工程科学学报，第41卷，第1期：53-59,2019年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.I:53-59,January 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.005;http://journals.ustb.edu.cn 电石渣-煤基固废混合胶凝体系制硅酸钙板的试验 魏丁一12)，杜翠凤12)，李彦鑫3)四，张连富12) 1)金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 3)内蒙古科技大学矿业研究院，包头014010 ☒通信作者，E-mail:wdyl03@yeah.net 摘要为减少制备硅酸钙板对矿物原浆资源的损耗和提高对固体废弃物的协同利用效果，试验以电石渣-煤基固废胶凝体 系为原料来研制高强度的纯固废硅酸钙板，并通过热重~差示扫描量热法、X射线衍射测试来分析硅酸钙板中生成的主要矿 物成分及不同配比对硅酸钙板的强度变化关系.研究表明：在水灰比为0.3的条件下，使用电石渣完全替代水泥，将粉煤灰和 硅灰按1：1的质量比互掺调制所得的混合胶凝体系最终制得托贝莫来石型纯固废硅酸钙样板.在硅灰占原料的质量分数为 0~10%范围内，样板抗折强度随硅灰添量增加而升高，硅灰添量为10%时样板达到最大抗折强度，不同粒径的原料颗粒相互 填充，板内晶体与水化胶凝体相互咬合，最终使得样板力学性能得到大幅提升：样板的抗折强度随着N0H添量的增加呈现先 增后降的趋势，NaOH添加质量分数为4%时样板板面平滑，强度达到最大值11.8MPa,该添量为Na0H的最佳添量，通过扫描 电镜分析发现加入4%NOH时对该胶凝体系的水化反应起到最佳激发作用，且样板料坯的微观结构对其最终的力学性能有 重要影响，但不起决定性作用，其中决定其最终强度的是板坯内水化胶凝体的数量、形态以及其相互间的联结方式 关键词粉煤灰：混合胶凝体系：废物协同利用：抗折强度：水化产物 分类号TU528.4 Experiment on preparation of calcium silicate board based on a mixed gel system of carbide slag and coal-based solid waste WEI Ding-yi,DU Cui-feng),L Yan-xin ZHANG Lian-fu) 1)State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,Beijing 100083.China 2)School of Civil and Recourses Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Mining Engineering Institute,Inner Mongolia Science and Technology University,Baotou 014010.China Corresponding author,E-mail:wdy103@yeah.net ABSTRACT The purpose of this study was to reduce the loss of raw material calcium in the preparation of calcium silicate board and improve the synergistic utilization efficiency of solid waste.This test used a carbide slag-coal-based solid waste gelling system as the raw material to develop high-strength pure solid waste calcium silicate board.The main mineral components produced in the calcium silicate board and the variation in calcium silicate board strength with different proportioning were analyzed using thermogravimetry-dif- ferential scanning calorimetry (TG-DSC)and X-ray diffraction (XRD)test.The results show that the use of carbide slag completely substitutes cement.Fly ash and silica fume were mixed in mass ratio of 1:I to prepare a mixed gelling system.Finally,the tobago mul- lite pure solid-waste calcium silicate template could be made with a water-cement ratio of 0.3.When silica fume was added in the mass percent of 0-10%,the bending strength of the template strengthened.Flexural strength of the calcium silicate board reached maxi- mum when the amount of silica fume was 10%.Here,raw material particles composed of various dimensions were fully mixed.Also, crystals and hydrated gels closely interacted.Thus,the mechanical properties of the calcium silicate board significantly improved.The 收稿日期：2017-12-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274023)
工程科学学报,第 41 卷,第 1 期:53鄄鄄59,2019 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 1: 53鄄鄄59, January 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 01. 005; http: / / journals. ustb. edu. cn 电石渣鄄鄄煤基固废混合胶凝体系制硅酸钙板的试验 魏丁一1,2) , 杜翠凤1,2) , 李彦鑫3) 苣 , 张连富1,2) 1) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 2) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 3) 内蒙古科技大学矿业研究院, 包头 014010 苣 通信作者, E鄄mail:wdy103@ yeah. net 摘 要 为减少制备硅酸钙板对矿物原浆资源的损耗和提高对固体废弃物的协同利用效果,试验以电石渣鄄鄄煤基固废胶凝体 系为原料来研制高强度的纯固废硅酸钙板,并通过热重鄄鄄差示扫描量热法、X 射线衍射测试来分析硅酸钙板中生成的主要矿 物成分及不同配比对硅酸钙板的强度变化关系. 研究表明:在水灰比为 0郾 3 的条件下,使用电石渣完全替代水泥,将粉煤灰和 硅灰按 1颐 1的质量比互掺调制所得的混合胶凝体系最终制得托贝莫来石型纯固废硅酸钙样板. 在硅灰占原料的质量分数为 0 ~ 10% 范围内,样板抗折强度随硅灰添量增加而升高,硅灰添量为 10% 时样板达到最大抗折强度,不同粒径的原料颗粒相互 填充,板内晶体与水化胶凝体相互咬合,最终使得样板力学性能得到大幅提升;样板的抗折强度随着 NaOH 添量的增加呈现先 增后降的趋势,NaOH 添加质量分数为 4% 时样板板面平滑,强度达到最大值 11郾 8 MPa,该添量为 NaOH 的最佳添量,通过扫描 电镜分析发现加入 4% NaOH 时对该胶凝体系的水化反应起到最佳激发作用,且样板料坯的微观结构对其最终的力学性能有 重要影响,但不起决定性作用,其中决定其最终强度的是板坯内水化胶凝体的数量、形态以及其相互间的联结方式. 关键词 粉煤灰;混合胶凝体系;废物协同利用;抗折强度;水化产物 分类号 TU528郾 4 收稿日期: 2017鄄鄄12鄄鄄29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51274023) Experiment on preparation of calcium silicate board based on a mixed gel system of carbide slag and coal鄄based solid waste WEI Ding鄄yi 1,2) , DU Cui鄄feng 1,2) , LI Yan鄄xin 3) 苣 , ZHANG Lian鄄fu 1,2) 1) State Key Laboratory of High鄄Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, Beijing 100083, China 2) School of Civil and Recourses Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Mining Engineering Institute, Inner Mongolia Science and Technology University, Baotou 014010, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: wdy103@ yeah. net ABSTRACT The purpose of this study was to reduce the loss of raw material calcium in the preparation of calcium silicate board and improve the synergistic utilization efficiency of solid waste. This test used a carbide slag鄄coal鄄based solid waste gelling system as the raw material to develop high鄄strength pure solid waste calcium silicate board. The main mineral components produced in the calcium silicate board and the variation in calcium silicate board strength with different proportioning were analyzed using thermogravimetry鄄dif鄄 ferential scanning calorimetry (TG鄄DSC) and X鄄ray diffraction (XRD) test. The results show that the use of carbide slag completely substitutes cement. Fly ash and silica fume were mixed in mass ratio of 1颐 1 to prepare a mixed gelling system. Finally, the tobago mul鄄 lite pure solid鄄waste calcium silicate template could be made with a water鄄cement ratio of 0郾 3. When silica fume was added in the mass percent of 0 – 10% , the bending strength of the template strengthened. Flexural strength of the calcium silicate board reached maxi鄄 mum when the amount of silica fume was 10% . Here, raw material particles composed of various dimensions were fully mixed. Also, crystals and hydrated gels closely interacted. Thus, the mechanical properties of the calcium silicate board significantly improved. The
.54. 工程科学学报，第41卷，第1期 bending strength of the calcium silicate board tends to increase first,and then decrease with increasing NaOH dosage.The surface of the calcium silicate board was smooth when the mass percent of NaOH was 4%and mechanical strength reached a maximum of 11.8 MPa.This proved to be the optimum amount of added NaOH.The hydration reaction of the gelling system can achieve the best stimula- ting effect when 4%NaOH is added using scanning electron microscopy analysis.Moreover,the microstructure of material billets has an important impact on the final mechanical properties.However,the mechanical strength of the pre-cured calcium silicate board is not decisive of the final mechanical properties.The internal hydration gel number,shape,and connection are linked to each other inside the calcium silicate board;this is the key factor in determining the final mechanical properties of the calcium silicate board. KEY WORDS fly ash;mixed gelling system;waste synergistic utilization;bending strength;hydrate product 硅酸钙板具有高强轻质抗冲击、隔热防腐抗变 司：粉煤灰和脱硫石膏均取自大唐托克托电厂；硅灰 形、可锯可钻易加工的优质性能.在房建领域可用 和电石渣取自鄂尔多斯电冶集团，其化学组成成分 于吊顶、地面铺设和天花板1-]，在工业领域可用于 如表1所示：矿物组成成分如图1所示.外掺的纤 发电厂锅炉、烟道、保温管道、干燥炉壁等).目前 维为由山东临沂鑫盛摩擦材料有限公司生产的岩棉 它已成为一种极具开发潜力的新型建筑材料.但硅 纤维，颜色呈暗白色，长度约为3mm,主要化学成分 酸钙板制备的传统用料均为矿物原浆，生产大批量 为Si02、Ca0和Al203· 硅酸钙板会加重如石英砂等天然优质矿物资源的损 表1原料的化学组成成分（质量分数） 耗，给生态环境和土地资源带来巨大压力，严重阻碍 Table 1 Chemical composition of raw materials 了经济与资源可持续发展的步伐.因此，寻求钙和硅 原料 Si02Al03Ca0Fe203Mg0SO3总和 元素含量丰富且价格低廉的新原料迫在眉睫.相关 硅钙渣25.0013.2046.203.702.310.8791.28 专家和学者纷纷对硅酸钙板的传统制备工艺和配方 脱硫石膏4.543.1339.730.501.4649.9099.26 进行改进刘晓婷等4以电厂粉煤灰提铝残渣为原 粉煤灰 47.6842.073.472.320.510.8696.91 料并对制备工艺优化，得到并验证了预测抗折强度的 电石渣2.122.4967.540.450.121.2073.92 数据拟合模型：梁兴荣等)探讨了不同硅藻土和木纤 硅灰 92.351.730.801.520.680.2497.32 维添加量的影响，得出样品吸水率与硅藻土添量呈线 性关系：薛俊等[6)]得到磷尾矿处理后物料制备出产品 ●CaS0.·2H0☆3Al,0,·2Si0, 抗折强度>9MPa且随保温时间延长逐渐降低，最佳 △CaCO, ★Si0 ▲Ca.Sio 女AL,0 保温时间为6h:王玉平等)采用流浆工艺及合适工 △Ca,Si0, ●Ca(OH), ● 艺参数，制得性能和不燃性达到GB5464各项要求的 脱硫石膏 产品.欧阳东与易超8-]利用高岭土下脚料和陶瓷抛 硅灰 光渣分别作填料取代石英粉制硅酸钙板，发现适量填 49 料可促进样板内晶体成长且晶体种类不变.战佳宇 硅钙渣 等10]用活化后的钼尾矿制备硅酸钙板，研究活化前后 粉煤灰 钼尾可矿对样品性能的影响.戴民等山分析不同原料用 奥良中 量、脱水压力和钙硅比对硅藻土样板性能的影响. 电石渣 25.834.443.051.660.268.877.4 利用硅钙渣、粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废制硅 20M) 酸钙板技术的研究在我国已经取得了较多成果，为 图1原料X射线衍射图 最终实现量产奠定了良好的理论基础.本试验在总 Fig.1 XRD patterns of raw materials 结前人研究的基础上，提出利用电石渣完全替代水 1.2实验原料的粒径分布 泥，硅灰与粉煤灰以合适比例互掺的方式来制纯固 将实验原料经100±1℃烘干预处理后，选用 废硅酸钙板，并探究了样板经预养养护后获得的初 Bettersize2O00型激光粒度分析仪测定其粒径分布. 期强度与板材最终力学性能的关系. 测得原料的平均粒度组成如表2所示 1实验设计 由表2可知，原料粒径分布差异较大，粉煤灰颗 粒粒径最大，其中位径(D50)高达412.5um,而硅灰 1.1实验原料的化学成分 的中位径最小，仅为4.25m,原料的不同粒径分布 实验采用的硅钙渣选自大唐国际再生资源公 对样品最终性能具有较大的影响
工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 bending strength of the calcium silicate board tends to increase first, and then decrease with increasing NaOH dosage. The surface of the calcium silicate board was smooth when the mass percent of NaOH was 4% and mechanical strength reached a maximum of 11郾 8 MPa. This proved to be the optimum amount of added NaOH. The hydration reaction of the gelling system can achieve the best stimula鄄 ting effect when 4% NaOH is added using scanning electron microscopy analysis. Moreover, the microstructure of material billets has an important impact on the final mechanical properties. However, the mechanical strength of the pre鄄cured calcium silicate board is not decisive of the final mechanical properties. The internal hydration gel number, shape, and connection are linked to each other inside the calcium silicate board; this is the key factor in determining the final mechanical properties of the calcium silicate board. KEY WORDS fly ash; mixed gelling system; waste synergistic utilization; bending strength; hydrate product 硅酸钙板具有高强轻质抗冲击、隔热防腐抗变 形、可锯可钻易加工的优质性能. 在房建领域可用 于吊顶、地面铺设和天花板[1鄄鄄2] ,在工业领域可用于 发电厂锅炉、烟道、保温管道、干燥炉壁等[3] . 目前 它已成为一种极具开发潜力的新型建筑材料. 但硅 酸钙板制备的传统用料均为矿物原浆,生产大批量 硅酸钙板会加重如石英砂等天然优质矿物资源的损 耗,给生态环境和土地资源带来巨大压力,严重阻碍 了经济与资源可持续发展的步伐. 因此,寻求钙和硅 元素含量丰富且价格低廉的新原料迫在眉睫. 相关 专家和学者纷纷对硅酸钙板的传统制备工艺和配方 进行改进. 刘晓婷等[4] 以电厂粉煤灰提铝残渣为原 料并对制备工艺优化,得到并验证了预测抗折强度的 数据拟合模型;梁兴荣等[5]探讨了不同硅藻土和木纤 维添加量的影响,得出样品吸水率与硅藻土添量呈线 性关系;薛俊等[6]得到磷尾矿处理后物料制备出产品 抗折强度 >9 MPa 且随保温时间延长逐渐降低,最佳 保温时间为 6 h;王玉平等[7] 采用流浆工艺及合适工 艺参数,制得性能和不燃性达到 GB5464 各项要求的 产品. 欧阳东与易超[8鄄鄄9]利用高岭土下脚料和陶瓷抛 光渣分别作填料取代石英粉制硅酸钙板,发现适量填 料可促进样板内晶体成长且晶体种类不变. 战佳宇 等[10]用活化后的钼尾矿制备硅酸钙板, 研究活化前后 钼尾矿对样品性能的影响. 戴民等[11]分析不同原料用 量、脱水压力和钙硅比对硅藻土样板性能的影响. 利用硅钙渣、粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废制硅 酸钙板技术的研究在我国已经取得了较多成果,为 最终实现量产奠定了良好的理论基础. 本试验在总 结前人研究的基础上,提出利用电石渣完全替代水 泥,硅灰与粉煤灰以合适比例互掺的方式来制纯固 废硅酸钙板,并探究了样板经预养养护后获得的初 期强度与板材最终力学性能的关系. 1 实验设计 1郾 1 实验原料的化学成分 实验采用的硅钙渣选自大唐国际再生资源公 司;粉煤灰和脱硫石膏均取自大唐托克托电厂;硅灰 和电石渣取自鄂尔多斯电冶集团,其化学组成成分 如表 1 所示;矿物组成成分如图 1 所示. 外掺的纤 维为由山东临沂鑫盛摩擦材料有限公司生产的岩棉 纤维,颜色呈暗白色,长度约为 3 mm,主要化学成分 为 SiO2 、CaO 和 Al 2O3 . 表 1 原料的化学组成成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of raw materials % 原料 SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3 总和 硅钙渣 25郾 00 13郾 20 46郾 20 3郾 70 2郾 31 0郾 87 91郾 28 脱硫石膏 4郾 54 3郾 13 39郾 73 0郾 50 1郾 46 49郾 90 99郾 26 粉煤灰 47郾 68 42郾 07 3郾 47 2郾 32 0郾 51 0郾 86 96郾 91 电石渣 2郾 12 2郾 49 67郾 54 0郾 45 0郾 12 1郾 20 73郾 92 硅灰 92郾 35 1郾 73 0郾 80 1郾 52 0郾 68 0郾 24 97郾 32 图 1 原料 X 射线衍射图 Fig. 1 XRD patterns of raw materials 1郾 2 实验原料的粒径分布 将实验原料经 100 依 1 益 烘干预处理后,选用 Bettersize2000 型激光粒度分析仪测定其粒径分布. 测得原料的平均粒度组成如表 2 所示. 由表 2 可知,原料粒径分布差异较大,粉煤灰颗 粒粒径最大,其中位径(D50)高达 412郾 5 滋m,而硅灰 的中位径最小,仅为 4郾 25 滋m,原料的不同粒径分布 对样品最终性能具有较大的影响. ·54·
魏丁一等：电石渣-煤基固废混合胶凝体系制硅酸钙板的试验 .55 表2原料的粒度组成 Table 2 Particle size composition of raw materials 名称 D03 D06 D10 D16 D25 D50 D75 D85 D90 D97 硅钙渣 0.495 1.589 3.981 8.625 16.99 40.89 69.46 87.55 101.9 170.3 脱硫石膏 0.082 0.117 0.207 0.684 2.096 19.27 46.85 62.46 74.18 106.5 粉煤灰 29.13 18.50 70.13 99.23 135 412.5 576 657.6 715.2 820 电石渣 0.622 1.354 2.692 5.047 9.095 21.55 40.71 55.58 67.81 103.5 硅灰 0.138 0.202 0.291 0.412 0.529 4.250 15.19 26.04 38.52 75.75 注：D代表颗粒直径.如D50表示累计50%点的直径或50%通过粒径，又称中位径，D03、D50和D97分别表示粉体的细端粒度、平均粒度 和粗端粒度，其余为粉体粒度分布情况. 1.3实验方案 2结果与讨论 实验室采用压模法制备硅酸钙板，根据前期得 出的原料最优配比如下：在水灰比为0.3时，将硅钙 2.1火山灰掺量对样板强度的影响 渣、电石渣、粉煤灰和硅灰混合灰、脱硫石膏按质量 硅灰与粉煤灰均是高温烟气遇冷空气急聚成球 配比为6：1：2：1精确称量，外加质量分数为8%的纤 状颗粒的火山灰，在碱性环境中受激发作用能够产 维和水，经多次实验确定水用量为粉体总质量的 生水化硅铝酸钙凝胶.但硅灰颗粒粒径极细，其比 30%,为进一步提升硅酸钙板的力学性能，试验选用 表面积约为粉煤灰的70倍，具有比粉煤灰更高的化 Na0H作为碱激发剂，分别将质量分数1%、2%、4% 学活性).图3为不同硅灰添加量下硅酸钙板的 和6%的NaOH分析纯溶入水中形成碱性溶液.粉 抗折强度图. 体中掺入纤维后，加入碱液并均匀搅拌，搅拌5min 后将混合料均匀装入两个规格均为150mm×150 mm×10mm的模具中进行加压（压力大小为40 MPa)15min,进行标准预养养护（温度20±2℃，湿 度95%)12h后将试件脱模，再经蒸养养护(180℃ 恒温、1.O5MPa恒压)8h后便可制得粗成品，具体 的制备流程如图2所示. 硅钙渣 纤维 0 10 15 粉煤灰+ 硅灰质量分数% 硅灰 言 图3不同硅灰在原料中质量占比对样板抗折强度的影响 电石渣 搅拌 压力成型 米压养护 Fig.3 Effect of different content levels of silica fume on the bending strength of the sample 脱硫 石膏 烘干切割棒 成品 干燥 由图3可知，未添加硅灰时样板抗折强度为 图2实验流程图 6.21MPa,硅灰添量为5%时样板抗折强度为6.98 Fig.2 Production process diagram of the experiment MPa(硅灰添量是指硅灰在原料总质量中的占比，下 同)，硅灰添量为10%时样板抗折强度为8.43MPa, 由原料的X射线衍射测试结果（如图1）可知 但硅灰添量为15%时样板抗折强度仅为7.66MPa, 电石渣的主要成分为Ca(OH)2晶相，它与硅钙渣 在硅灰添量为0~10%范围内，样板抗折强度随硅 表面化学腐蚀坑内附着的碱性物质在蒸压养护的 灰添量增加而提高，硅灰添量为10%时样板达到最 条件下能够很好地对该胶凝体系中硅和钙原料的 大抗折强度，继续添加硅灰反而导致样板抗折强度 水化反应起到自激发作用.电石渣颗粒较细，可直 减小，这是由于在体系中细粉颗粒过度添加会导致 接摻入替代水泥使用，为避免CaC0,等无效成分 颗粒间产生微孔隙结构，从而导致堆积密度发生疏 对实验结果造成影响，控制电石渣的掺入质量分 松效应)，最终降低了样板抗折强度.因此在制备 数为10%. 硅酸钙板时将粉煤灰与硅灰按照比例均匀掺合，该
魏丁一等: 电石渣鄄鄄煤基固废混合胶凝体系制硅酸钙板的试验 表 2 原料的粒度组成 Table 2 Particle size composition of raw materials 名称 D03 D06 D10 D16 D25 D50 D75 D85 D90 D97 硅钙渣 0郾 495 1郾 589 3郾 981 8郾 625 16郾 99 40郾 89 69郾 46 87郾 55 101郾 9 170郾 3 脱硫石膏 0郾 082 0郾 117 0郾 207 0郾 684 2郾 096 19郾 27 46郾 85 62郾 46 74郾 18 106郾 5 粉煤灰 29郾 13 18郾 50 70郾 13 99郾 23 135 412郾 5 576 657郾 6 715郾 2 820 电石渣 0郾 622 1郾 354 2郾 692 5郾 047 9郾 095 21郾 55 40郾 71 55郾 58 67郾 81 103郾 5 硅灰 0郾 138 0郾 202 0郾 291 0郾 412 0郾 529 4郾 250 15郾 19 26郾 04 38郾 52 75郾 75 注:D 代表颗粒直径. 如 D50 表示累计 50% 点的直径或 50% 通过粒径,又称中位径,D03、D50 和 D97 分别表示粉体的细端粒度、平均粒度 和粗端粒度,其余为粉体粒度分布情况. 1郾 3 实验方案 实验室采用压模法制备硅酸钙板,根据前期得 出的原料最优配比如下:在水灰比为 0郾 3 时,将硅钙 渣、电石渣、粉煤灰和硅灰混合灰、脱硫石膏按质量 配比为 6颐 1颐 2颐 1精确称量,外加质量分数为 8% 的纤 维和水,经多次实验确定水用量为粉体总质量的 30% ,为进一步提升硅酸钙板的力学性能,试验选用 NaOH 作为碱激发剂,分别将质量分数 1% 、2% 、4% 和 6% 的 NaOH 分析纯溶入水中形成碱性溶液. 粉 体中掺入纤维后,加入碱液并均匀搅拌,搅拌 5 min 后将混合料均匀装入两个规格均为 150 mm 伊 150 mm 伊 10 mm 的模具中进行加压( 压力大小为 40 MPa)15 min,进行标准预养养护(温度 20 依 2 益 ,湿 度 95% )12 h 后将试件脱模,再经蒸养养护(180 益 恒温、1郾 05 MPa 恒压)8 h 后便可制得粗成品,具体 的制备流程如图 2 所示. 图 2 实验流程图 Fig. 2 Production process diagram of the experiment 由原料的 X 射线衍射测试结果(如图 1)可知 电石渣的主要成分为 Ca(OH)2 晶相,它与硅钙渣 表面化学腐蚀坑内附着的碱性物质在蒸压养护的 条件下能够很好地对该胶凝体系中硅和钙原料的 水化反应起到自激发作用. 电石渣颗粒较细,可直 接掺入替代水泥使用,为避免 CaCO3 等无效成分 对实验结果造成影响,控制电石渣的掺入质量分 数为 10% . 2 结果与讨论 2郾 1 火山灰掺量对样板强度的影响 硅灰与粉煤灰均是高温烟气遇冷空气急聚成球 状颗粒的火山灰,在碱性环境中受激发作用能够产 生水化硅铝酸钙凝胶. 但硅灰颗粒粒径极细,其比 表面积约为粉煤灰的 70 倍,具有比粉煤灰更高的化 学活性[12] . 图 3 为不同硅灰添加量下硅酸钙板的 抗折强度图. 图 3 不同硅灰在原料中质量占比对样板抗折强度的影响 Fig. 3 Effect of different content levels of silica fume on the bending strength of the sample 由图 3 可知,未添加硅灰时样板抗折强度为 6郾 21 MPa,硅灰添量为 5% 时样板抗折强度为 6郾 98 MPa(硅灰添量是指硅灰在原料总质量中的占比,下 同),硅灰添量为 10% 时样板抗折强度为 8郾 43 MPa, 但硅灰添量为 15% 时样板抗折强度仅为 7郾 66 MPa, 在硅灰添量为 0 ~ 10% 范围内,样板抗折强度随硅 灰添量增加而提高,硅灰添量为 10% 时样板达到最 大抗折强度,继续添加硅灰反而导致样板抗折强度 减小,这是由于在体系中细粉颗粒过度添加会导致 颗粒间产生微孔隙结构,从而导致堆积密度发生疏 松效应[13] ,最终降低了样板抗折强度. 因此在制备 硅酸钙板时将粉煤灰与硅灰按照比例均匀掺合,该 ·55·
.56. 工程科学学报，第41卷，第1期 方法有以下两个优点： 2.2硅酸钙板板料坯微观形貌对样板力学性能的 (1)颗粒级配.由于粉煤灰与硅灰粒径不同，将 影响 它们按不同比例与其他原料均匀搅拌，使其尽可能 为了进一步的探究硅酸钙板经预养养护后料坯 达到该胶凝体系最紧密堆积时的颗粒级配要求.硅 的微观结构与板材经蒸养养护后所呈现的力学性能 灰能够很好地填充骨料颗粒间的缝隙，不同粒径的 的关系，本试验通过扫描电镜对不同NaOH添量下 原料颗粒相互填充使得样板内部更为密实，为硅酸 的硅酸钙板料坯的微观形貌进行观察和分析，并分 钙板初期强度发育奠定良好基础. 别检测Na0H添加质量分数分别为1%、2%、4%和 (2)火山灰效应.在电石渣提供的碱性环境下， 6%时硅酸钙板的抗折强度来得出结论. 0H随水相均匀地分布在每个颗粒表面，具有良好 图4为不同NaOH质量分数下板坯的扫描电 水硬活性的硅钙渣受激发后使其富钙相玻璃体表层 镜图，图4(a)是Na0H质量分数为2%时的样板 的Ca+不断被0H~等离子置换而出，导致硅氧网络 板坯的扫描电镜图，由于NaOH质量分数为1%和 层中的-Si-0-和-A-0-链发生断裂致使玻璃体解聚， 2%时板坯的扫描电镜图差别不大，因此采用 而低钙粉煤灰玻璃相的化学组成和聚合度与矿渣玻 NaOH质量分数为2%时样板板坯的扫描电镜图来 璃相却不同146)，其玻璃相更稳定，因此低钙粉煤 对比分析，图中有团、块状胶凝体产生，球形骨料 灰基本不具备水硬活性而只有火山灰效应.该胶凝 颗粒清晰可见，但表面被包裹着一层很薄的凝胶 体系中的Ca2+和硅钙渣玻璃体解聚产生的Ca2+吸 层，骨料颗粒之间存在大量的间隙，板坯不够密 附于粉煤灰玻璃相表面，Ca2+不断侵蚀玻璃相网络 实，整体强度较差，可知在此低碱环境中主要是由 层并导致其水解，从而发生火山灰效应，粉煤灰玻璃 高活性的硅灰发生水化反应生成少量的水化凝胶 体中的活性硅铝氧化物及硅灰玻璃相中的非晶态活 体，而硅钙渣、粉煤灰的潜在水硬活性未被激发， 性硅在碱性环境中会发生二次水化反应.多种水化 此时硬化体结构松散，强度较差；当NaOH质量分 凝胶产物沿样板孔隙方向延伸，最终堵塞在板内的 数为4%时，图4(b)中未见到骨料颗粒的轮廓，此 各个毛细孔，使得硅酸钙板更为密实，具有更高的力 时硅、钙原料的水化反应较充分.胶凝体呈团状且 学强度. 互相紧密填充胶结，凝胶产物互相搭建成网状结 因此，将粉煤灰与硅灰以1：1的比例混合在该 构，这时硬化体结构最为密实，具有很高的初期强 胶凝体系中，蒸压养护加速了粉煤灰、硅灰的火山灰 度；在NaOH质量分数为6%的高碱添量时，样板 反应及二次水化反应进程，生成大量水化胶凝体并 经预养后板坯强度较高但其表面泛了一层“薄 使其良性品化，最终大大提高了硅酸钙板的综合力 霜”，观察扫描电镜图4(c)可发现，骨料颗粒水化 学性能. 反应充分，水化胶体呈大片层状胶结，但是整体布 ×1,68010m 20024U0 20k 4e10um30834Nouo5 图4不同Na0H质量分数下板坯的扫描电镜图.(a)2%:(b)4%:(c)6% Fig.4 SEM images of basilar plate with different content levels of NaOH:(a)2%;(b)4%;(c)6%
工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 方法有以下两个优点: (1)颗粒级配. 由于粉煤灰与硅灰粒径不同,将 它们按不同比例与其他原料均匀搅拌,使其尽可能 达到该胶凝体系最紧密堆积时的颗粒级配要求. 硅 灰能够很好地填充骨料颗粒间的缝隙,不同粒径的 原料颗粒相互填充使得样板内部更为密实,为硅酸 钙板初期强度发育奠定良好基础. (2)火山灰效应. 在电石渣提供的碱性环境下, OH - 随水相均匀地分布在每个颗粒表面,具有良好 水硬活性的硅钙渣受激发后使其富钙相玻璃体表层 的 Ca 2 + 不断被 OH - 等离子置换而出,导致硅氧网络 层中的鄄Si鄄O鄄和鄄Al鄄O鄄链发生断裂致使玻璃体解聚, 而低钙粉煤灰玻璃相的化学组成和聚合度与矿渣玻 璃相却不同[14鄄鄄16] ,其玻璃相更稳定,因此低钙粉煤 灰基本不具备水硬活性而只有火山灰效应. 该胶凝 体系中的 Ca 2 + 和硅钙渣玻璃体解聚产生的 Ca 2 + 吸 附于粉煤灰玻璃相表面,Ca 2 + 不断侵蚀玻璃相网络 层并导致其水解,从而发生火山灰效应,粉煤灰玻璃 体中的活性硅铝氧化物及硅灰玻璃相中的非晶态活 性硅在碱性环境中会发生二次水化反应. 多种水化 凝胶产物沿样板孔隙方向延伸,最终堵塞在板内的 各个毛细孔,使得硅酸钙板更为密实,具有更高的力 学强度. 图 4 不同 NaOH 质量分数下板坯的扫描电镜图. (a) 2% ;(b) 4% ;(c) 6% Fig. 4 SEM images of basilar plate with different content levels of NaOH: (a) 2% ; (b) 4% ; (c) 6% 因此,将粉煤灰与硅灰以 1颐 1的比例混合在该 胶凝体系中,蒸压养护加速了粉煤灰、硅灰的火山灰 反应及二次水化反应进程,生成大量水化胶凝体并 使其良性晶化,最终大大提高了硅酸钙板的综合力 学性能. 2郾 2 硅酸钙板板料坯微观形貌对样板力学性能的 影响 为了进一步的探究硅酸钙板经预养养护后料坯 的微观结构与板材经蒸养养护后所呈现的力学性能 的关系,本试验通过扫描电镜对不同 NaOH 添量下 的硅酸钙板料坯的微观形貌进行观察和分析,并分 别检测 NaOH 添加质量分数分别为 1% 、2% 、4% 和 6% 时硅酸钙板的抗折强度来得出结论. 图 4 为不同 NaOH 质量分数下板坯的扫描电 镜图,图 4( a) 是 NaOH 质量分数为 2% 时的样板 板坯的扫描电镜图,由于 NaOH 质量分数为 1% 和 2% 时 板 坯 的 扫 描 电 镜 图 差 别 不 大, 因 此 采 用 NaOH 质量分数为 2% 时样板板坯的扫描电镜图来 对比分析,图中有团、块状胶凝体产生,球形骨料 颗粒清晰可见,但表面被包裹着一层很薄的凝胶 层,骨料颗粒之间存在大量的间隙,板坯不够密 实,整体强度较差,可知在此低碱环境中主要是由 高活性的硅灰发生水化反应生成少量的水化凝胶 体,而硅钙渣、粉煤灰的潜在水硬活性未被激发, 此时硬化体结构松散,强度较差;当 NaOH 质量分 数为 4% 时,图 4( b)中未见到骨料颗粒的轮廓,此 时硅、钙原料的水化反应较充分. 胶凝体呈团状且 互相紧密填充胶结,凝胶产物互相搭建成网状结 构,这时硬化体结构最为密实,具有很高的初期强 度;在 NaOH 质量分数为 6% 的高碱添量时,样板 经预养后板坯强度较高但其表面泛了一层“ 薄 霜冶 ,观察扫描电镜图 4( c) 可发现,骨料颗粒水化 反应充分,水化胶体呈大片层状胶结,但是整体布 ·56·
魏丁一等：电石渣-煤基固废混合胶凝体系制硅酸钙板的试验 .57· 满细微裂缝. 将上述三种硅酸钙板经蒸压养护后烘干切割成 条，使用三点弯曲法测其抗折强度，测试结果如图5 所示.由图可知未添加NaOH时样板强度为8.72 MPa,Na0H在质量分数为1%时样板强度为9.33 MPa,NaOH质量分数为2%时样板强度由9.33MPa 变为9.94MPa,变化范围和变化幅度均不太明显， Na0H质量分数为4%时样板强度变为11.89MPa, 其初期硬度和最终强度均达到最大值，且硅酸钙板 图6参6%Na0H的硅酸钙板样品 板面平滑，Na0H质量分数为6%板强度降为8.96 Fig.6 Sample of calcium silicate board with 6%NaOH MPa,如图6所示，板坯经蒸养养护后板材发生弯曲 3 且有明显裂纹存在，使得应力分布较为集中并最终 硅酸钙板的热重-差示扫描量热法(TG- 导致其力学强度大幅下降.造成样板力学性能下降 DSC)和X射线衍射分析 的原因可能有两点：(1)在预养期间由于硅钙渣等 选择NaOH添量为4%时的硅酸钙板作为检测 高活性原料在高碱环境中受到激发，水化反应迅速 对象.如图7所示，对硅酸钙板进行热分析，由室温 产生大片胶凝体而包裹在粉煤灰等颗粒表面，胶体 到1000℃整个过程热重(TG)曲线的变化大致呈阶 彼此呈片状分层胶结但存有大量裂隙，一直到水化 梯状，其中第一阶段质量损失率高达8.10%，主要 反应后期胶体品化而被其包裹的颗粒都未能够参与 表现为板内游离水和含水矿物脱水所致：第二个阶 反应，造成硬化体存在较多空隙从而为板材强度下 段，Ca(OH)2、托贝莫来石、碳酸钙等晶相分解是热 降埋下隐患：(2)铝酸三钙与硫酸钙在高温高压的 重曲线质量下降的主要原因：最后一阶段质量下降 环境中水热合成钙矾石晶体，大量钙矾石的体积膨 可能是由C2A,以及耐高温的固相晶体分解造 胀使得板内产生裂隙)，从而造成样板的力学缺 成的 陷.因此硅酸钙板的抗折强度随着NaOH添量的增 100 0.20 加呈现先增后降的趋势，NaOH质量分数为4%时硅 酸钙板板面平滑，强度均达到最大值11.8MPa,该 95 0.15 添量为NaOH的最佳添量， 90 质量分数 0.10 12.0 915.9℃ 640.6℃ 0.05 115 232.6℃ 热流量 69.7℃ 11.0 324.4℃ 744. 105 10.0 75 200 400 600 800 95 温度℃ 9.0 图7掺4%NaOH的硅酸钙板热重-差示扫描量热法 Fig.7 TG-DSC curves of calcium silicate board 2 3 4 6 NaOH质量分数/% 扫描量热(DSC)曲线上在77.9℃处存在一个 明显的吸热峰，这是由于硅酸钙板在形成时内部存 图5NaOH穆量对硅酸钙板抗折强度的彩响 Fig.5 Effect of different content levels of NaOH on the bending 在一些非品态亚稳定结构向稳定晶态转变而发生的 strength of calcium silicate board 放热反应.图中在236.7℃处存在一个微弱的吸热 峰，这是由于在100℃至300℃时板内的游离水、C- 由此可见，硅酸钙板料坯的初期微观结构对其 S-H凝胶、钙矾石等水化产物脱水所致，对应的热重 最终力学性能有着至关重要的影响，但并不起决定 曲线有明显的质量损失.329.8℃处的微弱吸热峰 性作用.从微观角度来讲，硅酸钙板最终强度是由 可能是水化铝酸钙(C3AH。)分解造成的，在270~ 板坯内产生水化胶凝体的数量和其形态以及彼此的 330℃的温度范围内C3AH。脱水分解为C2A,H和 搭建方式所决定的. Ca(0H)2晶相，而脱水相Ca(0H)2在500℃左右发
魏丁一等: 电石渣鄄鄄煤基固废混合胶凝体系制硅酸钙板的试验 满细微裂缝. 将上述三种硅酸钙板经蒸压养护后烘干切割成 条,使用三点弯曲法测其抗折强度,测试结果如图 5 所示. 由图可知未添加 NaOH 时样板强度为 8郾 72 MPa,NaOH 在质量分数为 1% 时样板强度为 9郾 33 MPa,NaOH 质量分数为 2% 时样板强度由 9郾 33 MPa 变为 9郾 94 MPa,变化范围和变化幅度均不太明显, NaOH 质量分数为 4% 时样板强度变为 11郾 89 MPa, 其初期硬度和最终强度均达到最大值,且硅酸钙板 板面平滑,NaOH 质量分数为 6% 板强度降为 8郾 96 MPa,如图 6 所示,板坯经蒸养养护后板材发生弯曲 且有明显裂纹存在,使得应力分布较为集中并最终 导致其力学强度大幅下降. 造成样板力学性能下降 的原因可能有两点:(1)在预养期间由于硅钙渣等 高活性原料在高碱环境中受到激发,水化反应迅速 产生大片胶凝体而包裹在粉煤灰等颗粒表面,胶体 彼此呈片状分层胶结但存有大量裂隙,一直到水化 反应后期胶体晶化而被其包裹的颗粒都未能够参与 反应,造成硬化体存在较多空隙从而为板材强度下 降埋下隐患;(2)铝酸三钙与硫酸钙在高温高压的 环境中水热合成钙矾石晶体,大量钙矾石的体积膨 胀使得板内产生裂隙[17] ,从而造成样板的力学缺 陷. 因此硅酸钙板的抗折强度随着 NaOH 添量的增 加呈现先增后降的趋势,NaOH 质量分数为 4% 时硅 酸钙板板面平滑,强度均达到最大值 11郾 8 MPa,该 添量为 NaOH 的最佳添量. 图 5 NaOH 掺量对硅酸钙板抗折强度的影响 Fig. 5 Effect of different content levels of NaOH on the bending strength of calcium silicate board 由此可见,硅酸钙板料坯的初期微观结构对其 最终力学性能有着至关重要的影响,但并不起决定 性作用. 从微观角度来讲,硅酸钙板最终强度是由 板坯内产生水化胶凝体的数量和其形态以及彼此的 搭建方式所决定的. 图 6 掺 6% NaOH 的硅酸钙板样品 Fig. 6 Sample of calcium silicate board with 6% NaOH 3 硅酸钙板的热重鄄鄄差示扫描量热法(TG鄄鄄 DSC)和 X 射线衍射分析 选择 NaOH 添量为 4% 时的硅酸钙板作为检测 对象. 如图 7 所示,对硅酸钙板进行热分析,由室温 到 1000 益整个过程热重(TG)曲线的变化大致呈阶 梯状,其中第一阶段质量损失率高达 8郾 10% ,主要 表现为板内游离水和含水矿物脱水所致;第二个阶 段,Ca(OH)2 、托贝莫来石、碳酸钙等晶相分解是热 重曲线质量下降的主要原因;最后一阶段质量下降 可能是由 C12 A7 以及耐高温的固相晶体分解造 成的. 图 7 掺 4% NaOH 的硅酸钙板热重鄄鄄差示扫描量热法 Fig. 7 TG鄄鄄DSC curves of calcium silicate board 扫描量热(DSC)曲线上在 77郾 9 益 处存在一个 明显的吸热峰,这是由于硅酸钙板在形成时内部存 在一些非晶态亚稳定结构向稳定晶态转变而发生的 放热反应. 图中在 236郾 7 益 处存在一个微弱的吸热 峰,这是由于在 100 益至 300 益 时板内的游离水、C鄄 S鄄H 凝胶、钙矾石等水化产物脱水所致,对应的热重 曲线有明显的质量损失. 329郾 8 益 处的微弱吸热峰 可能是水化铝酸钙(C3AH6 ) 分解造成的,在 270 ~ 330 益的温度范围内 C3AH6 脱水分解为 C12 A7 H 和 Ca(OH)2 晶相,而脱水相 Ca(OH)2 在500 益左右发 ·57·
·58· 工程科学学报，第41卷，第1期 生分解，与曲线在474.9℃处相对应，C2A,H在900 (2)硅酸钙板料坯的微观结构对其最终力学性 ℃时脱去羟基.发生在300~700℃之间的质量损 能有至关重要的影响，其中决定硅酸钙板最终强度 失高达8.89%，这可能是由大量的Ca(0H)2、托贝 的因素是样板内水化胶凝体的数量、形态及其相互 莫来石、碳酸钙等晶体热分解引起，因为硅酸钙板在 间的联结方式. 蒸养全过程与空气中的C02接触，导致部分中间水 (3)在水灰比为0.3的情况下，Na0H添加量为 化产物碳化形成碳酸钙，而此时的碳酸钙结晶度较 4%时对该胶凝体系水化反应起到最佳激发作用，且 差，分解温度在600~800℃之间18]，而托贝莫来石 制备的硅酸钙板具有最优力学性能.通过对硅酸钙 的分解温度在650℃附近，因此650℃附近出现的 板成品进行热重曲线分析和差示扫描量热法曲线分 较强吸热峰是由托贝莫来石和碳酸钙受热分解导致 析得到硅酸钙板具有最优力学性能的变化机理. 的，这与图8的X射线衍射图谱中尖锐的托贝莫来 (4)对硅酸钙板成品进行X射线衍射分析发现 石和碳酸钙晶相对应.746.1℃处的微弱吸热峰对 此混合凝胶体系制备的硅酸钙板属于托贝莫来石 应在热重曲线上没有明显的质量变化，这是因为此 型，板内晶体与水化胶凝体相互咬合，最终使得硅酸 温度下板内物质发生了固相反应.在915.9℃处存 钙板力学性能有很大的提升. 在一个明显的吸热峰，在热重曲线对应处质量迅速 下降，这是因为C2A,H和固相品体再次分解所致. 参考文献 [1]Hamilton A,Hall C.Physicochemical characterization of a hydrat- A一托贝莫来石 ed calcium silicate board material.Build Phys,2005,29(1):9 B一碳酸钙 C一钙矾石 [2]Lin S H,Pan C L,Hsu W T.Monotonic and cyclic loading tests D一水化铝酸钙 for cold-formed steel wall frames sheathed with calcium silicate board.Thin-Walled Struct,2014,74:49 [3] Nithyadharan M,Kalyanaraman V.Experimental study of screw connections in CFS-calcium silicate board wall panels.Thin- RcBd Walled Struct,2011,49(6):724 4] Liu X T,Wang B D.Xiao Y F.et al.Study of preparation process optimization of calcium silicate board by using JMP.New Build Mater,2015,42(1):83 10 30 40 50 60 (刘晓婷，王宝冬，肖永丰，等.粉煤灰提铝残渣制备硅酸钙 20) 板的工艺优化研究.新型建筑材料，2015,42(1)：83) 图8NaOH质量分数为4%时硅酸钙板的X射线衍射图谱 [5]Liang X R,Zhang Y Y,Xiang X,et al.Preparation of calcium Fig.8 XRD patterns of calcium silicate board containing 4%NaOH silicate board by using diatomite.China Nonmetallic Min Ind, 2014(5):15 图8为Na0H质量分数为4%时硅酸钙板的X (梁兴荣，张英英，向兴，等.硅藻土制备硅酸钙板的研究 射线衍射图谱，图中矿物成分较为复杂但特征峰尖 中国非金属矿工业导刊，2014(5)：15) 锐明显，说明样板内多种成分共存且结晶度良好，其 [6]Liang X R,Xue J,Cao H.Study of calcium silicate board pre- 中主要的几种晶相为托贝莫来石、碳酸钙以及少量 pared by phosphorus slag-phosphorus tailings.China Concr Cem 钙矾石，还存在着部分水化铝酸钙凝胶体.说明通 Prod,2016(3):87 (梁兴荣，薛俊，曹宏.磷渣-磷尾矿制备硅酸钙板的研究。混 过该胶凝体系制得的板材属托贝莫来石型硅酸钙 凝土与水泥制品，2016(3)：87) 板，板内品体与水化凝胶体互相咬合，使得板材性能 [7]Wang Y P,Tong GQ,Feng Q M.Study on calcium silicate board 得到大幅度提升.值得注意的是碳酸钙特征峰较为 reinforced with fiber brucite.New Build Mater,2003(6):8 突出，这可能是由于在水化反应进程中中间产物碳 (王玉平，章光庆，冯启明.纤维水镁石增强硅酸钙板的研 化产生，也可能是由原料带入的无效成分 究.新型建筑材料，2003(6)：8) [8]Ouyang D,Yi C.Experimental study on the preparation of fiber 4结论 calcium silicate board from kaolin seraps.Bull Chin Ceram Soci, 2013.32(10):1945 (1)在电石渣-煤基固废混合胶凝体系中将具 (欧阳东，易超.利用高岭土下脚料制备纤维硅酸钙板的实验 有火山灰活性的粉煤灰和硅灰各10%按1：1的质量 研究.硅酸盐通报，2013,32(10)：1945) [9] 比混合加入，制得了高强轻质的纯固废硅酸钙板，大 Ouyang D,Yi C.Experimental study on the preparation of fiber reinforced calcium silicate board with ceramic polished slag.Bull 大降低了硅酸钙板的生产制备成本，丰富了电石渣、 Chin Ceram Soc,2014,33(2):415 硅钙渣、硅灰等固废资源的综合利用途径 (欧阳东，易超.利用陶瓷抛光渣制备纤维增强硅酸钙板的试
工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 生分解,与曲线在 474郾 9 益处相对应,C12A7H 在 900 益时脱去羟基. 发生在 300 ~ 700 益 之间的质量损 失高达 8郾 89% ,这可能是由大量的 Ca(OH)2 、托贝 莫来石、碳酸钙等晶体热分解引起,因为硅酸钙板在 蒸养全过程与空气中的 CO2 接触,导致部分中间水 化产物碳化形成碳酸钙,而此时的碳酸钙结晶度较 差,分解温度在 600 ~ 800 益 之间[18] ,而托贝莫来石 的分解温度在 650 益 附近,因此 650 益 附近出现的 较强吸热峰是由托贝莫来石和碳酸钙受热分解导致 的,这与图 8 的 X 射线衍射图谱中尖锐的托贝莫来 石和碳酸钙晶相对应. 746郾 1 益 处的微弱吸热峰对 应在热重曲线上没有明显的质量变化,这是因为此 温度下板内物质发生了固相反应. 在 915郾 9 益 处存 在一个明显的吸热峰,在热重曲线对应处质量迅速 下降,这是因为 C12A7H 和固相晶体再次分解所致. 图 8 NaOH 质量分数为 4% 时硅酸钙板的 X 射线衍射图谱 Fig. 8 XRD patterns of calcium silicate board containing 4% NaOH 图 8 为 NaOH 质量分数为 4% 时硅酸钙板的 X 射线衍射图谱,图中矿物成分较为复杂但特征峰尖 锐明显,说明样板内多种成分共存且结晶度良好,其 中主要的几种晶相为托贝莫来石、碳酸钙以及少量 钙矾石,还存在着部分水化铝酸钙凝胶体. 说明通 过该胶凝体系制得的板材属托贝莫来石型硅酸钙 板,板内晶体与水化凝胶体互相咬合,使得板材性能 得到大幅度提升. 值得注意的是碳酸钙特征峰较为 突出,这可能是由于在水化反应进程中中间产物碳 化产生,也可能是由原料带入的无效成分. 4 结论 (1)在电石渣鄄鄄煤基固废混合胶凝体系中将具 有火山灰活性的粉煤灰和硅灰各 10% 按 1颐 1的质量 比混合加入,制得了高强轻质的纯固废硅酸钙板,大 大降低了硅酸钙板的生产制备成本,丰富了电石渣、 硅钙渣、硅灰等固废资源的综合利用途径. (2)硅酸钙板料坯的微观结构对其最终力学性 能有至关重要的影响,其中决定硅酸钙板最终强度 的因素是样板内水化胶凝体的数量、形态及其相互 间的联结方式. (3)在水灰比为 0郾 3 的情况下,NaOH 添加量为 4% 时对该胶凝体系水化反应起到最佳激发作用,且 制备的硅酸钙板具有最优力学性能. 通过对硅酸钙 板成品进行热重曲线分析和差示扫描量热法曲线分 析得到硅酸钙板具有最优力学性能的变化机理. (4)对硅酸钙板成品进行 X 射线衍射分析发现 此混合凝胶体系制备的硅酸钙板属于托贝莫来石 型,板内晶体与水化胶凝体相互咬合,最终使得硅酸 钙板力学性能有很大的提升. 参 考 文 献 [1] Hamilton A, Hall C. Physicochemical characterization of a hydrat鄄 ed calcium silicate board material. J Build Phys, 2005, 29(1): 9 [2] Lin S H, Pan C L, Hsu W T. Monotonic and cyclic loading tests for cold鄄formed steel wall frames sheathed with calcium silicate board. Thin鄄Walled Struct, 2014, 74: 49 [3] Nithyadharan M, Kalyanaraman V. Experimental study of screw connections in CFS鄄calcium silicate board wall panels. Thin鄄 Walled Struct, 2011, 49(6): 724 [4] Liu X T,Wang B D, Xiao Y F, et al. Study of preparation process optimization of calcium silicate board by using JMP. New Build Mater, 2015, 42(1): 83 (刘晓婷, 王宝冬, 肖永丰, 等. 粉煤灰提铝残渣制备硅酸钙 板的工艺优化研究. 新型建筑材料, 2015, 42(1): 83) [5] Liang X R, Zhang Y Y, Xiang X, et al. Preparation of calcium silicate board by using diatomite. China Nonmetallic Min Ind, 2014(5): 15 (梁兴荣, 张英英, 向兴, 等. 硅藻土制备硅酸钙板的研究. 中国非金属矿工业导刊, 2014(5): 15) [6] Liang X R, Xue J, Cao H. Study of calcium silicate board pre鄄 pared by phosphorus slag鄄phosphorus tailings. China Concr Cem Prod, 2016(3): 87 (梁兴荣, 薛俊, 曹宏. 磷渣鄄磷尾矿制备硅酸钙板的研究. 混 凝土与水泥制品, 2016(3): 87) [7] Wang Y P, Tong G Q, Feng Q M. Study on calcium silicate board reinforced with fiber brucite. New Build Mater, 2003(6): 8 (王玉平, 童光庆, 冯启明. 纤维水镁石增强硅酸钙板的研 究. 新型建筑材料, 2003(6): 8) [8] Ouyang D, Yi C. Experimental study on the preparation of fiber calcium silicate board from kaolin scraps. Bull Chin Ceram Soci, 2013, 32(10): 1945 (欧阳东, 易超. 利用高岭土下脚料制备纤维硅酸钙板的实验 研究. 硅酸盐通报, 2013, 32(10): 1945) [9] Ouyang D, Yi C. Experimental study on the preparation of fiber reinforced calcium silicate board with ceramic polished slag. Bull Chin Ceram Soc, 2014, 33(2): 415 (欧阳东, 易超. 利用陶瓷抛光渣制备纤维增强硅酸钙板的试 ·58·
魏丁一等：电石渣-煤基固废混合胶凝体系制硅酸钙板的试验 .59· 验研究.硅酸盐通报，2014,33(2)：415) Mater Compos Sin,2013.30(5):113 [10]Zhan J Y,Yang F H,Geng C L,et al.Mechanical activation (徐子芳，杨政，张娟，等。污泥高钙煤系废物制备地聚合 treatment of molybdenum tailings and influence of molybdenum 物的技术与性能.复合材料学报.2013,30(5)：113) tailings on performance of calcium silicate boards.China Concr [15]Hou Y F,Wang D M,Li Q,et al.Effect of water glass perform- Cem Prod,2017(6):56 ance on fly ash-based geopolymers./Chin Ceram Soc,2008,36 (战佳宇，杨飞华，歌春雷，等.钼尾矿机械活化处理及对硅 (1):61 酸钙板性能的影响.混凝土与水泥制品，2017(6)：56) (侯云芬，王栋民，李俏，等.水玻璃性能对粉煤灰基矿物聚 [11]Dai M,Wang Y,Wei Z,et al.Preparation and properties of hu- 合物的影响.硅酸盐学报，2008,36(1)：61) midity controlling board based on diatomaceous earth.Bull Chin [16]Chen YX,Wu F,Hu Y R.Theoretical and experimental analy- Ceram Soc,2016,35(1):231 sis of improving the packing density of powder.Coal Conrers, (戴民，王羽，魏征，等.硅藻土基调湿板材的水热合成试验 2012,35(1):37 研究.硅酸盐通报，2016,35(1)：231) (陈延信，吴峰，胡亚茹.提高粉体堆积密度的理论与实验 [12]Li YX,Cao Y D.Zhang JS,et al.Current situation of compre- 研究.煤炭转化，2012,35(1)：37) hensive utilization of silica fume in China and analysis of existing [17]Nie Y M.Liu S X,Zhang J X,et al.The research progress and problems.Appl Chem Ind,2017,46(10):2031 developing prospect of fly ash activity.Fly Ash Comprehens Uti- (李彦鑫，曹永丹，张金山，等.我国硅灰的综合利用现状及 l,2013(3):52 存在问题浅析.应用化工，2017,46(10)：2031) (聂轶苗，刘淑贤，张晋霞，等.粉煤灰的活性研究及进展 [13]Li Y.Mechanism and test of mineral admixture filling in cement 粉煤灰综合利用，2013(3)：52) mortar.Henan Sci,2013,31(1):91 [18]Qiao C Y,Ni W,Wang C L.Autoclaving reaction activity of four (李滢.矿物摻合料在水泥砂浆中的填充机理及试验研究. kinds of silicate minerals.J Unie Sci Technol Beijing,2014,36 河南科学，2013,31(1)：91) (6):736 [14]Xu Z F,Yang Z.Zhang J,et al.Preparation technology and (乔春雨，倪文，王长龙.四种硅酸盐矿物的蒸压反应活性 properties of sludge-high calcium coal waste geopolymer.Acta 北京科技大学学报，2014,36(6)：736)
魏丁一等: 电石渣鄄鄄煤基固废混合胶凝体系制硅酸钙板的试验 验研究. 硅酸盐通报, 2014, 33(2): 415) [10] Zhan J Y, Yang F H, Geng C L, et al. Mechanical activation treatment of molybdenum tailings and influence of molybdenum tailings on performance of calcium silicate boards. China Concr Cem Prod, 2017(6): 56 (战佳宇, 杨飞华, 耿春雷, 等. 钼尾矿机械活化处理及对硅 酸钙板性能的影响. 混凝土与水泥制品, 2017(6): 56) [11] Dai M, Wang Y, Wei Z, et al. Preparation and properties of hu鄄 midity controlling board based on diatomaceous earth. Bull Chin Ceram Soc, 2016, 35(1): 231 (戴民, 王羽, 魏征, 等. 硅藻土基调湿板材的水热合成试验 研究. 硅酸盐通报, 2016, 35(1): 231) [12] Li Y X, Cao Y D, Zhang J S, et al. Current situation of compre鄄 hensive utilization of silica fume in China and analysis of existing problems. Appl Chem Ind, 2017, 46(10): 2031 (李彦鑫, 曹永丹, 张金山, 等. 我国硅灰的综合利用现状及 存在问题浅析. 应用化工, 2017, 46(10): 2031) [13] Li Y. Mechanism and test of mineral admixture filling in cement mortar. Henan Sci, 2013, 31(1): 91 (李滢. 矿物掺合料在水泥砂浆中的填充机理及试验研究. 河南科学, 2013, 31(1): 91) [14] Xu Z F, Yang Z, Zhang J, et al. Preparation technology and properties of sludge鄄high calcium coal waste geopolymer. Acta Mater Compos Sin, 2013, 30(5): 113 (徐子芳, 杨政, 张娟, 等. 污泥鄄高钙煤系废物制备地聚合 物的技术与性能. 复合材料学报, 2013, 30(5): 113) [15] Hou Y F, Wang D M, Li Q, et al. Effect of water glass perform鄄 ance on fly ash鄄based geopolymers. J Chin Ceram Soc, 2008, 36 (1): 61 (侯云芬, 王栋民, 李俏, 等. 水玻璃性能对粉煤灰基矿物聚 合物的影响. 硅酸盐学报, 2008, 36(1): 61) [16] Chen Y X, Wu F, Hu Y R. Theoretical and experimental analy鄄 sis of improving the packing density of powder. Coal Convers, 2012, 35(1): 37 (陈延信, 吴峰, 胡亚茹. 提高粉体堆积密度的理论与实验 研究. 煤炭转化, 2012, 35(1): 37) [17] Nie Y M, Liu S X, Zhang J X, et al. The research progress and developing prospect of fly ash activity. Fly Ash Comprehens Uti鄄 liz, 2013(3): 52 (聂轶苗, 刘淑贤, 张晋霞, 等. 粉煤灰的活性研究及进展. 粉煤灰综合利用, 2013(3): 52) [18] Qiao C Y, Ni W, Wang C L. Autoclaving reaction activity of four kinds of silicate minerals. J Univ Sci Technol Beijing, 2014, 36 (6): 736 (乔春雨, 倪文, 王长龙. 四种硅酸盐矿物的蒸压反应活性. 北京科技大学学报, 2014, 36(6): 736) ·59·