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看点 | “双碳”背景下,再生砂粉在碱激发胶凝材料替代水泥中的作用

作者:龙润建材发布时间:2022/6/26 8:17:48

  

消纳固废,碱激发胶凝材料需关注稳定性

——访中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院教授刘泽

“相比普通硅酸盐水泥,碱激发胶凝材料因原材料是固废,因此制备得到的胶凝材料成本更低,且不用高温煅烧,减少了CO₂排放和能源消耗,再加上这种材料耐腐蚀、耐高温等优点,未来发展前景广阔。”近日,中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院教授刘泽在接受本报记者采访时表示,在消纳固废的过程中,不同工业固废的成分差别对碱激发胶凝材料的性能波动影响很大。因此,如何提高碱激发工业固废胶凝材料的稳定性是实现该工程实际应用中需要解决的关键问题。

刘泽指出,碱激发胶凝材料是一种以硅铝质废弃物为原料的低碳胶凝材料,因其优良的性能,近年来越来越受到研究者和相关行业的关注。尤其是随着“双碳”目标的提出,这种绿色胶凝材料得到更多人的认可。目前,应用到碱激发胶凝材料中的固废一般都是铝硅酸盐固废,铝硅酸盐固废又分为低活性,如粉煤灰、炉底渣、气化渣、煅烧煤矸石、建筑垃圾微粉等;中活性,如磷渣、锂渣、钢渣、赤泥等;高活性,如矿渣等。


“碱激发胶凝材料可追溯至1930年,德国学者Kuhl最先采用矿渣与KOH溶液反应获得具有强度的胶凝体系并对其凝结特性进行了研究。经过多年的发展,尽管取得了一定进展,但固废在碱激发胶凝材料中使用仍然存在以下几方面不足:一是原材料组成波动,制备的胶凝材料不易控制;二是固废的活性不同,获得的胶凝材料活性也有很大区别;三是有些固废容易粉磨(如赤泥),比表面积较大,需水量偏高;有些固废(如钢渣)较难粉磨,粉磨能耗较高。其中,固废的活性、固废对碱激发胶凝材料使用时工作性能的影响,以及固废中有负面影响组分对碱激发胶凝材料、混凝土和制品的影响问题是目前在使用过程中最为关心的问题。”刘泽指出,固废中的非晶态活性SiO₂、Al₂O₃、CaO含量经常波动,不同地域、不同工业企业产生的固废,固废中的活性组分会有所不同。在碱激发过程中,活性SiO₂、Al₂O₃、CaO与碱金属和碱土金属激发组分发生反应,反应程度和凝胶产物量决定最终材料强度。对于中低活性的固废,可以通过中温热活化(600~900℃),机械粉磨超细活化,化学活化(助磨剂和激发剂)提高活性,也可以通过多种固废搭配,协同激发的方式提升活性。

而针对固废对碱激发胶凝材料使用时工作性的影响问题,刘泽认为,固废制备碱激发胶凝材料,使用化学激发剂,如氢氧化钠、水玻璃等激发时,由于水玻璃黏度较高,会降低浆体的流动度,碱激发胶凝材料制备的混凝土的塌落度较小,很难实现泵送施工。想要解决碱激发胶凝材料工作性的问题,可以寻求以下途径:一是尽量少使用水玻璃等高黏度碱性激发剂,降低碱激发胶凝材料黏度;二是开发新型抗黏减水剂,适用于高黏度碱激发材料体系;三是使用高活性、比表面积相对较低的固废粉体作为原料,改善碱激发材料的工作性。


值得关注的是,碱激发胶凝材料在消纳固废的过程中,因为固废中经常会有超过标准限量元素的物相,如硫酸根离子,游离MgO或CaO,重金属离子(Pb、Zn、Cr、Ni、Cu等)等,这些有害组分,有可能导致材料的重金属超标,缓凝或者膨胀等问题。对此,刘泽提出,围绕这些问题,首先要厘清不同地区可以用于碱激发胶凝材料的固废原料的化学组成和矿物组成,根据碱激发胶凝材料的性能要求选择固废种类和用量,形成碱激发胶凝材料基本的组成配方。


“目前,碱激发胶凝材料已经成功应用在民用建筑、交通工程、工业建设安装、海洋工程、矿业工程、水利工程及农业等多个领域,要想实现规模化、标准化生产是下一步努力的方向。”刘泽表示,相比拥有标准化生产过程的普通硅酸盐水泥,碱激发胶凝材料因为原料很复杂,所以整个生产过程处在波动状态,要想实现高质量发展,必须要有很强的技术团队和先进的在线检测设备来对原料进行实时监控,同时在生产过程中进行实时监控来制备胶凝材料。


“从技术研发角度来看,作为技术人员,在标准化和规模化生产方面,一定要把研发的技术配方与工业企业的标准化生产线相结合,让它能够根据不同材料的设计和工艺的设计,落实到标准化工厂的生产工序当中。”刘泽强调,实现规模化、标准化生产是一个比较复杂的系统工程,需要各方共同努力,采取切实有效措施,形成合力推进。因此,除了强大的技术团队、管理运营团队,还需要标准、政策等的大力支持,只有全行业共同努力,才能让碱激发胶凝材料实现高质量发展。

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