高钙粉煤灰CO2矿化预处理对其制备地聚物力学性能的影响

高钙粉煤灰CO2矿化预处理对其制备地聚物力学性能的影响

高钙粉煤灰CO2矿化预处理及其对地聚物力学性能的影响研究

摘要：为了把高钙粉煤灰在混凝土里的水化活性予以提升，以及让其体积安定性得以提高，分别使用原状的，还有经过CO2矿化预处理6小时、24小时的这3种高钙粉煤灰当作单一的前驱体去制备地聚物，对矿化程度针对高钙粉煤灰理化特性所产生的影响展开了研究，并且剖析其作用的机理。结果显示，经过6小时矿化预处理的高钙粉煤灰当中，f-CaO含量相较于原状高钙粉煤灰降低了2.64个百分点，经过24小时矿化预处理的高钙粉煤灰当中，f-CaO含量相较于原状高钙粉煤灰降低了2.80个百分点。使用经6hCO2矿化预处理的高钙粉煤灰制备的地聚物，其1d抗压强度能够达到29.7MPa，相较于用原状高钙粉煤灰制备的，提高了34.4%。经过6hCO2矿化预处理，能够推动水化产物的生成以及成核结晶。然而，当CO2矿化预处理时间过长，达到24h时，对高钙粉煤灰基地聚物的强度发展是不利的。

关键词：高钙粉煤灰；碳化；f-CaO；地聚物；抗压强度

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引言

常年以来，我国年均粉煤灰排放量始终维持在5亿t以上，依据氧化钙含量，粉煤灰能够被划分成高钙粉煤灰，也就是CaO含量≥10%的那种，以及低钙粉煤灰，即CaO含量＜10%的那种，今朝，低钙粉煤灰已然被当作矿物掺合料大范围应用于水泥混凝土里，然而却存有活性不高、质量波动等状况，伴随国内高钙粉煤灰排放量逐年递增，针对高钙粉煤灰的性能及其应用开展的研究持续增多。高钙粉煤灰是种材料，这种材料既含有一定数量水硬性晶体矿物，又含有潜在活性物质，它的f-CaO含量较高，加入到混凝土里易致使混凝土安定性不良，所以，减少高钙粉煤灰中的f-CaO是达成高钙粉煤灰资源化利用的重要技术路径。

其研究表明，CO2矿化处理办法乃是降低高钙粉煤灰里f-CaO的关键方式。黄煌煌等人针对CO2矿化改性高钙粉煤灰针对水泥砂浆力学性能以及微观结构的影响展开了研究，发觉经过矿化改性处理过后的高钙粉煤灰之中，f-CaO含量显著降低。CO2矿化处理针对高钙粉煤灰中CaO的改性成效已然得到证实，然而矿化程度对于高钙粉煤灰理化特性的影响暂时并不明晰。

本文先是用来表征原状高钙粉煤灰（CFA）及两种不同矿化程度的高钙粉煤灰的理化特性、微观形貌，而后分别把三种高钙粉煤灰当作单一前驱体，把氢氧化钠与水玻璃的混合溶液当做碱激发剂，去制备高钙粉煤灰基地聚物，并且结合XRD、FTIR以及SEM等，对所合成地聚物的性能做了分析。

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试验

1 试验

1.1 原材料

关于原状高钙粉煤灰（CFA），是来自阳逻发电厂的，其化学组成在表1中呈现。颗粒状氢氧化钠选用的是分析纯的。硅酸钠水玻璃是工业级的，模数为3.3，其中SiO2、Na2O的质量分数分别是27.2%、10.5%。水采用的是自来水。

通过表1能够知道，在CFA里，Al2O3的含量，SiO2的含量，以及Fe2O3的含量，它们的总合是63.14%，CaO的含量是25.96%，这属于高钙粉煤灰。

1.2 高钙粉煤灰的CO2矿化处理

依照m（水）与m（CFA）的比例为10比1进行混合，并且搅拌至均匀状态后，放置在碳化箱里，分别碳化6小时以及24小时，碳化箱里的温度是（20±2）℃，相对湿度为（70±2）%，CO2浓度为20%，碳化之后取出来，放入60℃的烘箱中干燥24小时，接着放置在球磨机中球磨40分钟。碳化6小时的就是低矿化度高钙粉煤灰即LCFA，碳化24小时的就是高矿化度高钙粉煤灰即HCFA。

1.3 高钙粉煤灰基地聚物的制备

制取模数为1.5的碱激发剂，要先把硅酸钠、氢氧化钠溶液以及水混合，之后静置24小时。碱激发剂有一个作用，能够提供硅铝氧化物发生地聚合反应所要的碱度，在这个碱度那里，硅铝氧化物颗粒表面会发生溶解再聚合的地聚反应。它还有另一个作用，借助液体硅酸钠里的硅含量来调整地聚物的硅铝摩尔比，如此来对地聚物的成分与结构加以控制。

先把CFA、LCFA、HCFA分别跟碱激发剂一同加入到搅拌机内，初始以低速搅拌2分钟，接着以快速搅拌3分钟，从而制得高钙粉煤灰基地聚物，试件的配合比情况见表2。把料浆灌倒入50mm×50mm×50mm的模具当中，振动1分钟，在室内覆膜养护1天之后拆模，并且放置于75℃的环境下保温固化1天，随后开展相应的力学性能以及微观结构测试。

1.4 测试方法

进行物相组成的测试时，此前将粉末样品运用45μm筛来做筛分，之后采用日本理学TTRⅢ仪器针对粉末开展XRD分析，其中电流设定为30mA，电压设定为40kV，扫描范围是10°~70°，扫描速率为5°/min，步长是0.02°，最终要通过分析来确定峰值物相。

（2）FTIR分析，把1mg粉末样品跟级KBr一块儿进行研磨，之后压制成薄片，再使用。

把测试工作交给工作站，它所采用的红外光谱测试方式，其分辨率是1cm-1，扫描次数为32次，扫描范围处于400至-1之间。

首先，把3种高钙粉煤灰放置于真空干燥器中干燥48h，接着，将抗压强度测试后的样品亦放于该真空干燥器中干燥48h，并且，对这些经过干燥48h的3种高钙粉煤灰以及抗压强度测试后的样品进行喷金处理，随后，运用扫描电镜针对经过喷金处理的它们进行着不同倍数的观察。

试验压力机采用 200t 的电液伺服类型，对经过 75℃养护 1d 后的试件，进行抗压强度测试，测试抗压强度时，取 3 次测试的平均值作为最终抗压强度数值。

f-CaO含量，借助乙二醇滴定法，对3种高钙粉煤灰中的f-CaO含量予以测试。

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结果与分析

2.1 高钙粉煤灰的微观形貌（见图1）

从图1能够知道，伴随矿化程度一点一点地加深，粉煤灰表面的白色絮状物质渐渐增多，这是因为高钙粉煤灰在碳化箱里和CO2产生了一定程度的化学反应，高钙粉煤灰中的氢氧化钙被转变为了碳酸钙。

2.2 高钙粉煤灰中f-CaO含量

经过二氧化碳矿化预处理，能够大幅度减少高钙粉煤灰里的游离氧化钙含量，高钙粉煤灰中游离氧化钙的含量是3.45%，经过测试，低钙高钙粉煤灰、高钙粉煤灰中游离氧化钙的含量相较于高钙粉煤灰分别降低了2.64、2.80个百分点。2.3高钙粉煤灰以及地聚物的X射线衍射图谱（可见图2、图3）。

从图2能够知道，CFA的主要矿物是石英，也就是SiO2，还有方解石，即CaCO3，以及氢氧化钙。

Ca（OH）2

和刚玉（Al2O3），在经过CO2矿化预处理之后，高钙粉煤灰里的Ca（OH）2的衍射峰消失不见，方解石的衍射峰出现减弱的情况，这种现象或许是因为生成了无定形碳酸钙。随着CO2矿化时间不断延长，方解石的衍射峰呈现出有所增强的态势，这种情况或许是由于无定形碳酸钙朝着结晶型碳酸钙发生了转变。

如图3所示，相较于CFA1，LCFA1里方解石以及石英衍射峰强度呈现减弱态势，这或许是因为高钙粉煤灰于CO2矿化预处理期间所生成的无定形碳酸钙，为凝胶产物的生成提供了更多活性位点，进而促进了早期聚合反应。并且随着矿化程度进一步加深，高钙粉煤灰中Ca（OH）2的含量大幅降低，同时促使无定形碳酸钙转变为不具备胶凝性能的结晶型碳酸钙。

2.4 高钙粉煤灰基地聚物的红外光谱（见图4）

依据图4能够知道，-1这个位置是化学结合水中O—H键的弯曲振动，一般而言是反应产物里的化学结合水。LCFA1在上述所提及的吸收峰相对应的面积是最大的。-1这个位置是CO32-里C—O—C的弯曲振动，这大概是试样中的低结晶型碳酸钙又或者是未反应的方解石，伴随矿化程度持续加深，吸收峰的相对面积渐渐增大。地聚物的FTIR特征谱带通常分布在800至-1，主要因为凝胶产物中Si—O—X的不对称伸缩振动产生，X能够是四面体Si或者Al。由此能以一定水平在某种性质方面说明产物的聚合程度，就有那么LCFA1在彼位于此处的这吸收峰的峰值强度最高就是这样，这或许是因为较多凝胶产物那样生成了，所以呈现这个具有较高抗压强度的情况。随着有着一定程度的矿化程度进一步加深，峰值波数便降低了，这也许出于结晶型那样碳酸钙的生成对聚合反应产生了影响，至于具体原因还需要借助后续进一步开展研究来明确那样。

2.5 高钙粉煤灰基地聚物的抗压强度（见表3）

从表3能够看出，LCFA1的抗压强度是29.7MPa ，相较于CFA1提升了34.4%。HCFA1的抗压强度仅仅有18.4MPa。或许是因为高钙粉煤灰里的氧化钙碳化之后形成反应程度较低的结晶型碳酸钙所致 ，地聚物的强度主要依靠硅铝氧化物通过地质聚合反应而获得 ，能够进一步对碱激发剂与硅铝氧化物的配比予以调整 ，从而提高地聚合反应的速率。

2.6 地聚物的微观形貌（见图5）

从图5能够看出，CFA1里高钙粉煤灰颗粒四周有孔隙，此高钙粉煤灰未进行CO2矿化预处理，它与基体相连不够紧密。然而，LCFA1中的粉煤灰颗粒在地质聚合物基体里嵌入得比较紧密，并且其周边有大量水化凝胶产物，这表明CO2矿化预处理能够为聚合反应提供更多成核位置，能够有效推动凝胶产物结晶沉淀。

HCFA1高钙粉煤灰颗粒表面，随着矿化程度加深，附着了CO2矿化预处理生成的碳酸钙晶体，粉煤灰颗粒与基体之间，存在较多空隙。

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结语

二氧化碳矿化预处理能够有效地致使游离氧化钙的含量降低，进而使得高钙粉煤灰的安定性得以改善，经过矿化预处理的高钙粉煤灰中，游离氧化钙含量相较于原状高钙粉煤灰在不同程度上实现了降低，分别降低了二点六四个百分点以及二点八零个百分点。

（2）经过6小时二氧化碳矿化预处理后的那种高钙粉煤灰基地聚物，其抗压强度是29.7MPa，跟原状的高钙粉煤灰基地聚物相比较而言，提升了34.4%，而经过矿化预处理的高钙粉煤灰基地聚物抗压强度仅有18.4MPa。

（3）经过二氧化碳矿化预处理的高钙粉煤灰，让高钙粉煤灰基地聚物的微观结构得到了改善，使得无定形碳酸钙得以形成，为聚合反应提供了更多的成核位点，进而生成了更多的凝胶产物。