以硅铬渣为细骨料的混凝土性能研究.pdf

2 0 1 6年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE T E AND C EME NT P RO DUC T S 2 01 6 No 3 Ma r c h 以硅铬渣为细骨料的混凝土性能研究 张 潇 ， 水 中和 ， 汪发红 ( 1 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点试验室， 4 3 0 0 7 0 ； 2 青海建筑职业技术学院 ， 西宁 8 1 0 0 1 2 ) 摘要 ：对硅铬渣作为 细骨料全部或 部分取代天然河砂制备的混凝土性能进行 了研 究，包括 混凝 土的力学性 能 、 耐久性 能， 并通过 扫描 电子 显微 镜( S E M ) 和显微硬 度测试技术初步探讨 了硅铬 渣对混凝土界 面过 渡区的影响 。 试验结果表 明 硅铬渣具有 一定火 山灰活性 ， 作 为混凝土细骨料能提 高混凝土强度 ， 改善混凝土过渡 区结构 ， 使 混凝 土耐久性能得到 显著提 高 其 中掺 8 0 硅铬渣作 为细骨料 制备的混凝土效果更好 。 关键词 ： 硅铬渣 ； 力 学性能 ； 耐久性能 ； 界 面过 渡 区 A b s t r a c t ： T h e b a s i c p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e i n w h i c h s i l i c o n c h r o m i u m s l a g ( S O S ) s u b s t i t u t e d n a t u r a l r i v e r s a n d a r e s t u d i e d ，i n c l u d i n g t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d t h e d u r a b i l i t y o f h a r d e n e d c o n c r e t e Ba s e d o n t h e t e s t i n g t e c h n o l o g y o f S E M a n d m i c roh a r d n e s s t h e i n fl u e n c e o f S C S o n t h e i n t e r f a c i al t r a n s i t i o n z o n e( I T Z ) w a s a l s o s t u d i e d T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e S C S h a s a c e rt a i n p o z z o l a n i c a c t i v i t y ， S CS t h a t w a s u s e d a s fi n e a g g r e g a t e s c a n e f f e c t i v e l y r a i s e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d i mp rov e s t r u c t u r e o f i n t e r f a e i a l t r a n s i t i o n z o n e ，w h i c h s i g n i fi c a n t l y ma k e t h e g o o d d u r a b i l i t y p e rf o r ma n c e o f c o n c r e t e T h e c o n c r e t e wh i c h w a s mi x e d wi t h 2 0 fi n e s a n d a n d 8 0 S C S h a s b e t t e r p e r f o r ma n c e s t h a n t h a t o f c o n c r e t e wi t h 1 o o S CS Ke y wo r d s ：S i l i c o n c h r o mi u m s l a g ；Me c h a n i c al p r o p e rti e s ； Du r a b i l i t y ； I n t e r f a c i al t r a n s i t i o n z o n e 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6 ) 0 3 1 3 0 4 0前 言 铬渣即含铬废渣 。 主要是冶金及化工部 门生产 铬合金或铬盐过程中所排放 的固体废弃物【 1 叫。硅铬 渣中的铬是变价元素 毒性与价态及水溶性密切相 关4 - q ， 六价铬【 C r ( V I ) 卜一 般以铬酸根 ( 如铬酸钠 、 铬 酸钙 ) 阴离子形式存在 ， 当铬渣浸水后 ， 部分铬溶入 水 中， 导致土壤 、 水源的污染 ， 且 C r ( V I ) 被 国际癌症 调研机构充分证实是对动物有 致癌性 的物质7 1 。由 于铬渣是在厂 区附近露天 堆放 。 对 大气 、 地下水 和 周边环境 造成巨大威胁 。因此 ， 铬渣 的资源化利用 问题一直是国内外学者的研究热点。 在工业实践中 ， 多种工业废渣 已经成功地应用 于水泥混凝土 ， 且水泥水化后形成 的网状凝胶结构 可 以有效 固化废渣中的重金属 ， 使废渣得到安全有 效的利用。丁建础嗍 等研究表明。 用铬渣代替部分天 然砂可制备强度等级 为 C 1 5的普通混凝 土 混凝土 作浸 出毒性试验得 出 C r ( V I ) 浸出值远小于 国家规 定的标准值 。刘惠兰 9 1 等研究表 明。 铬渣经适度加工 后制成符合混凝 土质量标准 的细骨料用 于配制混 凝土 。 其结果表 明铬渣具有 活性 ， 能提高混凝土 的 基金 项 目： 国家 “ 8 6 3 ” 计划课题 ( N o 2 0 1 2 A A 0 6 A 1 1 2 ) 。 强度。基于以上对铬渣混凝土的研究 ， 硅铬渣作为 铬渣的一种 ， 本试验初步研究了硅铬渣作为细骨料 对于混凝土的界面结构及耐久性能的影响 ， 为硅铬 渣的综合利用开辟 了一条行之有效的使用途径。 1 原 材料 与试 验方 法 1 1 原 材料 硅铬渣取 自青海省干河滩工业园区 ， 是 由高碳 铬铁和硅矿石按 比例混合冶炼硅铬铁产生 的废渣 。 目前 。采用 铁粉磁 取技术进行铁粉 回收后进行 堆 弃 ， 堆弃后 的尾渣颜色为深灰色 。硅铬渣 的化学成 分和颗粒组成见表 1 和表 2 。 根据表 2可以看 出 硅铬渣 的颗粒过粗 ， 级配 不佳 。为了满足试验用砂需要 ， 可以调整其所属级 配 区和细度模数 ， 将天然细砂与硅铬渣按一定 比例 掺配使用。 胶凝材料采用 P 0 4 2 , 5级水泥 ， 性能指标如表 3所示 。 混凝 土成 型采用 的碎石 为 0 5 mm、 5 1 6 5 m m 和 1 6 5 2 6 5 mm三种粒径碎石掺配使用 ，碎石的压 碎值为 8 0 ： 天然河砂 的表观密度为 2 6 4 0 k m 。 ， 堆 积密度为 1 4 5 8 k m 。 ， 细度模数为 2 9 l ， 属中砂 ； 减水 剂采用聚羧酸减水剂 ，固含量为 4 0 ，减水率 为 一 1 3 2 0 1 6年第 3 期 混凝土与水 泥制品 总第 2 3 9期 28 。 1 2 试 验方 法 采用的混凝土配合 比如表 4所示。试样 C O为 普硅 酸盐 水泥混 凝土 试样 C 1是 以 2 0 细砂和 8 0 的硅铬渣作为细骨料制备的混凝土 。 试样 C 2为 细骨料全部为硅铬渣制备 的混凝土。由于硅铬渣相 比于天然河砂表面少棱角 、 较光滑 ， 导致其与水泥 浆和碎石的黏结性能不 良， 因而适 当提高了混凝土 的砂率。为 了对比试验结果 ， 三组混凝土配合 比的 胶凝材料 、 用水量均一致 。 混凝土试样拌合后 ， 成型采用 l O O m mx l O O m mx l O O r n m三联试模 ，标 准条件 下分别养护 3 d 、 7 d和 2 8 d ， 根据 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能 试验方法标准 测试试 样抗压强度 。试样破碎后分 别进行扫描电镜 ( S E M) 和显微硬度测试。参照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性能试 验方法标准 ，测试混凝土的耐久性能。参照 G B T 7 0 2 3 -2 0 1 1 低 、 中水平放射性废 物固化体标 准浸 出试验方法 ，测试硅铬渣混凝土的铬离子表面浸 出率 评价其作为建筑材料使用 的环境安全性能。 2试 验结 果分 析及 讨 论 2 1 显微硬度测量与分析 界面过渡 区显微硬度是界面性能的综合反 映。 本文对硅铬渣混凝土 以及普通混凝土 的细骨料与 水泥浆体界面区显微硬度进行了测试 ， 在经过抛光 的试样表面 ， 从细骨料与水泥浆体界面开始至水泥 石基体 8 0 1 m范 围内打点 ， 间隔为 l O l m， 取各点 1 O 次测试的平均值 ， 结果见 图 l 。 一 1 4一 一 喜 5 o o 4 o o 2 o 0 1 0 o 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 9 O 与细骨料距离， “ m 图 1 标准养护 2 8 d界面过渡 区的显微 硬度 由图 1 可见 ， 虽然试样 C 2与 C O界面过渡 区的 宽度并没有明显不 同 但硅铬渣混凝土试样 C 2与 对 照组 试样 C O相 比 ，硅 铬渣 混 凝 土界 面过 渡 区 的 显微硬度值有着不 同程度 的提高 ，下 降程度较低 ， 试样 C 2的显微硬度值明显大于试样 C 0 。这表明硅 铬渣作为细骨料能改善界面过渡 区结构 ， 使界面过 渡区致密化 ， 改善 了黏结状况。因而铬渣混凝土 的 微观性能得到了大幅改善。 2 2 界面区形貌分析 图 2中 a 、 b分别是天然河砂和硅铬渣与水泥浆 体界面过渡 区的 S E M 图。从图 2 ( a ) 中可 以看出， 天 然河砂与水泥浆之间的界面比较 明晰 ， 且界 面区结 构 比较疏松 ， 孔 隙发达 ， 孔径较大 ， 说明天然河砂 与 水泥浆没有发生化学反应 。 从 图 2 ( b ) 中可以首先看 出 ， 观察到其界面区孔隙细小 、 结构致密 ， 未发现较 大孔洞存在。 从界面过渡区的显微硬度和 S E M可以 2 0 1 6年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 9期 硅铬渣混凝土的抗冻试验结果如图 5所示 。由 图 5可 明显 看 出 。 混凝 土 的 质量 和弹 性 模 量 随着 冻 融循环次数的增加而下降。经过 3 0 0次冻融循环以 后 ， 各个配 比试件 的质量和动弹性模量损失率最多 的为试样 C 0 ， 损失率最少为试样 C 1 。 这是因为硅铬 渣 的火山灰活性 改善 了微观界面结 构 ， 细砂的掺人 增加 了混凝土的密实性 。 因而减少了混凝土 内部的 连通孑 L ， 阻碍水进入混凝土 内部来提高铬渣混凝土 的抗冻融性能。 1 5 1 2 曩0 9 罂o 6 0 3 O 1 O 8 骼 6 咖1 4 惫 2 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 25 0 3 0 0 冻 融循环 次数 次 ( a ) 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融循环次数 次 ( b ) 图 5铬渣混凝 土冻融试验结果 从 S E M、 显微硬度 、 力学性能 、 抗氯离子渗透性 能、 抗碳化性能、 抗冻融性能可 以看出 ， 混凝土的界 面结构对混凝土的耐久性能有显著的影 响 ， 而铬渣 的火 山灰活性可以有效改善界面过渡区结构 ， 提高 耐久性 能 2 5 硅铬渣 混凝 土表 面浸 出试 验 C 2试样的细骨料全部为硅铬渣 ， 从表 6中可以 看 出， 其浸泡 1 4 d ， 浸 出液 中铬浓度为 0 0 4 2 mg L ， 表 面浸出率为 2 4 8 x 1 0 4 g ( e ra d ) 。 对 比世界卫生组织 规定饮用水 中铬离子的最高允许浓度为 0 5 m g L ， 说 明混凝土对铬离子有较好 的固化效果 ， 从环境和健 康 的角度初 步说 明硅铬渣 可以替代 天然 河砂作为 一 1 6一 建筑材料使用。 表 6 硅 铬渣混凝土的表面浸 出率 3结论 ( 1 ) 硅铬渣可以作 为细骨料替代天然河砂配制 混凝土 。结合 S E N和显微硬度分析 ， 硅铬渣具有一 定 的活性 ， 作为细骨料配制混凝土在界面区可产生 火 山灰效应 ， 有利 于改善界 面过 渡区的结构 ， 提高 混凝土密实性。 ( 2 ) 在 相 同水 胶 比条 件 下 配 制 C 4 0混 凝 土 时 硅 铬渣 混凝 土 的 2 8 d抗 压强 度 要高 于普 通混 凝 土 。 ( 3 ) 对 比普通混凝 土 ， 硅 铬渣混凝 土的抗 冻融 性能 、 抗碳化性能及抗氯离子渗透性能等耐久性指 标 明显提高 ， 且复掺 2 0 细砂的硅铬渣混凝土效果 更好 。通过硅铬渣混凝土的表 面浸 出试验表 明 ， 未 发现硅铬渣配制的混凝土对环境和健康造成危害。 参考文献 ： 【 1 】 北京师范大学，华 中师范 大学， 南 京师范 大学 。 无机化学 ( 第 四版 ) 【 M 北京： 高等教育 出版社， 2 0 0 3 2 】 任爱玲 含铬污 液在土壤 中迁移 规律的研究 J 】 城市环境 与城市生态， 2 0 0 0 ， 2 ( 1 3 ) ： 1 5 1 5 7 【 3 1 古 昌红 ， 单振 秀， 王瑞琪 铬渣 对土壤 污染 的研究 J 矿 业 安全与环保， 2 0 0 5 ， 3 2 ( 6 ) ： 1 8 2 0 【 4 潘金芳 化工铬渣中铬 的存在形态研 究 【 J 】 上海环境科学， 1 9 9 6 ( 3 ) ： 1 6 【 5 T G Wa n g ， Z H L i H i s h - t e m p e r a t u r e r e d u c t i o n o f c h r o m i u m I ) i n s o l i d a l k a l i J 】 J H a z a r d Ma t e r ， 2 0 0 4 ， 1 1 2 ( 1 2 ) ： 6 3 - 6 9 6 】 Y D i n g ， Z J i P r o d u c t i o n a n d A p p l i c a t i o n o f C h r o mi u m C o rn p o u n d s M B e i j i n g ： P r e s s o f C h e mi e I n d u s t r y ， 2 0 0 3 7 】 韩英魁 环保治理刻不容缓 J J 铬盐工业， 2 0 0 2 ( 2 ) ：2 2 3 0 【 8 丁建础， 李 崇景 铬 渣钡渣 代替 天然砂 制作混 凝土 的研究 【 J J 再 生资源研究， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 2 9 3 1 【 9 9 刘 惠兰 水淬铬渣作 为混凝 土细骨料 的研 究【 J 】 硅酸盐建 筑制 品， 1 9 9 3 ( 3 ) ： 1 3 1 6 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 1 1 2 4 作者简介 ： 张潇 ( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 湖北 省武汉市 武汉理工大学硅 酸盐建筑材 料 国家重 点试验 室 联系电话 ： 1 5 2 7 1 8 3 4 0 8 9 E ma i I ： 3 9 7 3 4 3 3 7 4q q c o rn