固体废物蒸压系统的红外光谱研究

谢志英,白洪潮,柯昌君 (长江大学城市建设学院,湖北荆州434023)

蒸压硅酸盐制品已成为重要的新型墙体材料之一,其生产所用原料大部分来源于固体废物,如粉煤灰等,利用其在蒸压条件下与石灰等钙质原材料发生反应,生成水化硅酸钙 (C—S—H)、托勃莫来石等水化产物,水化产物相互搭接,形成致密的显微结构,从而给制品提供强度。工业固体废物每年有数十亿吨排除,如各种矿渣、钢渣、尾矿以及建筑垃圾等,这些工业固体废物是否适宜用作蒸压硅酸盐制品原料,目前还没有权威的评价方法,虽然提出了多种评价方法,但大部分方法是以其化学成分来进行评价,如波任诺夫碱性系数[1]等,以简单的化学成分来评价蒸压材料水热特性是不科学的。

对于以玻璃相为主要物相的工业废物,如粉煤灰、废玻璃粉、矿渣等,张志杰[2]等利用红外光谱进行了深入的研究,研究表明,固体废物红外光谱强吸收区Si—O键伸缩振动频率与其蒸压条件下的反应能力之间存在相关性,但工业废物中铝的存在形式对蒸压样品的强度影响很大。尽管固体废物中红外光谱强吸收区Si—O键所对应的硅酸盐均参与了水化反应,但矿渣蒸压样品的强度明显受含铝相参与水热反应形成水石榴石的影响,导致蒸压样品强度明显下降。

下面,笔者选用含玻璃相较少的工业废物钢渣 (氧化渣)、废混凝土等以结晶体为主要物相的固体废物为研究对象,掺入一定量的熟石灰制成样品,测定其蒸压试样结合水量和强度,并用最大结合水量来表示原料体系蒸压反应能力,研究了固体废物红外光谱强吸收区的Si—O伸缩振动频率与其水热反应能力及其强度间的关系。

1 原材料

选用熟石灰 (Lime)、钢渣 (OS1、OS2),废混凝土 (WC1、WC2、WC3),全部通过0.08mm方孔筛。各种原材料的化学成分如表1所示。

表1 原材料化学学成分

2 试验方法

按比例配料 (水固比0.20),搅拌均匀,在6000N的压力下压制成∅36mm×36mm的试件。将成型好的每组样品分别放入塑料盒中加盖密封,常温下静置16h后,放入蒸压釜中,按照一定的蒸压规范进行蒸压处理。

3 结果与分析

3.1 钢渣蒸压系统的红外光谱分析

试验选用的2种钢渣 (OS1、OS2)均为氧化渣,其矿物组成均主要为RO相 (FeO、MgO等的固溶体)、镁蔷薇辉石、钙铝黄长石、钙铁橄榄石、方解石和少量玻璃相。相对钢渣2(OS2)而言,钢渣1(OS1)中RO相和钙铁橄榄石较多。

图1为2种钢渣的红外光谱图。从图1可以看出,钢渣1与钢渣2红外光谱的主要区别表现在:一是钢渣1中1427cm-1附近吸收峰更强,表明其碳酸盐含量较高;二是900cm-1～990cm-1附近强Si—O键伸缩振动峰出现的位置:钢渣1为 919cm-1和 982cm-1,钢渣2为917cm-1和 979cm-1,分别相差值2cm-1和3cm-1,也就是说,根据强Si—O键伸缩振动峰值对应的硅酸盐,钢渣2更易参与反应,水化产物更多,可获得较高强度的蒸压试样。

图2为钢渣石灰蒸压系统的红外光谱图。图2表明900cm-1～990cm-1附近强Si—O键伸缩振动峰对应的硅酸盐参与水化反应形成了新的水化产物。根据XRD(X射线衍射)和IR(红外光谱)分析显示,OS1的水化产物为C—S—H和托贝莫来石,OS2的主要水化产物为α-C2SH。2种钢渣蒸压试样的水化产物存在显著差异。

图1 2种钢渣的红外光谱图

图2 钢渣石灰蒸压系统的红外光谱图

图3和图4分别为2种钢渣不同C/S比 (钙硅比)的钢渣蒸压试样结合水量的变化情况和蒸压试件抗压强度。从图3和图4可以看出,钢渣2所能获得的蒸压试样最大强度大于钢渣1;在相同C/S比下钢渣2的蒸压试样的结合水量大于钢渣1。

图3 不同钢渣蒸压试件抗压强度

图4 钢渣蒸压试样结合水量的变化

比较可知,OS2钢渣强吸收区红外光谱强Si—O键伸缩振动峰值较小,其蒸压试样的结合水量和强度大。

3.2 废混凝土蒸压试样红外光谱分析

取同一城市不同工程的3种废混凝土,粗骨料均为花岗岩,但龄期不同,配合比不同,强度未知。3种废混凝土的主要矿物均为石英、钾长石、钠长石、云母、羟钙石以及少量的方解石,混凝土中水泥水化后形成的水化硅酸钙C—S—H(I)衍射峰难以分辨。3种废混凝土的红外光谱图如图5。图中,3种废混凝土的红外光谱在 1000cm-1～1100 cm-1范围内强Si—O键伸缩振动峰位置分别为 1082cm-1和1012cm-1、1081cm-1和1012cm-1和1082cm-1和1012cm-1,明显受混凝土中粗细骨料 (粗骨料均为花岗岩)的影响。其红外光谱特征峰基本相同。

图5 不同废混凝土的红外光谱图

为说明废混凝土强Si—O键伸缩振动峰对应的硅酸盐参与蒸压反应,选取WC1与熟石灰蒸压试样(熟石灰占固体总质量的20%)进行红外光谱分析,如图6所示。显然1082cm-1和1012cm-1对应的硅酸盐反应,形成了新的水化产物,出现新的Si—O键伸缩振动峰970cm-1。图7为废混凝土在不同蒸压条件下的强度变化 (试样中熟石灰含量占固体质量的20%,蒸压处理时间6h)。图7显示,不同废混凝土蒸压试样在相同蒸压条件下的最大强度值基本相同。这一结果表明废混凝土蒸压试样的最大强度值与其强吸收区Si—O键伸缩振动峰相同是一致的。

图6 废混凝土蒸压试样红外光谱图

图7 3种不同废混凝土的蒸压制品强度

4 结 论

1)含有高温热历史形成具有活性晶体的固体废钢渣,红外光谱强吸收区Si—O键伸缩振动峰与其蒸压试样结合水量相关,其试样强度随红外光谱强吸收区Si—O键伸缩振动频率的降低而提高。

2)3种废混凝土的红外光谱特征峰相同。蒸压处理过程中,粗细骨料中部分参与水化,3种废混凝土蒸压试样的水化产物均以托贝莫来石和C—S—H为主,其最大强度也相同。

[1] П·И·Б ОЖЕНОВ.Technology of autoclaved materials[M].Beijing:China Building Industry Press,1985.49～66.

[2]张志杰,唐正宇,柯昌君.含玻璃相固体废物的蒸压反应特性 [J].华南理工大学学报 (自科版),2009,37(12):32～36