重金屬離子在硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物中的固化行為.pdf

1、近年來，水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾和危廢在國內(nèi)外得到了廣泛地關(guān)注。然而，廢棄物含有的一些有害重金屬會存留在水泥之中，在較為復(fù)雜的水泥水化過程中，重金屬會以離子形式與之發(fā)生相互作用，重金屬離子在水泥水化中的固化行為和機制需要進一步研究。針對以上問題，論文采用由簡到繁的思想，依次在如下三種體系中研究了重金屬離子 Cd2+、Cr3+和 Pb2+在硅酸鹽水泥水化體系中的固化行為。
　　采用兩種化學(xué)合成法制備了一系列 Cd2+、Cr3+和

2、Pb2+摻雜的 C-S-H凝膠樣品，利用XRD、IR、SEM-EDS和29Si NMR等多種微觀測試手段揭示了重金屬離子在反應(yīng)體系中的固化機理以及與 C-S-H的相互作用方式。在不同配比的樣品中，都有重金屬離子固化在 C-S-H中，其固化機理的差別在于較高鈣硅比和重金屬離子摻量的樣品，其原料的初始濃度達到重金屬鹽溶度積時，會產(chǎn)生相應(yīng)的重金屬鹽沉淀。此外，不同重金屬離子在 C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)中的固化形式也存在差異， Cd2+在 C-S-H

3、凝膠中的鈣氧層和層間結(jié)構(gòu)中都能取代 Ca2+，取代后，鈣氧層較層間結(jié)構(gòu)更強的收縮作用反而導(dǎo)致 C-S-H層間距增加，其取代率高達18％以上。考慮到電荷平衡， Cr3+在樣品中的取代方式為2Cr3+→Ca2++Si4+，該取代方式會對 C-S-H結(jié)構(gòu)造成更大的破壞，摻量較大時會出現(xiàn)無定形氧化硅，而 C-S-H的無定形和粒子細化程度大大增加， Cr3+在 Cr-C1.0-0.2樣品中的取代Ca2+和Si4+的取代率分別為8.98%和6.24

4、%。Pb2+主要固入C-S-H中的層間結(jié)構(gòu)中，并且可與 C-S-H鏈末端的硅氧四面體連接，其取代 C-S-H中的 Ca原子取代率也高達18%，并且使得 C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)更加無定形，摻量較高時也出現(xiàn)了無定形氧化硅相。
　　在C3S摻入重金屬離子的水化體系中，重金屬離子摻量由0增至3%（重金屬元素占 C3S的質(zhì)量比，下同）時，Cd2+和 Pb2+加速了 C3S的水化進程，而Cr3+在摻量小于1.5%時，加速C3S的水化進程，但當(dāng)其摻

5、量超過1.5%以后，尤其達到3%時，有CaCrO4·2H2O晶體相生成，消耗了溶液中大量的Ca2+、OH-和自由水，還有一部分能覆蓋于 C3S顆粒表面，使得 C3S的水化進程嚴重受阻，而所提出的C3S水化初期雙電子層模型能很好地解釋這些現(xiàn)象。對于摻入3%重金屬離子的C3S水化4d樣品，其中摻入3% Cr3+的C3S水化程度僅為23.92%，其他樣品水化程度都達到了60%。但由于水化期齡僅為4d，所有樣品的水化產(chǎn)物C-S-H的平均鏈長較短

6、，均不超過2.4，SEM-EDS結(jié)果表明Cd和Pb均勻地分布在水化產(chǎn)物中，而摻入3%Cr3+樣品中有CaCrO4·2H2O富集相生成。
　　另外，關(guān)于重金屬離子在 P·I型水泥/礦粉水化體系中的固化行為。在 P·I型水泥標(biāo)稠下，隨著 Cd2+、Cr3+的摻入，漿體凝結(jié)時間不斷縮短，而 Pb2+的摻入使得漿體的緩凝作用增強。在 P·I型水泥膠凝材料體系中，Pb2+的摻入盡管降低了早期強度，但后期28d強度增加，而在摻有礦粉的膠凝材料

7、體系中，Pb2+的摻入使早期和后期強度都有所減小，且該作用隨著礦粉摻量的增加而增強，這歸于礦粉和 Pb2+的共同緩凝作用，導(dǎo)致水化初期漿體易遭受碳化作用。無論在哪種膠凝材料體系中，Cd2+和 Cr3+的摻入都會降低漿體不同期齡的強度。對于 Cd2+和 Cr3+摻量為0.3%的漿體，隨著礦粉的摻入，早期強度有所下降，而28d強度在礦粉摻量為20%時出現(xiàn)了極大值，XRD和SEM結(jié)果證實了這是火山灰效應(yīng)優(yōu)化了漿體的結(jié)構(gòu)所致。采用統(tǒng)計的EDS點