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(chǎn)總成本。以廢棄低品味硅藻土和鋼渣為主要原料，制備室內(nèi)裝修涂料普通硅藻土，并測試多項指標。結(jié)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(shù)隨之升高，而粉磨效率隨之降低;依據(jù)活性指數(shù)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(chǎn)，是我國重要的應用資源，國內(nèi)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(nóng)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(zhì)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(zhì)，主要成分為非晶二氧化硅。目前我國僅對優(yōu)質(zhì)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(zhì)等雜質(zhì)，不能直接用來生產(chǎn)高性能高附加值產(chǎn)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(nèi)空氣的有害污染已嚴重超標，凈化功能的內(nèi)墻涂料也呈現(xiàn)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(jié)合內(nèi)墻裝飾設計對視覺、觸覺、嗅覺的要求，硅藻土產(chǎn)品在藝術表現(xiàn)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(jié)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(jié)構(gòu)［6，7］。鋼渣取自天津某鋼鐵廠，為空氣中自然冷卻的轉(zhuǎn)爐鋼渣，主要化學成分見表1。根據(jù)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(nèi)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(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)束后，在板子正上方50cm處，觀察硅藻泥表面有無裂紋出現(xiàn)，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(xiàn)裂痕。粘結(jié)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(jié)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(shù)見表7。通過對硅藻土和鋼渣比表面積的測定發(fā)現(xiàn)，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(jīng)存在團聚現(xiàn)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(zhì)對粉體的做功及粉體分子間弱能鍵斷裂是產(chǎn)生靜電作用的主要原因。而團聚的出現(xiàn)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(shù)的計算發(fā)現(xiàn)，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(wǎng)絡結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生了大量斷裂的化學鍵，破壞了原穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)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(zhì)地堅硬，耐磨指數(shù)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(shù)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)的表面羥基與水接觸時發(fā)生羥基反應，產(chǎn)生化學吸附及物理吸附，鎖定水分，產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的局部的不均勻。粘結(jié)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(jié)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(shù)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(jié)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