談廢棄硅藻土鋼渣制備硅藻泥建筑涂料
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摘要:固體廢棄物再利用不僅可以提高資源的利用率，還可以降低生產總成本。以廢棄低品味硅藻土和鋼渣為主要原料，制備室內裝修涂料普通硅藻土，并測試多項指標。結果表明:硅藻土和鋼渣隨著粉磨時間的延長，比表面積隨之增大，活性指數隨之升高，而粉磨效率隨之降低;依據活性指數優(yōu)選硅藻土粉磨20min，鋼渣粉磨120min;以硅藻土、鋼渣、石英砂、脫硫石膏為原料，當水料比約為1∶1時，配置的硅藻泥狀態(tài)最優(yōu)，當水料比高于1∶1時，會降低施工性、強度和耐久性。
關鍵詞:硅藻土；鋼渣；硅藻泥；建筑涂料
1概述
硅藻土屬于非金屬礦產，是我國重要的應用資源，國內已探明儲量4億多噸，遠景儲量高達20億多噸，具有廣泛的利用途徑［1-3］。主要應用于:食品過濾(包含:水處理)、建材、農業(yè)及化工(包含:環(huán)保方面)等方向。因硅藻土是由白堊紀后期時期的單細胞硅藻遺骸形成的多孔硅質沉積巖，且在形成過程中與火山噴發(fā)和活動有密切關系，所以其礦物成分主要為礦物蛋白石及其他雜質，主要成分為非晶二氧化硅。目前我國僅對優(yōu)質一級硅藻土加工再利用，而二級、三級或中、低品味的資源，因含有大量黏土、砂質等雜質，不能直接用來生產高性能高附加值產品，仍處于閑置廢棄狀態(tài)。因硅藻土具有微火山活性［4］，所以應激活其活性后，使反應提高能后，再加以利用，本文采用機械粉磨方式激活。隨著居家裝飾及膠粘劑的大量使用，室內空氣的有害污染已嚴重超標，凈化功能的內墻涂料也呈現多樣化，可分為:光催化降解型、物理吸附型、吸附催化復合型。硅藻土的多孔性，孔隙率達80%～90%，是活性炭的5×103倍以上［5］，適合作為吸附材料應用于涂料中。結合內墻裝飾設計對視覺、觸覺、嗅覺的要求，硅藻土產品在藝術表現力上和后期保養(yǎng)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)裝飾材料。以硅藻土為主要原料，并摻有膠結材料以及其他輔助功能材料制備而成的水性涂料，稱為硅藻泥，一般是以干粉態(tài)儲存。以提高資源利用率、降低能源的消耗為原則，本文欲利用廢棄硅藻土及鋼渣為主要原料制備普通硅藻泥，測試各個技術指標，并分析指標性能。
2實驗及方法
2．1實驗原料
廢棄硅藻土取自吉林長白礦區(qū)，主要化學成分見表1。如圖1所示為硅藻土的XRD分析，主要礦物組成為石英、蛋白石。硅藻土SEM圖中存在有多種形狀，包括:圓盤形、橢圓形、圓柱形等，具有特殊的多級孔道結構［6，7］。鋼渣取自天津某鋼鐵廠，為空氣中自然冷卻的轉爐鋼渣，主要化學成分見表1。根據冶金行業(yè)標準YB/T140—2009鋼渣化學分析方法，參照MasonB［8］的反應活性計算堿度值的方法，試驗選用鋼渣堿度為3．34＞1．8，具有潛在活性，屬于高堿度鋼渣。鋼渣主要礦物相為硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)和RO相。脫硫石膏化學成分見表1。由表1可知脫硫石膏的主要化學成分為CaO和SO3。
2．2實驗方法
2．2．1機械活化將5kg硅藻土加入實驗室用SMΦ500mm×500mm小型球磨機，分別粉磨10min，15min，20min，并測試比表面積。用顎式破碎機將鋼渣破碎至1mm～2mm后，將5kg硅藻土加入實驗室用SMΦ500mm×500mm小型球磨機，分別粉磨100min，110min，120min，并測試比表面積。
2．2．2膠砂制備將硅藻土、鋼渣粉磨不同時間的物料，按表2，表3制備膠砂試塊，在不低于95%的相對濕度、(20±1)℃的標養(yǎng)室內養(yǎng)護24h后脫模，將試樣放入(20±1)℃水中養(yǎng)護至28d，測定試樣的抗壓強度及活性。
2．2．3硅藻泥制備取一定量的激活硅藻土、激活鋼渣粉、石英砂、脫硫石膏等原料，配合比如表4所示，用攪拌機攪拌至各原料混合均勻，制得硅藻泥干粉;再加入干料質量3‰的三聚磷酸鈉、乙二醇和適量水，最后用攪拌機拌和均勻，無結塊，即制得普通硅藻泥。
2．2．4樣品測試采用GB/T8074—2008水泥比表面積測定方法(勃氏法)測定各物料的比表面積;采用X’PertPowder型X射線衍射儀進行原料XRD分析，Cu靶掃描，速度5°/min，掃描范圍10°～80°，步長0．02°。膠砂試樣的抗壓強度測試參照GB/T17671—1999水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)法;試樣的力學性能測試壓力機的加荷速率為(2．5±0．5)kN/s。硅藻泥施工性:將硅藻泥涂抹在430mm×150mm的無石棉纖維水泥板上，厚度為(2±0．5)mm，觀察表面是否能均勻、有無結塊。干燥抗裂性:按照國標GB/T9779—2015復層建筑涂料中6．10規(guī)定的測試方法進行實驗，將硅藻泥涂抹在規(guī)格為200mm×150mm的無石棉纖維水泥板上，將硅藻泥置于吹風機下，恒定風速吹3h，結束后，在板子正上方50cm處，觀察硅藻泥表面有無裂紋出現，沒有或者裂紋較少即為合格。表干時間:按照國標GB/T1728—1979漆膜，膩子膜干燥時間的乙法測定硅藻泥的表干時間，將硅藻泥涂抹在規(guī)格為150mm×70mm的無石棉纖維水泥板上，用秒表測定硅藻泥表面干燥的時間，即用手指觸摸，表面不出現裂痕。粘結強度:按照GB/T9779—2015復層建筑涂料中6．18規(guī)定的Ⅲ型復層建筑涂料的測試方法進行實驗。
3結果與討論
3．1廢棄硅藻土的機械力活化
硅藻土、鋼渣粉磨后比表面積見表5，表6，活性指數見表7。通過對硅藻土和鋼渣比表面積的測定發(fā)現，在機械力作用下，隨粉磨時間增長，比表面積越來越大。而隨著粉磨時間的延長粉磨效率反而降低，說明物料在粉磨過程中開始或已經存在團聚現象，其中粉體間的范德華力和靜電作用是主要推手，粉體粒徑的減小和比較面積的增大是凸顯范德華力的主要原因，粉磨介質對粉體的做功及粉體分子間弱能鍵斷裂是產生靜電作用的主要原因。而團聚的出現表明物料接近粉磨的極限值，如果繼續(xù)延長粉磨時長，會造成能源的過耗。因此各物料不再依靠延長粉磨時間提升活性。通過對硅藻土和鋼渣活性指數的計算發(fā)現，各個粉磨活性均已達到GB/T12957—2005用作水泥混合材料的工業(yè)廢渣活性試驗方法標準要求。硅藻土粉磨后，原硅氧四面體的共價鍵的網絡結構被破壞，產生了大量斷裂的化學鍵，破壞了原穩(wěn)定結構，從而產生火山活性，并與Ca(OH)2反應形成硅氧四面體三元鏈及鈣氧八面體形成的單鏈重復排列C-S-H。C-S-H因其孔隙率高，熱穩(wěn)定性好，可作為保溫材料應用于建筑領域［9］。鋼渣質地堅硬，耐磨指數為0．7，因此需要長時間的粉磨。由鋼渣的化學組成和XRD礦物分析可以看出，其與水泥成分相似，有“過燒型水泥熟料”之稱，因具有潛在活性，也可以做礦物摻合料［10-12］。鋼渣在磨細后，其礦物組成和化學成分基本不會發(fā)生變化。但粉磨細度會影響其活性，主要是大顆粒的C3S和C2S比表面積增大導致的［13］。因此采用活性指數最高的粉磨時長為最佳配料。
3．2硅藻泥相關性能
施工性:觀察無石棉纖維水泥板，發(fā)現C1，C2表面較為平整，稍有顆粒感，保水性較為合適;而C3，C4表面略有飽和，在攪拌鍋內也可看到漿料表面有水層，水泥板背面也有部分水漬。表明用水量為310g時，漿體可塑性較好，便于施工;當增大用水量，漿體粘稠度降低，且保水性差，增大施工成本。表干時間如表8所示。當用水量大時，表干時間會延長;當同樣用水量時，硅藻土含量高的，表干時間長。膠體表干的過程，主要依靠水分的蒸發(fā)。而硅藻土含量高時，表干時間較長是因為硅藻土的多孔性及高比表面積，所帶來的儲水功能:孔隙內的表面羥基與水接觸時發(fā)生羥基反應，產生化學吸附及物理吸附，鎖定水分，產生保濕性，而水化的C-S-H雖是高孔隙率，但固水能力在此可以忽略［14-16］。干燥抗裂性:觀察發(fā)現C1，C2的平整度較為均勻，肉眼可見少量短細裂紋;C3，C4平整度較差，有少量波浪狀態(tài)，邊緣有起褶和少量脫落。產生裂縫和褶皺可能是由于硅藻土含量不同，保濕效果存在差異，使得抵抗水分快速蒸發(fā)能力的異樣;產生波浪狀可能是因為低含量硅藻土試樣粘稠度大，在水分快速蒸發(fā)時產生的局部的不均勻。粘結強度如表9所示。低水料比強度自然高于高水料比。鋼渣的水化速率要慢，水化生成C-S-H的量較少，造成早期強度較低［13］。
4結語
1)硅藻土和鋼渣隨著粉磨時間的延長，比表面積隨之增大，而粉磨效率隨之降低;2)硅藻土和鋼渣隨著粉磨時間的延長，活性指數隨之升高，而粉磨效率隨之降低，物料優(yōu)選硅藻土粉磨20min鋼渣粉磨120min;3)硅藻土、鋼渣、石英砂、脫硫石膏為原料，以水料比約為1∶1時，配置的硅藻泥狀態(tài)最優(yōu)，當水料比高于1∶1時會降低施工性、耐堿性和粘結強度。
作者：蔣建亞 張?zhí)K花 孫浩 付旭東 單位：常州佳爾科仿真器材有限公司