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固體廢棄物制備蒸壓加氣混凝土的研究進展
更新時間:2017-04-11 點擊:2649

北極星節能環保網訊:蒸壓加氣混凝土(Autoclaved Aerated Concrete,簡稱AAC)是在硅質原料和鈣質原料的配料中加入鋁粉(膏)作發氣劑,經加水攪拌、澆注成型、發氣膨脹、預養切割,再經高壓蒸汽養護而成的多孔硅酸鹽材料。其體積密度為300~800 kg/m3,是紅磚的1/3;導熱系數為0.09~0.22 W/(m˙K),僅為紅磚的l/4~1/5。因其具有輕質、保溫、隔熱、吸聲、防火、可加工等性能特點,被廣泛應用于工業與民用建筑,成為一種節能環保的新型建筑材料。尤其是,蒸壓加氣混凝土可大量應用固體廢棄物作硅質原料,順應當今社會節能環保及循環經濟的發展趨勢,因而倍受關注。

隨著我國工業化、城鎮化建設的迅速發展,一方面固體廢棄物大量排放和堆存占用寶貴土地,污染環境和危害人體健康:另一方面城鄉建設發展對建材產品需求急劇增加,資源環境的約束矛盾日益突出。2011年,國家發展改革委出臺的《“十二五”墻體材料革新指導意見》,明確指出了墻體材料革新重點工作:“實施利廢新型墻體材料示范工程,推進大宗固體廢棄物綜合利用示范基地建設,通過技術研發,支持企業利用建筑廢棄物、城市污泥、尾礦、磷石膏等固體廢棄物生產新型墻體材料,提高綜合利用效率。國家墻改政策提出到2015年,城鎮新建建筑執行不低于65%的建筑節能標準,城鎮新建建筑95%達到建筑節能強制性標準的要求。

毋庸置疑,保護環境與節約資源已成為基本國策,建筑節能是大勢所趨,綠色環保型建筑材料的研發及推廣應用成為實現建筑節能的關鍵。本文綜述了利用固體廢棄物制備蒸壓加氣混凝土墻體材料的研究進展,重點闡述了粉煤灰、石英尾砂和尾礦渣的特點及其材料化技術方法,并對當前研究中存在的問題及將來的發展方向進行探討。

1 不同材質的加氣混凝土

本質上講,蒸壓加氣混凝土是由鋁粉在料漿中發氣、并在硬化過程中固定而形成氣孔結構;由CaO與Si02在水熱條件下反應生成水化硅酸鈣(主要為CSH(I)膠凝、水石榴子石和托勃莫來石),并與尚未反應的材料顆粒結合在一起,構成混凝土的整體強度。通常,CaO由石灰、水泥等提供,Si02則由硅質原料提供。一直以來,利用富硅固體廢棄物制備加氣混凝土的研究,主要集中在粉煤灰、石英尾砂和尾礦渣等方面。

1.1 粉煤灰加氣混凝土

早在1958年,我國就開始研究蒸養粉煤灰加氣混凝土。經過長期的探索和實踐,已形成了較為成熟的制備技術。一般而言,Si02含量≥40%,粒度在180目(80 μm方孔篩篩余≤25%)左右的粉煤灰皆可用于生產蒸壓加氣混凝土制品。

目前,大量生產和應用的粉煤灰加氣混凝土主要為B05-B07級的制品,其干容重較大(>500 kg/m3),抗壓強度較低(≥2.5MPa),導熱系數較高(≥0.14W(m˙K)),且存在抗凍融性較差、碳化能力低、砌墻易開裂等問題。因此,近年來的研究主要側重于性能改良和強度高、容重小的加氣混凝土制品開發。王立剛研究組嘗試利用超細粉煤灰(5~15 um)制各加氣混凝土,發現超細灰對加氣混凝土有明顯的增強效應。但由于超細灰粒徑小,比表面積大,顆粒填充效應增強,使得制品孔隙率下降,容重增大;且由于其活性較原狀灰高,使得料漿稠化快,澆注穩定性變差。杜傳偉等人探討了通過添加物理泡沫和促凝劑來改善孔結構,并通過增加水泥用量提高制品強度。結果表明,由于加入的泡沫在攪拌制漿過程中易被破壞,對孔結構和制品的強度的改良作用不明顯。M.Serhat BaspinarE等人研究了水泥對制品性能的影響,發現降低水泥摻量反而可以提高制品的抗壓強度。原因在于水泥摻量較高時,早期水化反應中會形成大量的鈣礬石相;雖然鈣礬石相有益于提高坯體的早期強度,但會造成制品開裂,降低了其耐久性。他們通過添加硅粉來抑制鈣礬石相的形成,一定程度上改善了水化反應條件,提高了制品的強度,但卻使制品的容重大幅增加。鄭懷林等通過添加多種外加劑,并精確控制工藝參數,研發出B03級粉煤灰加氣混凝土保溫砌塊。但其絕干抗壓強度僅有O.89 MPa(國標要求為1.0 MPa),實際應用價值不大。

總起來講,粉煤灰加氣混凝土的研究未出現突破性進展,尤其對起始物的反應機制及制品的物相、結構與性能的關系等基礎問題缺乏深入研究。

1.2 石英尾砂加氣混凝土

石英尾砂是玻璃生產過程中經粉碎篩選后產生的大量廢棄物,主要為結晶質石英,Si02含量達90%以上,經處理后可作為加氣混凝土的硅質原料。由此既拓寬了制備加氣混凝土的原料選擇范圍,又可解決其造成的污染問題。

汪洋等人將石英尾砂細度控制在0.08 mm篩篩余12%作為制備加氣砌塊的主要原料,研究了鈣質材料(石灰、水泥)用量對制品性能的影響,發現鈣質材料添加量過少,生成的水化產物量不足,殘余Si02過多,制品強度低;鈣質材料添加量過多,Ca過量,在堿性環境下易生成強度低的高堿水化物。通過實驗,在鈣質材料添加量為39%(水泥6%,石灰33%)時,制備出干容重為523 kg/m3的樣品,其抗壓強度達3.9 MPa,干燥收縮(快速法)0.7mm/m。王長龍等人研究了石英尾砂的細度對料漿穩定性和制品性能的影響。結果表明,尾砂太粗,料漿流動性差,澆注后料漿易沉析導致塌模;提高尾砂的細度,可增加其比表面積,提高反應活性;但若顆粒太細,料漿稠化快,發氣受阻,易產生憋氣,使制品出現裂紋,孔隙率下降,容重增大。通過實驗,將石英尾砂粉磨至比表面積為321.57 ㎡/kg,制得的樣品干容重為562kg/m3,抗壓強度為4.34 MPa。由于石英尾砂易磨性差,晶體結構致密,水化反應活性低,導致尾砂有效利用率偏低。

l.3 尾礦質加氣混凝土

隨著社會對礦產資源的不斷開發利用,礦山固體廢棄物逐年增加,大量的含硅尾礦堆積如山,如鐵尾礦、黃金尾礦、磷尾礦、銅尾礦、鎢尾礦、鉛鋅尾礦等。目前,尾礦的處理主要是回收利用其有價組分,但這樣并未減少尾礦的存量,其占用土地和污染環境等問題不能得到根治。利用富硅尾礦制備新型建筑材料,成為大量消納尾礦的可行之路。

鄭文新用化學方法對黃金尾礦進行預活化處理,激發其活性后作為硅質原料,制備出B06級加氣混凝土材料。王長龍等人將低硅鐵尾礦細磨至200目篩余7.3%,再添加部分高硅原料,制備了容重為637 kg/m3、抗壓強度達4.31 MPa的加氣砌塊。錢嘉偉利用銅尾礦替代32%的硅砂制備B06級加氣砌塊。Huang等人嘗試利用銅尾礦和水淬高爐礦渣制備蒸壓加氣混凝土,認為水淬渣的活性CaO含量較高,無需添加生石灰即可滿足鈣質的需求,由此可降低原料成本。但因其MgO含量過高且消化極慢,在坯體硬化或蒸壓過程中持續水化反應,易造成體積膨脹而破壞。

由于大多數尾礦的顆粒較粗,且礦物組成復雜,SiO2以石英態產出的量較小,主要以化合物形式存在于各種礦物相中,因而反應活性較差。欲提高其反應活性,目前有效的方法是磨細或化學激活。這無疑會增加其利用的難度和成本,限制了尾礦質加氣混凝土的規模化生產。因此,尾礦的低成本活化方法研究有待于加強。

2 問題及展望

加氣混凝土業界存在著一個難以突破的瓶頸,即原料細度不能低于180目,這使得大量富硅質廢渣微粉難于得以應用。因此,如何充分利用超細粉料無需細磨加工、比表面積大、反應活性高等特點,制備性能優良的輕質保溫墻體材料成為亟待解決的難題。

原料與制品的關聯性研究有待加強,尤其是根據固體廢棄物的資源情況,因地制宜,開發新的制備技術方法,提高工業廢渣的綜合利用水平。在加氣混凝土的硅質原料選擇方面,一直是以SiO2的含量為標準。實際上,制品的性能取決于水化硅酸鈣的形成,而原料中Si02的有效釋放并與CaO發生化學反應是關鍵。因此,需要強化原料的結構及理化性質等基礎研究,針對Si02的不同賦存狀態,開發活性激發技術,以最大限度的利用低硅固體廢棄物資源。

隨著“十二五”時期工業化、城鎮化進程加快,大宗固體廢棄物產生和堆存占用大量土地,污染環境的問題日趨嚴重。同時,隨著城鄉建設的快速發展和現代建筑節能要求的不斷提高,迫切需要開發超輕質、高強度、耐久性好,保溫性能優良,能夠適應外墻自保溫一體化工程需要的新型加氣混凝土墻體材料。因此,利用固體廢棄物制備節能型建筑材料的研發及推廣應用將成為重點領域。

原標題:固體廢棄物制備蒸壓加氣混凝土的研究進展


 
 
 
 
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