JournalofBinzhouUniversity2008年12月Dec.,2008粉煤灰地质聚合物的最优强度研究
吕江波,胡晓云,郑茂盛
(西北大学物理系,陕西西安710069)
摘 要:研究了粉煤灰地质聚合物的最佳配比及影响其强度的主要因素.利用正交实验法得出了粉煤灰地质聚合物抗折强度和抗压强度的最佳配比,并对其机理进行了分析.实验表明,球磨时间、防水剂、水灰比、加碱量、养护时间都对粉煤灰地质聚合物强度有重要影响,其中加碱量的影响最大.当球磨时间1h,防水剂含量为8%,水灰比为0.34,加碱量为6%,养护时间为4h时抗折强度达到最大;当球磨时间1h,防水剂含量为4%,水灰比为0.34,加碱量为10%,养护时间为24h时抗压强度达到最大.
关键词:粉煤灰地质聚合物;影响因素;最佳配比;机理分析 中图分类号:TU502+.6 文献标识码:A 文章编号:167322618(2008)0620045206
0 引 言
地质聚合物(Geopolymer)是由地球化学作用或地质合成作用而形成的矿物聚合物[1],是由硅氧四面体和铝氧四面体聚合的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体[2].地质聚合物的原料很多,如高炉水渣、钢渣、粉煤灰、煤矸石、废玻璃、各种炉渣等都是其原料.粉煤灰是燃煤电厂或其他燃煤设备排放的废弃物.目前,我国粉煤灰年排放量在1.6亿吨以上,存积量超过10亿吨[3].随着我国经济的持续发展,对煤的利用将持续增加,特别是电力、水泥制造等行业将产生大量的粉煤灰.粉煤灰的大量积压,不仅造成严重的环境污染,而且还占用大量土地,造成土地的严重浪费.此外,粉煤灰的后续管理也需要很大的支出.因此利用粉煤灰制备地质聚合物材料不仅有很好的经济效益,而且有很好的社会效益和环保效益.
目前,国内外对粉煤灰地质聚合物的研究时有报道[4,5],但对大掺量特别是粉煤灰掺量在80%以上地质聚合物的系统研究还比较少.本文用正交实验法比较系统地研究了不同因素对粉煤灰掺量在80%以上的地质聚合物性能的影响并得出优化方案.
1 原材料与实验方法
1.1 原材料
粉煤灰为西安热电厂的二级灰,其主要化学成分见表1,粒度分布见表2,图1为其XRD图谱.防水剂为硫铝酸钙型防水剂.1.2 实验方法
称取一定量粉磨好的粉煤灰和防水剂,放到水泥净浆机中搅拌均匀,倒入溶解好的一定浓度的Na2SiO3溶液并充分搅匀,然后将粉煤灰浆料倒入40mm×40mm×160mm的三联模中,在水泥胶砂振
实台上振实成型.将成型后的样品放到恒温水浴锅中养护一定时间,分别测试其7d、28d的抗折强度和
收稿日期:2008209202
),男,山东滨州人,在读硕士,主要从事粉煤灰地质聚合物材料研究.第一作者简介:吕江波(1982—
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抗压强度.测试方法参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》.
表1 西安热电厂二级粉煤灰的化学组成
SiO249.72
Al2O335.27
CaO5.20
Fe2O34.10
MgO0.95
TiO20.97
Li3.79
%
表2 GSL-1018激光颗粒分布测量仪测试结果
粒度分布/μm
<1.01.0～5.05.0～10.010.0～15.015.0～20.020.0～30.030.0～38.0
频率/%
1.35.97.36.96.511.78.1
累积/%
1.37.214.521.528.039.647.7粒度分布/μm
38.0～43.043.0～75.075.0～100.0100.0～150.0150.0～180.0180.0～200.0
>200.0频率/%
4.621.510.010.22.71.12.2
累积/%
52.373.883.793.996.697.8100.0
其中质量平均径D43=56.34μm,面积平均径D32=14.65μm,质量比表面积(计算值)为
177.49cm2/g,标准偏差(算术)为52.73μm.图1 西安热电厂二级粉煤灰的XRD图谱
2 实验数据及结论
2.1 正交实验因素及水平
影响粉煤灰地质聚合物强度的因素是多方面的,在前期实验研究的基础上,进行了四水平五因素的正交实验,获得了最优化的实验配比.各因素及水平见表3,实验结果见表4.
表3 L16(45)正交实验因素及水平
球磨时间A/h
水平1水平2水平3水平4
00.51.01.5
防水剂B/%
46810
水灰比C
0.400.360.380.34
Na2SiO3・9H2OD/%养护时间E/h
46810
481224
其中硅酸钠量以其中所含的Na2O质量算.
2.2 实验结果
由表4可以得出7d及28d的抗折强度和抗压强度的最佳配比,但考虑到28d的强度更能反映地
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质聚合物的长期性能,故以28d的配比为准.对抗折强度来说,最佳的实验配比为A3B3C4D2E1即球磨时间1h,防水剂含量为8%,水灰比为0.34,加碱量为6%,养护时间为4h.而对抗压强度来说,最佳的实验配比为A3B1C4D4E4即球磨时间1h,防水剂含量为4%,水灰比为0.34,加碱量为10%,养护时间为24h.可见,两者的配比相差较大,抗折强度大的样品抗压强度反而小,这与一般水泥混凝土抗折强度是抗压强度的1/10到1/6是不同的.因此,若要获得最大抗折强度,应选择A3B3C4D2E1的配比方案;若要获得最大抗压强度,应选择A2B1C4D4E4的配比方案;若统筹考虑抗折强度和抗压强度应折中上述方案.
表4 L16(45)正交实验数据
抗压强度/MPa
A
X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16K1K2K3K4RjK1K2K3K4Rj
B
C
D
E
抗折强度/MPa
7d1.93.92.43.92.11.93.05.34.02.85.33.06.11.94.12.3
28d1.84.13.94.22.12.13.86.14.25.38.74.16.22.44.63.4
7d4.122.533.548.345.038.512.922.052.243.324.410.128.55.632.935.3
28d7.427.626.252.258.443.419.934.755.537.347.615.554.18.137.554.5
111122223333444414.014.122.316.68.3113.4156.4160.9154.247.0
123412341234123414.313.921.017.87.1175.4116.4131.2156.959.0
123421433412214316.014.916.619.54.6152.9139.0124.5163.539.0
123434124321214312.125.1
123443212143341217.815.5
14. 716.328d抗折强度15.113.050.9164.0
17.42.3116.9157.5
176 .4139.228d抗压强度188.6138.7
166.350.4
为了验证结论的正确性,分别选择了做了A、B、C3组试样,其28d抗压强度及抗折强度如表5.其中A为球磨时间1h,防水剂含量为8%,水灰比为0.35,加碱量为6%,养护时间为4h的样品;B为球磨时
间1h,防水剂含量为8%,水灰比为0.35,硅酸纳量为9%,养护时间为24h的样品;C为球磨时间1h,防
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水剂含量为6%,水灰比为0.35,加碱量为8%,养护时间为4h的样品.图2是A组试样中的一条抗折强度曲线和B组试样中的一条抗压强度曲线.可见,优化后的粉煤灰地质聚合物强度优于普通波兰特水泥(标号为32.5)净浆体的强度,强度指标完全满足实际应用的要求.
表5 A、B、C3组试样试验结果
样品
ABC
抗折强度/MPa
8.03.36.2
抗压强度/MPa
35.264.840.1
A抗折强度曲线 B抗压强度曲线
图2 优化后的抗压强度和抗折强度曲线
3 各因素对实验材料性能影响及机理分析
3.1 球磨时间对材料性能的影响
从正交试验数据可以看出,球磨时间对抗折强度和抗压强度都有较显著的影响,但对28d抗折强度和28d抗压强度影响程度不同,对28d抗折强度的影响较28d抗压强度显著.这是因为粉煤灰经球磨后粒度降低,原来聚集在一起的颗粒被分散开来,同时有些薄弱微珠被破坏,比表面积增大,这样积聚在粉煤灰颗粒里的可溶性SiO2、Al2O3能够有效溶出,提高了粉煤灰的活性,容易在地质合物内部形成更为完善的网络结构,从而提高了其抗折强度及抗压强度.
粒度分析显示,当粉煤灰球磨1h时质量平均径D43由原来的56.34μm下降到14.46μm,而1.5h
时只下降到13.60μm,可见在相同粉磨情况下继续延长粉磨时间粒度的下降空间不大,同时,正交实验结果也显示当粉磨时间为1h时,其抗折强度和抗压强度都达到最佳,因此应当选用粉磨时间为1h的粉煤灰.
3.2 防水剂和水灰比对材料性能的影响
地质聚合物中加入硫铝酸钙型防水剂,经过一定的水化作用,能够生成三硫型水化硫铝酸钙(钙矾石)从而填充地质聚合物中的毛细管和裂缝,降低水的渗入,起到防水作用[6,7].实验结果显示,对28d抗折强度防水剂的最佳比例为8%,28d抗压强度防水剂的最佳比例为4%.在水泥混凝土中防水剂的掺入量一般为10%～12%,由于粉煤灰的流动性比较好,形成的地质聚合物结构相对密实,因此对防水剂的要求相对较低.当地质聚合物中掺入的防水剂过多时,会形成过量的钙矾石,从而产生体积膨胀,在聚合物内部形成破坏性的内应力,造成不利影响.
水灰比是影响地质聚合物强度和性能的重要因素.当掺入水过多时,多余的水由于没有参与化学反应而滞留在地质聚合物内部,随着时间的推移会在内部形成毛细管,多余水分会通过毛细管散发出来.大量毛细管的形成将对地质聚合物的强度造成不利影响,因此,水灰比越低越好.正交实验结果显示,28d抗
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折强度和28d抗压强度的最佳配比都是0.34,充分证明了这一结论.但在工程实践中水灰比的确定还要考虑粉煤灰凝胶体的和易性,在保证和易性良好的前提下应尽可能降低水灰比,以提高地质聚合物的性能.
3.3 加碱量对材料性能的影响
粉煤灰活性的获得主要靠碱激发来完成,因此加碱量是影响粉煤灰地质聚合物的最主要因素,这一结论在正交实验结果中可以明显看出.对加碱量进行差异性检验分析发现,在0.01水平下,加碱量对地质聚合物的强度呈极其显著的影响.粉煤灰地质聚合物的反应机理如下:硅铝酸盐中的非晶相在强碱作用下发
生溶解,形成富含硅、铝酸低聚体,如[Al(OH)4]-、[SiO(OH)3]2-、[SiO2(OH)2]2-等,这些低聚体进一步发生缩聚反应形成离子团,最终形成网状结构[8211].
因此碱激发是个定量反应的化学过程,合适的加碱量是保证材料强度的关键因素.加碱过少,不能有效激发粉煤灰的活性;加碱过多,富余的Na2SiO3会在养护过程中获得结晶水形成Na2SiO3・9H2O,对材料形成潜在威胁.虽然Na2SiO3・9H2O在早期可以起到黏合剂的作用,对粉煤灰地质聚合物的强度有所贡献,但成型以后,在长期干燥及温度较高的环境中Na2SiO3・9H2O会全部或部分失去结晶水,在材料内部形成不稳定结构,造成材料强度急剧衰减.特别是在水灰比很低的情况下,Na2SiO3・9H2O的形成会使材料内部收缩造成裂缝,虽然材料的局部抗压强度可能比较高,但整体抗折强度会大打折扣.正交实验结果中,28d抗压强度最佳加碱量是28d抗折强度最佳加碱量的1.67倍,证明了这一结论的正确性.因此,要保证粉煤灰地质聚合物有必要的强度和耐久性,必须对加碱量有合适的控制,一般应控制在10%以内,但不能低于6%.3.4 养护时间对材料性能的影响
粉煤灰地质聚合物的蒸养是在较高温度下进行的,这样可以增加SiO2、Al2O3的溶出度、更容易破坏硅铝玻璃体的网络结构,从而提高粉煤灰的活性,同时碱溶液在高温下碱性也可以得到增强,这样可以促进反应尽可能快和充分地进行.正交实验发现,抗折强度在养护4h时达到最大,而抗压强度在养护24h时达到最大.可见抗折强度与抗压强度的增强是不同步的,当养护时间超过4h时,抗折强度变化规律不很明显而抗压强度缓慢增加.因此为了获得较高的抗折强度,养护时间应以不超过4h为宜.由于在常温下碱激发反应也会缓慢进行,抗压强度也会随之缓慢提高,因此养护4h后的聚合物材料随着时间的推移其抗压强度仍会达到较高水平.另有研究发现[12],养护时间过长时,地质聚合物材料强度会下降,因此在保证粉煤灰地质聚合物强度的前提下,为了节省能源,养护时间应以4h为宜.
4 结 论
粉煤灰地质聚合物的抗折强度和抗压强度不是线性关系.当球磨时间1h,防水剂含量为8%,水灰比为0.34,加碱量为6%,养护时间为4h时抗折强度达到最大;当球磨时间1h,防水剂含量为4%,水灰比为0.34,加碱量为10%,养护时间为24h时抗压强度大到最大.在影响粉煤灰地质聚合物强度的众多因素中,加碱量为最主要的因素.加碱量对抗折强度和抗压强度的影响不同,当加碱量达到6%时,抗折强度最大,10%时抗压强度最大.球磨时间、养护时间对粉煤灰地质聚合物强度影响也较大,球磨时间为1h,养护时间4h时,其综合性能达到最佳.
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StudyontheOptimalIntensityofFlyAshGeopolymer
LVJiangΟbo,HUXiaoΟyun,ZHENGMaoΟsheng
(PhysicsDepartment,NorthwestUniversity,Xiπan710069,China)
Abstract:Thebestratioofflyashgeopolymerandthemainfactorsaffectingitsstrengtharestud2ied.Theorthogonalexperimentisusedtogetthebestratiothataffectingflyashgeopolymerπsstrengthandthenitsmechanismisanalyzed.Theexperimentshowsthatmillingtime,waterproofingagent,water
Οflyashratio,Na2SiO3・9H2Oandconservationtimeareallimportantfactorstoimpactonflyashgeopolymerstrength.Inallthefactors,Na2SiO3・9H2Oisthemostimportant.Whenmillingtimeis1h,waterproofingagentis8%,waterΟflyashratiois0.34,Na2SiO3・9H2Ois6%andconservationtimeis4h,thebendingstrengthreachesthegreatest.Whenmillingtimeis1h,waterproofingagentis4%,wa2terΟflyashratiois0.34,Na2SiO3・9H2Ois10%andconservationtimeis24h,thecompressivestrengthreachesthegreatest.
Keywords:flyashgeopolymer;affectingfactors;bestratio;mechanismanalysis
(责任编辑:贾晶晶)
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