有较多的白泥颗粒已裸露在外,白泥颗粒与水化产物之间无法相互搭接,且呈乱序分布。因此,白泥颗粒在这一体系中,发挥了微晶核和微集料效应,起到骨架与填充作用,不仅有助固体凝胶和纤维的成核结晶与长大,而且对基体的密实化起到了十分重要的作用。2.3新型墙体材料的研发对照JC/T422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》的要求,依据1.2中所述实验方法,采用上述基体制备标准砌墙砖(试块尺寸:120mm×115mm×53mm),并对其性能进行测试,实验结果如表4所示。由表4可知,利用造纸白泥制得的新型墙体材料,其性能完全满足各项使用要求。白泥掺量60%时,仍然可达到JC/T422—2007中的MU15产品标准要求。对造纸白泥砌墙砖(标砖)的生产成本估算如下:按体积密度1600kg/m3计算,胶凝材料用量320kg/m3,其单价为300元/t;改性剂用量4kg/m3,其单价为6000元/t;故原材料成本=1600×20%×0.3+1600×0.25%×6=120元/m3。此外,国内大部分造纸厂仍为白泥的处置承担巨额排污费和场地费,随着我国环境治理力度的不断加强,白泥的处置难题必将严重阻碍造纸企业的可持续发展。同时,随着我国耕地资源的持续短缺,普通烧结砖已经在沿海部分城市禁止使用,新型墙体材料的逐步推广势在必行。因此,大力推广造纸白泥在新型墙体材料中的应用技术,符合国家政策要求和造纸企业可持续发展的需求。3可生物降解微胶体系(1)针对造纸白泥(竹浆)含水率高,且难以烘干的特点,研究了白泥-粉煤灰-水泥复合体系的性能及其影响因素,讨论了造纸白泥在新型墙体材料中的应用。通过掺入改性剂J,未经烘干预处理的造纸白泥废料可直接应用,制得满足使用要求的新型墙体材料。(2)水料比、改