当前世界环境

介绍

水泥行业是印度发展最快的行业。根据工业政策与促进部(DIPP)的经济顾问，2013-14年印度水泥产量为2.557亿吨。但是，水泥工业面临着许多环境问题。与水泥工业相关的主要环境问题是二氧化碳的排放₂)，一种温室气体。水泥工业产生大量的二氧化碳₂．生产一吨波特兰水泥会产生近一吨二氧化碳₂¹．目前，印度波特兰水泥的大量生产释放了大量的CO₂环境。年代upplementary cementitious materials are substitute of Portland cement to reduce CO₂发射。这些材料在不影响其机械性能的情况下取代了一些硅酸盐水泥。不同的工业废料如矿渣和矿渣都可以作为补充胶凝材料²．波特兰水泥包括补充胶凝材料是混合水泥。

CS是铜精炼过程中产生的废料，在水泥工业中有作为补充胶凝材料的潜力^3.．在印度，每年大约产生600万吨CS⁴．已经进行了各种调查，以确定cs作为部分替代水泥的适用性。这些研究表明，与普通混凝土批次相比，cs作为水泥替代品具有更好的强度和长期性能^{5 - 9}然而，在印度，关于CS在水泥行业运用的研究文献很少。因此，本研究试图确定CS作为生产环境可持续混合水泥的补充胶凝材料的适宜性。

材料

水泥

本研究采用43级普通硅酸盐水泥。艾尔l properties of Ordinary Portland cement conformed to BIS 8112¹⁰．

细、粗骨料

所使用的细骨料是名义最大尺寸为4.75毫米的河砂。所使用的粗骨料是名义最大尺寸为20毫米的碎石。细、粗骨料比重按BIS 2386计算¹¹分别为2.64和2.60。细骨料符合BIS 383分级区II¹²粗骨料的级配要求符合BIS 383¹²．

铜渣(CS)

本研究使用的CS来自Synco Industries Limited (Jodhpur, Rajasthan)， CS颜色为黑色，形状不规则。CS比重为3.51。将其磨成细粉，在90微米以下筛过，可获得与水泥相似的细度。CS的细度根据BIS 4031确定¹³Blaine比表面积法为325 m²/公斤。CS的化学性质如表1所示。

表1:CS的化学性质

化学成分	化学成分百分比
铜	0.70%
SiO2	28%
菲2O3.	57.5%
艾尔2O3.	4%
曹	2.5%
分别以	1.2%
菲3.O4	4%
年代	0.3%
水分	1.8%

方法

混合比例和样品制备

本研究根据BIS 10262标准设计了单参考混频器C1¹⁴作为普通混凝土。除参考混合料外，还制备了四种不同铜渣水泥替代水平(5%、10%、15%和20%)的混合料。混凝土配合比如表2所示。分别称量水泥、粗骨料、细骨料、铜渣、水的掺量。将水泥和铜渣混合干燥。细骨料以干燥的形式混合到这种混合物中。对粗骨料进行混合，使其在整个批料中分布均匀。将水加入混合物中，然后在适当的机械搅拌器中彻底混合3至4分钟。

表2:混凝土配合比

混合	CS ％	CS (公斤/米3.）	水泥 (公斤/米3.）	足总 (公斤/米3.）	CA (公斤/米3.）	水 (L / m3.）	W / B 比
C1	0	0	432	548	1167	186	0.43
C2	5	21．6	410.4	548	1167	186	0.43
C3	10	43.2	388.8	548	1167	186	0.43
C4	15	64.8	367.2	548	1167	186	0.43
C5	20.	86.4	345.6	548	1167	186	0.43

CS =铜渣，FA =细骨料，CA =粗骨料，W/B =水/粘结剂

测试过程

每种混合料的抗压强度和劈裂抗拉强度均由尺寸为150mm × 150mm × 150mm的立方体试件计算得到。每种混合料的抗弯强度由尺寸为150mm X 150mm X 700mm的棱镜试件计算。试件的抗压和抗弯强度按BIS 516进行测试¹⁵．试样的劈裂抗拉强度按BIS 5816进行测试¹⁶所有强度试验分别在养护7、28、90天后在万能试验机上进行。

XRD水化研究

用XRD研究了水泥的水化程度。利用XRD可以找出不同水化产物的衍射峰。从这些衍射峰可以观察到水泥的水化程度。衍射峰的强度与衍射角2θ(度)的关系。强度以每秒计数(cps)测量。对C1 (0% CS)、C3 (10% CS)和C5 (20% CS)共混物的胶凝粉样品进行X射线衍射试验。在混凝土试件的残余试件中采集28和90 d抗压强度试验后的胶凝粉样。不同样品的X射线衍射图记录在Panalytical X 'Pert PRO与布拉格-布伦塔诺几何。粉末样品装载在尺寸为2cm X 1.5 cm X 0.2 cm的铝制样品架上。测量范围为10.0066°~ 99.9846°，步进宽度为0.0130°。

结果与讨论

抗压强度

平均7分^th, 28岁^th和90年^th不同混合料的日抗压强度如表3所示，如图1所示。结果表明，由于CS的非胶凝特性，混凝土的7、28天抗压强度随CS掺量的增加而降低。少量的CaOin CS(表1)不具有任何胶凝性能。因此，CS不绑定混合;它分散了混合料，降低了混凝土的抗压强度。然而，混凝土的90天抗压强度随着混凝土中CS含量的增加而增加(图1)₂在CS(表1)中，初始化火山灰反应，增加抗压强度。当CS含量增加(20% CS)时，抗压强度从28.30 MPa增加到28 MPa^th日至47.93兆帕^th日(表3)^th当天，20%的CS最大抗压强度为47.93 MPa。值得注意的是，强度增加发生在28岁之后^th抗压强度测试结果表明，高达20%的CS显著替代波特兰水泥，并提供环境可持续的混合水泥。

表3混凝土抗压、抗弯、劈裂抗拉强度试验结果(MPa)

混合	(fc）7天	(fc）28天	(fc）90天	(fb）7天	(fb）28天	(fb）90天	(fct）7天	(fct）28天	(fct）90天
C1	30.85	43.01	46.09	4.27	5.10	5.48	3.67	4.59	4.71
C2	30.60	41.74	46.86	4.20	4.97	5.62	3.58	4.51	4.78
C3	28.98	40.37	47.13	4.11	4.89	5.83	3.51	4.48	4．81
C4	23.34	32.85	47.40	3.71	4．41	5.41	3.37	4.03	4.62
C5	18.50	28.30	47.93	3.21	4.09	4.79	3.03	3.75	4.53

f_c=抗压强度，f_b=抗弯强度，f_ct劈裂拉伸强度

图1:平均7th, 28岁th和90年th天抗压 不同混凝土混合料的强度 点击此处查看图

混凝土的弯曲和劈裂抗拉强度

平均7分^th, 28岁^th和90年^th不同混凝土配合比的日抗折强度见表3，图2所示。平均7分^th, 28岁^th和90年^th不同混凝土配合比的日劈裂抗拉强度见表3，如图3所示。结果表明:7^th和28^th混凝土的日弯抗拉强度和劈裂抗拉强度随混凝土中CS含量的增加而降低。然而，90年代^th随着混凝土中CS含量的增加，混凝土的日抗折强度和劈裂抗拉强度分别如图2和图3所示。在90年代^th当天，20%的CS的最大抗弯和劈裂抗拉强度分别为5.93 MPa和5.03 MPa。结果表明，抗折和劈裂抗拉强度试验结果与抗压强度试验结果具有一定的相关性。

图2:平均7th, 28岁th和90年th天弯曲 的力量不同的混凝土配合比 点击此处查看图

图3:平均7th, 28岁th和90年th天分裂 不同混凝土混合料的抗拉强度 点击此处查看图

XRD水化研究

对C1 (0% CS)、C3 (10% CS)、C5 (20% CS)胶凝粉样品进行XRD测试。胶凝粉的样品采集于28年后混凝土试件的残余物中^th和90年^th日抗压强度试验。XRD测试结果如图4 ~图9所示。所有混合物均由石英、波特兰石和阿利特在2θ尺度上的峰组成，如图4 ~ 9所示。而硅酸盐是水泥水化过程中的主要水化产物。所有混合料中硅酸盐的峰值代表水泥的水化程度。波特兰岩的主要峰位于18.1°和34.1°。portlandite的峰在18.1°处与alite的峰重叠。波特兰石在34.1°处的峰值是所有混合物波特兰石峰值中最高的。混合物C1在28^th日，图4为波特兰岩峰的最高强度。但是，C3和C5的混合物，在28^th与图5和图6中的混合C1相比，图5和图6中的混合C1的波特兰岩峰强度较低。混合物C3和c5中硅酸盐峰强度较低，说明由于CS的存在，水化速率较低。CS的非胶凝行为不利于水泥水化，降低了硅酸盐峰的强度。混合料C1、C3和C5在90℃时的XRD谱图^th日分别如图7、8、9所示。观察到，波特兰岩的强度在90时达到峰值^th与28岁相比，每天的时间要少得多^th一天在所有混合。波特兰岩峰的低强度表明CS的火山活动。CS的火山灰反应消耗了大量的硅酸盐，提高了混凝土的抗压强度。XRD测试结果与抗压强度测试结果吻合较好。

图4:混合物C1在28℃时的XRD图谱th一天 点击此处查看图

图5:混合物C3在28℃时的XRD图谱th一天 点击此处查看图

图6:混合物C5在28℃时的XRD谱图th一天 点击此处查看图

图7:混合物C1在90℃时的XRD图谱th一天 点击此处查看图

图8:混合物C3在90℃时的XRD图谱th一天 点击此处查看图

图9:混合物C5在90℃时的XRD谱图th一天 点击此处查看图

确认

作者感谢印度旁遮普省卢迪亚纳市旁遮普省农业大学土木工程系给予的支持和帮助。

参考文献

1. 鲁宾斯坦，m .《水泥工业排放》http://blogs.ei.columbia.edu/2012/05/09/emissions-from-the-cement-industry(Accessed, 2014年7月1日)。
2. Toutanji, H.， Delatte, N.， Aggoun, S.， Duval, R.和Danson, A.补充胶凝材料对短期固化混凝土抗压强度和耐久性的影响。水泥混凝土研究，34:311-319 (2004)
   CrossRef
3. Shi, C, Meyer, C, and Behnood, A.铜渣在水泥和混凝土中的应用。资源保护与回收，52:1115-1120 (2008)
   CrossRef
4. Narasimhan, t.e. Sterlite的铜渣废料找到了新的用途。http://www.businessstandard.com/article/companies/sterlite-s-copper-slag-waste-finds-new-uses-111041900105_1.html.(Accessed(2014年7月6日)
5. Tixier, R.， Devaguptapu, R.和Mobasher, B.铜渣对胶凝混合物水化和力学性能的影响。水泥混凝土研究，27(10):1569-1580 (1997)
   CrossRef
6. Arino, A. M.和Mobasher, B.研磨铜渣对胶凝料强度和韧性的影响。材料工程学报，1996 (1):68-73(1999)
7. Zain, m.f.m, Islam, m.n, Radin, s.s S，和Yap, s.g。安全处理铜渣的水泥基固化。水泥混凝土复合材料，26(7):845-851 (2004)
   CrossRef
8. 莫拉，W. A, gonalves, J. P.和利马，M. B. L.铜渣废料作为混凝土的补充胶凝材料。材料科学，42(7):2226-2230 (2007)
   CrossRef
9. Sanchez de Rojas, m.i, Rivera, J.， Frias, M.和Marin, F.使用再生铜渣混合水泥。化学工程学报，2009,31 (3):394 - 394 (2008)
   CrossRef
10. 国际清算银行8112。43级普通硅酸盐水泥规范。印度标准局，新德里(1989)
11. 国际清算银行2386。混凝土集料试验方法。印度标准局，新德里(1963年)
12. 国际清算银行383。混凝土用天然粗骨料和细骨料规范。印度标准局，新德里(1970年)
13. 国际清算银行4031。水硬性水泥物理试验方法。印度标准局，新德里(1988年)
14. 国际清算银行10262。混凝土配合比设计推荐指南。印度标准局，新德里(1982年)
15. 国际清算银行516。混凝土强度试验方法。印度标准局，新德里(1959年)
16. 国际清算银行5816。混凝土的劈裂抗拉强度。试验方法印度标准局，新德里(1999)