热处理对水库沉积物轻集料物理性质的影响外文翻译资料

 2021-10-24 14:18:03

英语原文共 8 页

热处理对水库沉积物轻集料物理性质的影响

廖益冲，黄志远

摘要：

在1170-1230℃的温度范围内，分别采用四种不同的热处理方法，采用添加氧化钙为添加物的水库底泥制备轻质集料（LWAs）。结果表明，在1200℃以上的温度下生产的LWAs，符合欧盟EN-13055-1规定，该法规规定LWAs的单位重量应低于2000 kg/m3。通过延长保温时间和提高升温速率，可以很容易地降低体积密度。在1230℃条件下，通过缩短保温时间、提高升温速率制备的的LWAs的强度与单位重量之比接近工业产品。LWAs的吸水率在4%以下，由于孔隙连接和封闭，吸水率先升高后降低。在较高的温度下由于LWAs玻璃相的形成使得粗糙和密封的小孔隙(lt;0.1mm)连接到大孔隙(gt;0.2mm)的壁面。LWAs的矿物相为石英、斜长岩和赤铁矿。

关键词：强度；体积密度；吸水率；玻璃相；轻骨料

一、介绍

轻骨料（LWAs）因其重量轻，在高层建筑轻质混凝土生产中得到了广泛的应用。LWAs的多孔结构使其具有良好的隔音隔热性能。Riley通过推测多孔结构的形成，认为膨胀的出现有两个原因。一种是原料具有可以形成包裹气体的玻璃相的化学成分，另一种是在玻璃相的形成过程中生成了气体。在Riley的研究中，由SiO2、Al2O3和助焊剂氧化物组成的图表包含一个产生膨胀现象的膨胀区域。许多位于膨胀区的可回收废物被制造成LWAs，如开采残渣、灰分和污泥。水库泥沙也分布在该区域。

水库沉积物的存在大大缩短了水库的使用寿命。为了恢复和延长水库的使用寿命，水库的疏浚作业在雨季之后进行。清理出的沉积物通常被排入河流下游，沉积物的悬浮会对生态造成破坏。根据一份政府报告，台湾平均每年有1400万吨的沉积物沉积，2009年清理的沉积物总量为433万吨。最近，Chen和Wei等人验证了利用水库沉积物与其他可回收废物混合生产LWAs是可行的。Tang等人利用水库沉积物制备了用于轻质混凝土的LWAs。结果表明，利用水库沉积物制备的LWA的性能优于工业LWA。在LWAs的制造过程中，由于温度影响膨胀行为，从而决定了多孔结构的形成，因此热处理对其物理性能的影响很大。de#39;Gennaro等人用光学透镜观察了那不勒斯黄凝灰岩在加热过程中的膨胀行为。测定了LWA底部与耐火砖平板接触时的最大膨胀温度。同时观测到离耐火砖越远，孔隙尺寸也逐渐增大。Tang等人对水库沉积物和各种灰分的混合物在500℃温度下进行了预热处理；LWAs分别在1150℃和1175℃温度下烧制，浸泡时间分别为10分钟和15分钟。结果显示浸泡时间越长，LWAs的颗粒密度越大，吸水率越低。

然而，很少有研究者直接研究热处理(包括加热速率、持续时间和温度)如何影响LWAs的物理性能。在本研究中，采用不同的热处理方法，以添加氧化钙的水库底泥为原料，制备LWAs。在我们之前的研究中发现氧化钙可以降低LWAs的吸水率。由于吸水率影响混凝土凝结时间，因此在轻质混凝土生产中采用吸水率低的LWAs效果更好。此文章研究了LWAs在不同温度下的物理性能、宏观结构和微观结构。

二、材料和方法

水库沉积物来自于台湾北部最大的水库：石门水库。中位粒径(d50)为8.49 mm的沉积物含水量为28%，着火损失为5.57%。沉积物在120℃干燥，研磨后通过100目进行进一步测量。利用x射线荧光光谱仪(XRF, Rigaku)测定了沉积物的化学成分，采用x射线衍射(XRD, Siemens D5000)对矿物相进行了分析。

氧化钙(Shimakyo#39;s Pure Chemicals)经过碾磨，过100目筛。采用小型水泥搅拌机直接将5%氧化钙(重量)与水库沉积物混合，无需烘干。将混合物通过真空挤出机挤出的成棒。挤压后的棒材切成小块，造粒制成直径为10-20mm的圆球。将这些球体在室温下放置一天，然后在实验室的高温熔炉中加热。采用保温时间为30 min，升温速率为5℃/min的热处理(即3005，其中前两个数字表示保温时间，后两个数字表示升温速率。同样，其他处理分别记为3015、1505和1515。加热温度从1170℃升温至1230℃，每档温差为15℃。)

对加热后的LWAs进行了物理性能的测定。将LWAs置于沸水中24小时后，用阿基米德法测定其体积密度和吸水率。用公式（1）（2）计算了其容重和吸水率。采用压头转速为0.1 mm/s的压缩试验系统(MTS)对其抗压强度进行了测试。采用公式(3)计算加热LWAs的抗压强度。

其中WD为受热后LWAs的干重，WS为24小时饱和表面干重，WI为浸入水中的重量。PC为断裂载荷，X为LWAs直径。

记录的每个测试值均为八个样本的平均值。采用x射线衍射(XRD)分析了经过100目筛筛过的粉末的团聚体矿物相。用光学显微镜观察样品的形貌和横截面。最后用扫描电镜(SEM)对3005和3015系列样品的微观结构进行了研究。

三、结果与讨论

成分

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

Wt%

61.4

22.5

8.6

0.7

2.0

1.3

3.4

表1为XRF检测到的水库沉积物的化学成分。沉积物主要为SiO2(61.4%)，其次为Al2O3(22.5%)和Fe2O3(8.6%)。采用x射线衍射(XRD)分析了掺量为5 wt% CaO的沉积物与原沉积物的矿物相。图1为原始沉积物和添加CaO的沉积物的XRD图谱。原始沉积物和添加CaO的沉积物的矿物相相同。矿物相为石英(PDF#: 83-2539)、钠长石(PDF#: 41-1480)、斜长石(PDF#: 46-1323)和白云母(PDF#: 46-1311)。

图a为LWAs经过各种热处理后的体积密度。体积密度随温度的升高而减小。3015系列样品在不同加热温度下的容重最低，容重范围为2.02g/cm3-1.12g/cm3。1505和1515系列样品的容重均低于1200℃以上的2g/cm3。虽然1505系列样品的容重高于1215℃以下的其他样品，但低于1215℃以上的1515系列样品。为了在高温下降低体积密度，应在短时间内采用慢升温速率。在一定的保温时间内生产的3005和3015系列样品，在1200℃以上的温度下体积密度相似，与1505和1515系列样品的体积密度不同。这表明，较长的保温时间和较快的升温速度容易降低体积密度，体积密度在一定范围内呈下降趋势。

在以往的研究中，发现Fe2O3的还原反应促进了膨胀现象。这可能是由于更快的升温速度导致沉积物中的有机物残存有更多的未燃烧的碳，同时有更长的时间使LWAs充分膨胀。在1230℃下生产的1515系列样品，由于加热时间最短，体积密度最高，膨胀不明显。这一结果与Chen等人得出的结果不同，Chen等人提出浸泡时间越长，体积密度越大。原因是不同的热处理导致了现象的不同。在这篇文章中，这些球体在室温温度放置在大气中静置一天，然后在实验室的高温熔炉中加热。热处理时间为15或30分钟，加热速度为5或15℃/min。而Chen等人采用的热处理方法包括预烧结和烧结。其热处理如下，干燥的球团被放置在窑的预热室中，在500℃的温度下加热不同的时间。然后将预加热的球团置于窑的烧结室中，在不同的温度下加热不同的时间。根据欧盟EN-13055-1规定，LWAs的单位重量应低于2000 kg/m3。采用保温时间长、升温速率快(3015)的热处理工艺，在1170℃满足上述规定，在1200℃时采用其它满足规定的热处理工艺生产LWAs。

各系列LWAs的抗压强度如图b所示。抗压强度与容重呈正相关;低容重LWAs具有较低的抗压强度。在1230℃产的1515系列试样抗压强度最高(4.08MPa)，在之前的研究中我们制备了一定量的LWAs，将其与商用LWA Leca Strutturale进行了比较，LWA Leca Strutturale的容重为1.3g/cm3，吸水率大于7%，抗压强度为4.5 MPa，强度与单位重量的比值为3.46。他们的结果表明，积密度小于2g/cm3，压强度大于1LWAs是适用于轻质混凝土的制备的。强度与单位重量之比是工程的一项指标，掺加CaO后的沉积物的强度与单位重量之比如表2所示。该LWAs在1230℃温度下制备，由于其体积密度低于1.3g/cm3，因此与商业产品进行了比较。1515系列样品的强度与单位重量比(3.14)与工业品接近;其他的样本要低得多。虽然LWAs的强度性能没有达到Leca Strutturale的强度性能，但在1200℃以上的的温度下生产的LWAs可以用于轻质混凝土的生产。

为不同温度下LWAs的吸水情况。吸水率均在4%以下，有利于制备轻质混凝土。除1505系列和1515系列样品在初始加热温度下吸水率没有增加外，各系列样品的吸水率随温度的升高先升高后降低。试样在加热过程中膨胀形成LWAs。由于1505和1515系列样品的加热时间比3005和3015系列样品短，并且在试样的横截面上可以看出，坩埚的导热性也降低了温度，使得LWAs底部并没有完全形成玻璃相。LWAs的吸水程度主要取决于它的孔隙大小。孔隙主要是

由玻璃相包裹气体形成。玻璃相在高温下流动，封闭更小的孔隙，减少水的吸附。由于LWAs的形状对轻质混凝土的流动性有一定的影响，因此具有良好圆度的LWAs在泵送过程中可以避免混凝土的堵塞。由于玻璃相的流动性，高含量的玻璃相不能保持LWAs的圆度。当LWAs的吸水率开始下降时，玻璃相开始流动，玻璃相封闭开口孔隙，改变了LWAs的形状。这表明，合适的玻璃相量为各系列样品吸水率水平顶部的玻璃相量：3005系列在1200℃，3015系列在1185℃，1505系列在1215℃，1515系列在1200℃。达到相应温度后，玻璃相开始流动，封闭小孔隙，降低了吸水率。

图3为不同温度下各系列样品的XRD图谱。每个系列的矿物相为石英(PDF#: 85-0794)、斜长岩(PDF#: 41-1481)和赤铁矿(PDF#: 87-1165)。斜长岩相的形成主要是由于在加热过程中，钙的加入和赤铁矿相从斜绿岩的分解中分离出来。赤铁矿相可以与未燃烧的碳发生反应，通过还原Fe2O3生成O2气体来促进膨胀行为。虽然Fe2O3可以与未燃烧的碳还原为FeO并释放O2气体，但XRD图谱中没有发现westite相(FeO)。在先前的研究中，利用x射线吸收近边缘结构(XANES)光谱观察了储层沉积物制备的LWAs中Fe2 和Fe3 的变化。结果表明，在1150℃条件下制备的LWAs并没有发现Fe2 离子。在本研究中，快速的升温速率可能导致较高的未燃碳量。但是，沉积物的着火损失仅为5.57%，这意味着实际的未燃烧碳含量低于5.57%。这可能会导致即使发生了还原反应，这也会在wuestite阶段退出，离开了X射线衍射的检测范围。XRD图谱还表明，石英相的强度随着温度的升高而降低，这是由于玻璃相的形成，或者是由于与钙离子反应形成斜长岩。由于其非晶态结构，玻璃相增加了XRD在208-308之间的背景值。随着温度的升高，所有XRD图谱均表现出这种现象。

LWAs的外观如图4所示。结果表明，随着温度的升高，LWAs呈黄绿色，粗糙度增大。1170℃下的1515系列样品为白色，处于未反应状态，加热时间不足，不易发生胀气行为。随着温度的升高，表面形成玻璃相，并形成一些开孔。粘度降低，导致LWAs的圆度很难保持。

图5为样品的横截面。由图片可以看出毛细孔洞数目的增加随温度的增加而增加，在与坩埚接触的底部区域形成的孔很少。dersquo;Gennaro等人也观察到坩埚底部区域与坩埚接触时几乎没有形成气孔。这可能是由于坩埚的导热性引起的，这使得坩埚底部的温度低于顶部的温度。顶部的加热区域是棕色的，底部是砖红色的。砖红色的区域是一个没有反应的区域。虽然较长的浸泡时间和较低的升温速率(3005)，导致LWAs完全受热，但在1170℃温度下，3015系列样品的棕色区域容易形成孔隙。

用扫描电镜观察了孔隙。对3005系列的微观结构进行了分析。样

品和3015系列样品分别如图6a和b所示。孔隙壁面光滑，这是由玻璃相引起的。低温时，大孔隙(gt;0.2 mm)壁上的小

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