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谈废弃硅藻土钢渣制备硅藻泥建筑涂料

来源:未知
 

 

摘要:固体废弃物再利用不仅可以提高资源的利用率,还可以降低生产总成本。以废弃低品味硅藻土和钢渣为主要原料,制备室内装修涂料普通硅藻土,并测试多项指标。结果表明:硅藻土和钢渣随着粉磨时间的延长,比表面积随之增大,活性指数随之升高,而粉磨效率随之降低;依据活性指数优选硅藻土粉磨20min,钢渣粉磨120min;以硅藻土、钢渣、石英砂、脱硫石膏为原料,当水料比约为1∶1时,配置的硅藻泥状态最优,当水料比高于1∶1时,会降低施工性、强度和耐久性。
 
关键词:硅藻土;钢渣;硅藻泥;建筑涂料
 
1概述
 
硅藻土属于非金属矿产,是我国重要的应用资源,国内已探明储量4亿多吨,远景储量高达20亿多吨,具有广泛的利用途径[1-3]。主要应用于:食品过滤(包含:水处理)、建材、农业及化工(包含:环保方面)等方向。因硅藻土是由白垩纪后期时期的单细胞硅藻遗骸形成的多孔硅质沉积岩,且在形成过程中与火山喷发和活动有密切关系,所以其矿物成分主要为矿物蛋白石及其他杂质,主要成分为非晶二氧化硅。目前我国仅对优质一级硅藻土加工再利用,而二级、三级或中、低品味的资源,因含有大量黏土、砂质等杂质,不能直接用来生产高性能高附加值产品,仍处于闲置废弃状态。因硅藻土具有微火山活性[4],所以应激活其活性后,使反应提高能后,再加以利用,本文采用机械粉磨方式激活。随着居家装饰及胶粘剂的大量使用,室内空气的有害污染已严重超标,净化功能的内墙涂料也呈现多样化,可分为:光催化降解型、物理吸附型、吸附催化复合型。硅藻土的多孔性,孔隙率达80%~90%,是活性炭的5×103倍以上[5],适合作为吸附材料应用于涂料中。结合内墙装饰设计对视觉、触觉、嗅觉的要求,硅藻土产品在艺术表现力上和后期保养等方面优于传统装饰材料。以硅藻土为主要原料,并掺有胶结材料以及其他辅助功能材料制备而成的水性涂料,称为硅藻泥,一般是以干粉态储存。以提高资源利用率、降低能源的消耗为原则,本文欲利用废弃硅藻土及钢渣为主要原料制备普通硅藻泥,测试各个技术指标,并分析指标性能。
 
2实验及方法
 
2.1实验原料
 
废弃硅藻土取自吉林长白矿区,主要化学成分见表1。如图1所示为硅藻土的XRD分析,主要矿物组成为石英、蛋白石。硅藻土SEM图中存在有多种形状,包括:圆盘形、椭圆形、圆柱形等,具有特殊的多级孔道结构[6,7]。钢渣取自天津某钢铁厂,为空气中自然冷却的转炉钢渣,主要化学成分见表1。根据冶金行业标准YB/T140—2009钢渣化学分析方法,参照MasonB[8]的反应活性计算碱度值的方法,试验选用钢渣碱度为3.34>1.8,具有潜在活性,属于高碱度钢渣。钢渣主要矿物相为硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)和RO相。脱硫石膏化学成分见表1。由表1可知脱硫石膏的主要化学成分为CaO和SO3。
 
2.2实验方法
 
2.2.1机械活化将5kg硅藻土加入实验室用SMΦ500mm×500mm小型球磨机,分别粉磨10min,15min,20min,并测试比表面积。用颚式破碎机将钢渣破碎至1mm~2mm后,将5kg硅藻土加入实验室用SMΦ500mm×500mm小型球磨机,分别粉磨100min,110min,120min,并测试比表面积。
 
2.2.2胶砂制备将硅藻土、钢渣粉磨不同时间的物料,按表2,表3制备胶砂试块,在不低于95%的相对湿度、(20±1)℃的标养室内养护24h后脱模,将试样放入(20±1)℃水中养护至28d,测定试样的抗压强度及活性。
 
2.2.3硅藻泥制备取一定量的激活硅藻土、激活钢渣粉、石英砂、脱硫石膏等原料,配合比如表4所示,用搅拌机搅拌至各原料混合均匀,制得硅藻泥干粉;再加入干料质量3‰的三聚磷酸钠、乙二醇和适量水,最后用搅拌机拌和均匀,无结块,即制得普通硅藻泥。
 
2.2.4样品测试采用GB/T8074—2008水泥比表面积测定方法(勃氏法)测定各物料的比表面积;采用X’PertPowder型X射线衍射仪进行原料XRD分析,Cu靶扫描,速度5°/min,扫描范围10°~80°,步长0.02°。胶砂试样的抗压强度测试参照GB/T17671—1999水泥胶砂强度检验方法(ISO)法;试样的力学性能测试压力机的加荷速率为(2.5±0.5)kN/s。硅藻泥施工性:将硅藻泥涂抹在430mm×150mm的无石棉纤维水泥板上,厚度为(2±0.5)mm,观察表面是否能均匀、有无结块。干燥抗裂性:按照国标GB/T9779—2015复层建筑涂料中6.10规定的测试方法进行实验,将硅藻泥涂抹在规格为200mm×150mm的无石棉纤维水泥板上,将硅藻泥置于吹风机下,恒定风速吹3h,结束后,在板子正上方50cm处,观察硅藻泥表面有无裂纹出现,没有或者裂纹较少即为合格。表干时间:按照国标GB/T1728—1979漆膜,腻子膜干燥时间的乙法测定硅藻泥的表干时间,将硅藻泥涂抹在规格为150mm×70mm的无石棉纤维水泥板上,用秒表测定硅藻泥表面干燥的时间,即用手指触摸,表面不出现裂痕。粘结强度:按照GB/T9779—2015复层建筑涂料中6.18规定的Ⅲ型复层建筑涂料的测试方法进行实验。
 
3结果与讨论
 
3.1废弃硅藻土的机械力活化
 
硅藻土、钢渣粉磨后比表面积见表5,表6,活性指数见表7。通过对硅藻土和钢渣比表面积的测定发现,在机械力作用下,随粉磨时间增长,比表面积越来越大。而随着粉磨时间的延长粉磨效率反而降低,说明物料在粉磨过程中开始或已经存在团聚现象,其中粉体间的范德华力和静电作用是主要推手,粉体粒径的减小和比较面积的增大是凸显范德华力的主要原因,粉磨介质对粉体的做功及粉体分子间弱能键断裂是产生静电作用的主要原因。而团聚的出现表明物料接近粉磨的极限值,如果继续延长粉磨时长,会造成能源的过耗。因此各物料不再依靠延长粉磨时间提升活性。通过对硅藻土和钢渣活性指数的计算发现,各个粉磨活性均已达到GB/T12957—2005用作水泥混合材料的工业废渣活性试验方法标准要求。硅藻土粉磨后,原硅氧四面体的共价键的网络结构被破坏,产生了大量断裂的化学键,破坏了原稳定结构,从而产生火山活性,并与Ca(OH)2反应形成硅氧四面体三元链及钙氧八面体形成的单链重复排列C-S-H。C-S-H因其孔隙率高,热稳定性好,可作为保温材料应用于建筑领域[9]。钢渣质地坚硬,耐磨指数为0.7,因此需要长时间的粉磨。由钢渣的化学组成和XRD矿物分析可以看出,其与水泥成分相似,有“过烧型水泥熟料”之称,因具有潜在活性,也可以做矿物掺合料[10-12]。钢渣在磨细后,其矿物组成和化学成分基本不会发生变化。但粉磨细度会影响其活性,主要是大颗粒的C3S和C2S比表面积增大导致的[13]。因此采用活性指数最高的粉磨时长为最佳配料。
 
3.2硅藻泥相关性能
 
施工性:观察无石棉纤维水泥板,发现C1,C2表面较为平整,稍有颗粒感,保水性较为合适;而C3,C4表面略有饱和,在搅拌锅内也可看到浆料表面有水层,水泥板背面也有部分水渍。表明用水量为310g时,浆体可塑性较好,便于施工;当增大用水量,浆体粘稠度降低,且保水性差,增大施工成本。表干时间如表8所示。当用水量大时,表干时间会延长;当同样用水量时,硅藻土含量高的,表干时间长。胶体表干的过程,主要依靠水分的蒸发。而硅藻土含量高时,表干时间较长是因为硅藻土的多孔性及高比表面积,所带来的储水功能:孔隙内的表面羟基与水接触时发生羟基反应,产生化学吸附及物理吸附,锁定水分,产生保湿性,而水化的C-S-H虽是高孔隙率,但固水能力在此可以忽略[14-16]。干燥抗裂性:观察发现C1,C2的平整度较为均匀,肉眼可见少量短细裂纹;C3,C4平整度较差,有少量波浪状态,边缘有起褶和少量脱落。产生裂缝和褶皱可能是由于硅藻土含量不同,保湿效果存在差异,使得抵抗水分快速蒸发能力的异样;产生波浪状可能是因为低含量硅藻土试样粘稠度大,在水分快速蒸发时产生的局部的不均匀。粘结强度如表9所示。低水料比强度自然高于高水料比。钢渣的水化速率要慢,水化生成C-S-H的量较少,造成早期强度较低[13]。
 
4结语
 
1)硅藻土和钢渣随着粉磨时间的延长,比表面积随之增大,而粉磨效率随之降低;2)硅藻土和钢渣随着粉磨时间的延长,活性指数随之升高,而粉磨效率随之降低,物料优选硅藻土粉磨20min钢渣粉磨120min;3)硅藻土、钢渣、石英砂、脱硫石膏为原料,以水料比约为1∶1时,配置的硅藻泥状态最优,当水料比高于1∶1时会降低施工性、耐碱性和粘结强度。
 

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