Механистическое исследование влияния феррата калия и соломенной клетчатки на повышение прочности цемента

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7660 (2023) Цитировать эту статью

171 Доступ

Подробности о метриках

Высокое содержание органических веществ в осадке является основной причиной плохого затвердевающего эффекта и чрезмерной дозировки цементной основы. В этом исследовании феррат калия и соломенное волокно используются для синергетического усиления затвердевающего эффекта цемента и разработки механизмов прочности. Среди них был выбран феррат калия, способный окислять и растрескивать структуру органического вещества в осадках и расходовать часть органического вещества; соломенное волокно использовалось в качестве адсорбционного материала для поглощения части органического материала и уменьшения его влияния на реакцию гидратации цемента; скелетная функция соломенного волокна в затвердевшем иле использовалась для улучшения конечной прочности затвердевшего ила. Показано, что присутствие этих двух добавок существенно повышает прочность цемента при затвердевании и снижает влажность затвердевшего тела. Более того, содержание влаги и прочность подчинялись явной линейной зависимости (скорректированный R2 = 0,92), при этом прочность увеличивалась по мере уменьшения содержания влаги. После предварительной обработки ферратом калия содержание свободной воды в обезвоженном осадке увеличилось на 4,5%, что способствовало адекватной реакции гидратации с цементом. Анализ с использованием рентгеновской дифракции (XRD), сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (SEM/EDS) и ртутной интрузионной порометрии (MIP) показал синергизм феррата калия с волокнами соломы, способствуя образованию гемигидрата гипса и гисмондина. . Однако полугидрат гипса, карбонат кальция и гисмондин привели к структурному набуханию, что было подтверждено микроскопической морфологией и анализом структуры пор. Однако неблагоприятные эффекты, вызванные набуханием, компенсировались увеличением прочности, вызванным указанными выше кристаллическими веществами.

Шлам содержит высокое содержание влаги, высокую вязкость и высокое содержание органических веществ, а также плохие геотехнические свойства и токсичные и опасные отходы. В настоящее время 80% осадков в Китае еще не стабилизированы и не утилизированы безопасно и должным образом, что создает серьезную угрозу безопасности и давление на окружающую среду; таким образом, крайне важно решить проблему осадка.

Затвердевание осадка в качестве покрытия для свалок по-прежнему остается практическим методом утилизации благодаря своей простоте, экономической эффективности, высокому расходу и передовым технологиям. Обычно используемые связующие включают обычный портландцемент, известь, летучую золу, шлак и активированный оксид магния1,2,3. Обычный портландцемент (ОПЦ) признан лучшим отвердителем, поскольку он легко доступен, недорог и его легко добавлять во влажные отходы4. Несмотря на это, есть три основных недостатка при использовании OPC для затвердевания ила. Во-первых, производство цемента может иметь негативные последствия для окружающей среды, такие как усиление парникового эффекта, высокое потребление энергии и использование невозобновляемых ресурсов5,6,7. По статистике, на долю цементной промышленности приходится 6–7% мировых выбросов CO28,9. Во-вторых, затвердевший цементом ил часто имеет высокий уровень pH, что вредно для грунтовых вод и роста растений10,11. Наконец, реакция гидратации цемента легко нарушается органическими веществами в осадке7,12,13, что значительно снижает эффект отверждения и требует дополнительных дозировок цемента. Таким образом, жизнеспособная стратегия предполагает добавление небольших количеств вспомогательных добавок для регулирования дозировки цемента, минимизации воздействия органических веществ на реакцию гидратации цемента и повышения прочности затвердевшего шлама. В настоящее время вспомогательные добавки в основном изучаются с двух точек зрения: компенсация или предотвращение влияния органических веществ на гидратацию цемента и расход прямого окисления, а также крекинг структуры органических веществ в шламе для уменьшения взаимодействия. В этом направлении Чжэнь и др.13 обнаружили, что примесь небольшого количества новых кристаллов алюмината 12CaO·7Al2O3 противодействует вмешательству органического вещества и быстро формирует кристаллы, такие как эттрингит и кальцит, с продуктами гидратации цемента. В другой работе Чен и др.12 исследовали, что сульфат-алюминатный цемент также напрямую избегает вмешательства органических веществ, создавая почти такое же количество гелей оксида алюминия и алюмината кальция, что и контрольная группа. Однако сульфатно-алюминатный цемент более дорогой и часто используется в качестве добавки к силикатному цементу для повышения прочности затвердевшего шлама14. В исследовании Лей и др.7 с помощью рентгеновских дифракционных измерений было обнаружено, что добавление наносиликата способствует образованию дополнительного гидратированного силиката кальция, который противодействует ослабляющему влиянию органических веществ на прочность затвердевания цемента. Очевидно, что было проведено огромное количество исследований и разработок по противодействию реакции гидратации органических веществ на цементе. Кроме того, Sun15 и Li16 обнаружили, что использование перманганата калия и персульфата калия в качестве вяжущих добавок увеличивает эффект прочности затвердевания соответственно. Однако в обоих отчетах не проводилось углубленного изучения и анализа. Таким образом, остается еще много возможностей для дальнейших исследований в области окислительного потребления и растрескивания структуры органических веществ осадка с целью усиления эффекта цементирующего затвердевания. Феррат калия является специальным окислителем, который используется в исследованиях по обезвоживанию осадка17, уменьшению осадка18,19 и обеззараживанию сточных вод благодаря своим мощным окислительным, флокулирующим и экологически чистым свойствам20,21. Тем не менее, феррат калия редко исследовался из-за его потенциальной способности затвердевать осадка и повышать его прочность.