改性粉煤灰的制作

改性粉煤灰的制作（精选9篇）

改性粉煤灰的制作 第1篇

1.1 本课题的研究背景

我国以燃煤为主, 由于燃煤机组的不断增加, 电厂规模的不断扩大, 导致了其排放量不断加大, 对环境造成污染。因此如何综合利用粉煤灰成为当今环境科学的重要研究课题。

1.2 造纸工业废水的污染现状

制浆造纸工业是国民经济的重要产业之一, 其对环境所造成的环境污染问题也日益突出。据联合国环境组织估计, 全世界造纸工业每年所排的废水超过274亿吨, 其中BOD5854万吨, SS为94万吨, 硫化物100万吨。

2 粉煤灰与黑液的分析

2.1 粉煤灰的化学性质及组成

粉煤灰属于火山类物质, 其主要成份[1]是Si, A12O3, Ca O, Fe2O3等, 同时还含有少量的其它物质。粉煤灰主要由非晶态的玻璃体 (占70%~80%) 和晶体矿物石英、莫来石等组成, 而且玻璃体中也含有大量的莫来石 (3A12O3·2Si O2) 。粉煤灰的主要成份硅、铝围绕颗粒呈一定规律分布。

2.2 黑液的成分分析及污染现状

黑液是蒸煮后纸浆分离出的残液。它几乎集中了制浆造纸过程90%的污染物, 每生产1t纸浆约排除黑液10t。属强碱性有机残液。含有碱木素、半纤维素等有机物和硅酸钠、氧化钠等无机钠盐。直接拍入水体污染极为严重。

2.3 黑液治理存在的问题

在我国, 主要以麦草作为制浆的主要原料, 在技术推广应用中, 还存在造纸废水处理技术存在成本高的问题, 因此开发一种降解效率高, 成本低的造纸废水治理技术具有很大的现实意义。本实验采用了改性的粉煤灰处理造纸黑液。

3 实验过程与数据处理

3.1 改性方法

3.1.1 火法改性

改性粉煤灰经试验确定参数为:煅烧温度为850℃, 煅烧时间为2h;粉煤灰与助溶剂 (Na2CO3) 的重量比为10:17;氢氧化钠的浓度为3M, 固液比为1:10;老化时间为2h, 温度为55℃;晶化时间为5h, 温度为100℃;活化温度为500℃, 时间为1h。制得1号改性粉煤灰。

3.1.2 湿法改性

将100g粉煤灰、和8g Na C1置于500m L烧杯中, 加200m L1mol/L的H2SO4, 缓慢加热1.5h。粉煤灰经酸处理后, 其表面和微孔内变得更加粗糙, 具有物理吸附和化学混凝的双重作用。制得2号改性粉煤灰。

3.1.3 Ca O做改性剂

把100g粉煤灰放入坩埚中, 加入10g Ca O搅拌均匀, 放入马弗炉里, 温度100o C加热2小时。取出, 洗涤。制得3号改性粉煤灰。分别把1、2、3号和未改性的粉煤灰各100g放入500ml的烧杯中, 把改性后的1, 2, 3号粉煤灰进行洗涤至中性, 然后在四个样品中各加入200ml黑液废水, 在搅拌器下搅拌90min后取出。静止20h, 测其COD值和色度。根据实验结果选定采用湿法改性为改性方法。

3.2 改性酸溶液种类的确定

分别配制浓度为1M, 2M, 3M的H2SO4和HCl。分别取100g粉煤灰放入500ml烧杯中, 各加入8g Na Cl, 在分别加入不同浓度的酸溶液, 然后在六联电炉上加热2h。取下, 冷却, 洗涤至中性, 干燥后各加入100ml黑液废水搅拌90min后取下静止20h.测COD值和色度。经实验得出采用1M的盐酸与1M的硫酸。

3.3 改性酸溶液浓度的确定

把盐酸与硫酸按不同的比例 (1:1, 1:2, 1:3, 2:1, 3:1) 混合, 制得不同种类的酸溶液。分别取100g粉煤灰放入500ml烧杯中, 各加入8g Na Cl, 在分别加入不同浓度配比的酸溶液, 然后在六联电炉上加热2h。取下, 冷却, 洗涤至中性, 干燥后各加入200ml黑液废水搅拌90min后取下静止20h.测COD值和色度。经实验得出采用盐酸与硫酸的浓度比1:1的酸溶液。

3.4 改性粉煤灰用量的确定

在100 m L黑液废水中加入15, 20, 25, 30, 40, 50 g改性粉煤灰, 在搅拌器下搅拌90min后取出。静止20h, 测其COD值和色度。经过实验得出改性粉煤灰用量为25g时, COD的去除率均达56%以上, 继续增加改性粉煤灰用量, COD去除率增加不明显, 考虑本实验粉煤灰用量较大, 故选定改性粉煤用量为50克。

3.5 改性温度的确定

把6份原状粉煤灰依次放人马弗炉中匀速升温, 升温终点温度分别为100℃、200℃、300℃、400℃500℃、600℃、750℃, 90分钟后取出冷却, 将样品倒入6个500ml烧杯中, 各加入200ml黑液废水, 在搅拌器下搅拌90min后取出。静止20h, 测其COD值和色度。

通过实验:随着活化温度升高粉煤灰的吸附率逐渐增大。温度达300℃。COD去除率最高, 为68.11%。因此确定活化温度为300℃。

4 结语

4.1 实验的结论

本实验所用的改性方法是经不同的方法在不同的条件下, 通过比较获得最佳的实验方法。即用湿法改性, 以盐酸与硫酸浓度比为1:1的混合酸作为改性剂来改性粉煤灰, 改性后的粉煤灰处理造纸黑液的COD和色度值较改性前分别提高了40.64%, 36.8%。因而得出粉煤灰处理造纸废水的最佳实验条件为:改性方法为湿法改性, 改性剂是浓度比为1:1的盐酸与硫酸的混合酸, 改性温度300℃, 改性粉煤灰的用量50g/100m L。

4.2 研究重点

在今后的工作中, 我们要加强改性粉煤灰处理废水的基础理论研究, 并重视净化后废渣的处理问题。在此基础上加强粉煤灰的活化和改性研究, 提高其吸附容量。促进粉煤灰在废水处理领域的推广和应用。

参考文献

[1]周慧, 赵宗升.粉煤灰方法在处理造纸废水中的应用[J]山西建筑, 2007, 33 (2) :193-194.

[2]于晓彩, 王恩德, 王武名.改性粉煤灰处理造纸废水的研究[J]东北大学学报 (自然科学版) 2003, 24 (8) :814-816.

粉煤灰表面改性技术的研究与应用 第2篇

粉煤灰表面改性技术的研究与应用

粉煤灰常用改性方法为酸溶法、碱溶法和表面改性法.前2种改性法的.研究国内外均比较成熟,而对表面改性技术的研究相对比较少.本课题主要是对粉煤灰进行表面改性,采用的改性剂为表面活性剂吸附改性剂、高分子聚合改性剂和偶联反应改性剂,改性工艺为火法和湿法.

作 者：张慧弟 张秀玲 ZHANG Hui-di ZHANG Xiu-ling 作者单位：河北理工大学,河北,唐山,063009刊 名：化工技术与开发英文刊名：TECHNOLOGY & DEVELOPMENT OF CHEMICAL INDUSTRY年，卷(期)：36(9)分类号：X773 TQ172.44关键词：粉煤灰 表面改性技术 活性剂 高分子 偶联剂

粉煤灰改性实验研究 第3篇

关键词：粉煤灰,改性,粉煤灰综合利用

粉煤灰开发利用是固体废弃物处理的一个主要方面,开发利用好粉煤灰,不仅能够有效解决环境污染问题,而且能够变废为宝,为我国经济发展提供一个新的增长点[1]。为使粉煤灰变废为宝,必须对粉煤灰进行改性,为此国内外做过大量的研究,从结构因素的角度考虑,用于激发粉煤灰早期活性的激发剂需要满足以下条件:破坏表面的双层保护层;直接将粉煤灰玻璃体网络聚集体解聚[2]。碱性物质作用下火山灰吸收反应分2个阶段进行:第1阶段主要是粉煤灰中具有不饱和键的硅酸根和铝酸根快速反应;第2阶段部分网络状玻璃体结构解体,并生成水化硅酸钙和水化硅酸铝等胶凝性产物[3]。Na+和K+等阳离子对提高玻璃体的反应活性有一定的作用,促使网络解聚[4]。本研究通过水热活化对粉煤灰的改性进行探究,阐述在改性中一些趋势现象,对改性结果的分析,同时对影响粉煤灰改性的条件进行筛选和最优组合的确定。

1 粉煤灰改性实验

1.1 实验试剂

(1)原料:粉煤灰(国标二级粉煤灰,成分及粒度分布见表1和表2);

(2)改性剂:A1+B1,A2+B2;

(3)激活剂:J,S;

(4)溶剂:自来水。

2.2 仪器

增力搅拌器;恒温控制器;干燥器;分样筛(150目筛网一个);台秤;电子天平;恒温水浴箱;温度计(100 ℃);2 000 mL 烧杯若干个;真空烘干箱一套;研钵。

2.3 实验流程

实验工艺流程如图1。

2.4 正交实验设计

影响粉煤灰改性的条件很多,在对粉煤灰改性机理一定了解的基础上,使用相应组别对粉煤灰作改性处理,并通过测定产品的抗压强度和8 h吸水率对粉煤灰改性性能进行测评,找出影响改性粉煤灰的主要因素,并进行分析,并寻求最佳配方。本研究选取了4因素,3水平作为正交设计实验分析的基本参数,实验设计见表3、表4。

3 实验结果与分析

3.1 正交结果分析

对正交实验测试指标即吸水率和抗压强度进行极差分析,极差越大,说明该因素在实验中水平变化对指标影响越大。分析结果见表5、表6。

续表

表5列出了以A1+B1为改性剂正交结果表,从表5中关于吸水率的正交分析可以可以看出因素a的极差最大,既是改性剂A1的用量是影响产品效果的关键因素,改性剂B1是重要的因素。其他的因素为一般因素,选择产生指标较好(吸水率低)的即可。通过上述极差分析,可以看出因素的主次关系为:改性剂A1>改性剂B1>激活剂S>激活剂J。从其中的kjm来比较相同因素的优水平的判定,其中kjm越小在整个体系最优。由相互对比可以得出a3b1c3d3的组合是最好,这样组合的改性粉煤灰的吸水率是最低的,这样的改性粉煤灰做防水涂料最好。

从表5中关于强度的正交分析可以看出因素d的极差最大,激活剂S的用量是影响产品改性效果的关键因素,因素b改性剂B1是重要的因素。其他因素的主次关系为一般因素,在实际的工艺中只要选择对应指标最好(抗压强度最大)的即可。通过上述极差分析,可以看出因素的主次关系为:激活剂S >改性剂B1>改性剂A1>激活剂J。从表5中的kjm来比较相同因素的优水平的判定,在这个体系中kjm越大,在体系就是越优的因素水平。相互对比可以看出d1b1a2c3。这样组合出来的改性条件最后出来的改性粉煤灰的抗压强度是最高的。

表6列出了以A2+B2为改性剂正交结果表,从表6中关于吸水率的正交分析可以看出因素e的极差是最大的。既是改性剂A2的用量是影响产品改性效果的关键因素,因素f是重要因素,其他因素在整个体系中为一般因素,在实际的工艺中只要选择对应指标(吸水率最低)最好的即可。经过上述的极差分析得出结论:改性剂A2>改性剂B2>激活剂S>激活剂J。其中的kjm来比较相同因素的优水平的判定,其中kjm越小在整个体系最优。由相互对比可以得出e3f1h1g2的组合是最好的,这样的组合出来的改性粉煤灰的吸水率是最低的,这样的改性粉煤灰做防水涂料最好。

从表6中关于抗压强度的正交分析可以看出因素f的极差最大,既是改性剂B2的用量是影响产品改性效果的关键因素,因素h是重要因素。其他因素均为一般因素,在实际工艺过程中只要选择产生对应指标最好(抗压强度最高)的即可。经过上述极差分析可以得出结论:改性剂B2>激活剂S>改性剂A2>激活剂J。从其中的kjm来比较相同因素的优水平的判定,其中kjm越大在整个体系最优。由相互对比可以得出f1h2e1g2的组合是最好的,这样组合出来的改性条件最后出来的改性粉煤灰对应制作的试样的抗压强度是最高的。

3.2 结果分析对比

从表5和表6的各各因素的关键程度上对比,就A1+B1组合从吸水率的角度而言,因素的主次关系为:改性剂A1>改性剂B1>激活剂S>激活剂J。从抗压强度而言,激活剂S>改性剂B1>改性剂A1>激活剂J。可以看出既是同一个组别针对不同的检测指标,影响结果的主次因素也是不一样的。对于A2+B2而言亦是如此。但在两组相互对比,只是针对吸水率时,两个组别的影响因素的主次关系是一致的:均是控制体系的碱性物质和钙的含量为主要因素。对于抗压强度,在两个组别中,主次影响因素不一样。在实验方案拟定的参数下,我们满足的条件是A1+B1组合和A2+B2组合中的Ca2+和Na+的参入量一样。直观的从上两图可以看出A1+B1组合改性的粉煤灰的吸水率明显整体上都比A2+B2组合都高,这就说明A1+B1组合的通孔率和孔隙率比A2+B2组合的高。从另一个方面,试样的抗压强度。抗压强度和吸水率表现的完全相反的趋势,既是A1+B1组合的改性粉煤灰抗压强度整体都比相同参数下A2+B2组合改性粉煤灰的抗压强度要高。这就说明A1+B1组合的粉煤灰所做的试样的实体单位体积的强度要高。综上两个结论可以看出A1+B1组合改性粉煤灰,在发生水化生成凝胶时,生成的量和质量都要比A2+B2组合的要高。同时因为经济因素,在实际生产中我们都用的是A1+B1的组合。综上所有的因素我们确定的改性剂一般都是A1和B1。

4 结 论

实验采用湿法对粉煤灰进行改性,通过正交实验,研究了改性剂和激活剂对A1+B1组合活化体系与A2+B2组合活化体系的活化效果的影响,且在实验过程中使用8 h吸水率、48 h透水率和抗压强度来评价材料性能,得到以下主要结论:

(1)从改性材料对应的两个指标吸水率和抗压强度相互对比之下,改性剂A1+改性剂B1的组合对粉煤灰的活化效果最好。

(2)从正交实验分析得到改性剂B对粉煤灰改性起至关重要的作用。

(3)针对吸水率而言,改性剂A是关键因素,改性剂B重要因素。改性剂A添加的量为6,改性剂B添加的量为2。

参考文献

[1]张金山,刘烨,王林敏.我国粉煤灰综合利用现状浅析[J].西部探矿工程2008(9):215-216.

[2]岳洪滔.低等级粉煤灰活性激发及其机理研究[D].南华大学硕士学位论文,2006.

[3]曹红红,匡建新,颜国平.激发剂作用下粉煤灰火山灰反应特征的研究[J].粉煤灰综合利用,1997(2):28-32.

[4]王智,郑洪伟,钱觉时,等.硫酸盐对粉煤灰活性激发的比较[J].粉煤灰综合利用,1999(3):15-18.

[5]柯国军,杨晓峰.化学激发粉煤灰活性机理研究进展[J].煤炭学报,2005,30(3):366-369.

[6]Lea F M.Cement and concrete chemistry[M].London:Edward Arnold,1970.

改性粉煤灰的制作 第4篇

改性粉煤灰吸附废水中氨氮的试验研究

摘要：粉煤灰具有多孔性,比表面积大,但只有经过改性的粉煤灰才具有很好的吸附性能.本文分别用盐酸、氢氧化钠、氯化钠和碳酸钠等改性剂来改性粉煤灰,通过改性粉煤灰吸附废水中氨氮的试验研究来寻找一种理想的`粉煤灰改性方法.结果表明:在这4种改性剂中,改性效果依次为:氢氧化钠>碳酸钠>氯化钠>盐酸;氢氧化钠改性粉煤灰的去除率可达到46.55%,实验最佳条件为氢氧化钠浓度5 mol/L,85℃恒温,搅拌4 h.作 者：王春蓉    牛海山  作者单位：辽宁石油化工大学,辽宁,抚顺,113001 期 刊：粉煤灰综合利用  ISTIC  Journal：FLY ASH COMPREHENSIVE UTILIZATION 年，卷(期)：, “”(5) 分类号：X786 关键词：粉煤灰    改性    氨氮去除率    吸附   

改性粉煤灰的制作 第5篇

关键词：粉煤灰,超细颗粒,改性特征

煤能源自身非挥发残渣的形成过程比较复杂, 并且伴随一定的危害效果, 对于城市中心的生态清洁空间改造和人民的生命健康安全素质产生一定的破坏。因此, 需要结合现代细微处理技术进行生产环节的全面改造, 争取残渣物质的再次利用, 减少对生态环境的重复性破坏, 争取达到“以废治废”的目的。

一、粉煤灰介绍

1. 粉煤灰的结构

粉煤灰的结构是在粉煤灰燃烧和排除过程中形成的, 比较复杂。在显微镜下观察, 粉煤灰是结晶体、玻璃体及少量未燃碳组成的复合结构的混合体。粉煤灰比表面积大、多孔, 具有很好的吸附性和沉降作用, 能够吸附污水中悬浮物、脱除有色物质、降低色度、吸附并除去污水中的耗氧物质, 而具有较好的除氟能力。

2. 实验中粉煤灰的处理原理

根据物料颗粒粉碎后的断裂层面素质和带电结构单元进行综合比对, 在相对不够稳定的高能状态影响下, 具体维持颗粒物体的活力要素, 增强表面结构的主导吸附水准。凭借超细磨处理后的矿物表面的不饱和现象和残余电荷的活力分布效应, 其主要机理是如何促进离子间交换能力。

根据过往试验资料进行分析, 经过磨细处理后的超细粉煤灰的表面结构存在很多的孔道, 破碎面的断键效应和不饱和键数量暴增, 已经逐渐超过煤炭表面积的实体标准, 伴随的孔隙数量增加效应也十分明显, 整体素材的活力性质瞬间增强。实际上, 超细粉煤灰中的微珠分散显性特征比较清晰, 较大的玻璃体物质被处理成细屑之后, 薄壁空心位置的颗粒被挤破, 外露分散现象十分显著, 造成新表面位置活性因素的积聚, 在进行物质结构的超细磨处理环节中可以有效补充其必要的吸附技术标准。

二、改性粉煤灰对燃煤排放的超细颗粒的作用

1. 超细颗粒

超细颗粒一旦出现蔓延就会造成严重的生态环境危机, 尤其是现在对于我国影响最大的就是PM2.5颗粒。这些细颗粒物能较长时间悬浮于空气中, 其在空气中含量越高, 就代表空气污染越严重。与一些较粗的大气颗粒物相比, PM2.5粒径小、比表面积大、活性强, 易附带有毒、有害物质, 且在大气中的停留时间长、输送距离远, 因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

2. 粉煤灰对超细颗粒的作用原理

突破传统排放物的综合控制机制内涵, 联合脱除技术实现设备改造, 由于细微颗粒的微观特性和复杂分布效果, 利用科学的系统分析手段对试验仪器等进行精度标准规划[2]。燃烧过程中焦炭颗粒的破碎机理与其本身的空隙结构有着千丝万缕的联系, 这种结构极易引起焦炭破碎的现象。通过气化作用下焦炭边界的区域反应规律分析, 掌握颗粒混合格局的形成机理, 因为燃煤活动中痕量元素的排放与在煤结构中的存在形式有着十分重要的联系, 根据煤中有机成分的分布情况进行分析, 硫化物在与紧密的痕量元素进行结合蒸发之后, 由于冷却作用被吸附到细微粒子上, 根据这种富集现象进行必要数据信息统计分析, 保证飞灰颗粒粒径在减少变化的前提下, 利用某种富集效果实现整改措施的补充。根据现实中的静态吸附试验手段进行整体反应时间和温度的调整, 争取对粉煤灰特定结构下的超细颗粒改造, 能够促进内部再生条件和超声模拟配备的有力适应条件得到改善, 强化空气质量改善效益。

三、改性粉煤灰对燃煤排放的超细颗粒的作用效果

改性粉煤灰配合吸附剂在各类工业废气处理应用环节中有着必要的支持效用, 目前主要广泛应用在重金属离子、芳香族化合物和脱磷、除臭等工作中, 其拥有素材价格合理、适用范围较广等优势。

在实验中, 利用某热电厂进行粉煤灰素材的选取, 结合磷酸、硫酸等重要试验原料, 配合离心分离机、PH计数设备、电子天平等精准仪器进行试验。主要采用行星球磨制手段进行煤灰材质处理, 配合高速振动的撞击效果进行研磨和搅拌环节搭配, 保证粉煤灰能达到纳米级的制备效果, 使其成为超细粉煤灰。并将其通过目前主要的改性手段 (酸改性、碱改性、高温活化处理等) 对粉煤灰进行改性, 在处理时要注意温度和p H值的变化。

利用改性后的粉煤灰进行吸附气体的实验发现, 超细粉煤灰的平衡吸收效果大于原粉煤灰的效果, 在同种温度下, 伴随实验浓度的增加, 吸附量比重按照正比变化, 并趋向于饱和的状态。在相同浓度状态下, 面对温度逐渐升高的条件, 试验物质的吸附量逐渐缩小, 证明整个吸附过程是一个放热性质的反应过程[1]。根据试验记录数据进行确认, 粉煤灰经过超细处理后的单层结构饱和吸附容量效果已经超过原粉煤灰的实际数量, 这说明超细处理手段的确提高了粉煤灰的吸附水平[2]。

当然粉煤灰的改性还是不完全的, 因为实验还没有彻底的解决利用粉煤灰吸附超细颗粒的问题。但是这个实验, 对于解决实际工业生产中排放的燃煤超细颗粒的清洁有一定的参考价值, 希望通过日后的研究能够使这种改性后的超细粉煤灰应用在处理煤炭燃烧后的超细颗粒上, 真正地降低超细颗粒对空气的污染。

四、总结

这种改性粉煤灰的设计手段, 对于实际煤炭燃烧的处理将有着十分重要的利用价值, 可以有效避免粉尘的大量释放, 降低环境污染效应, 满足能量控制利用效果的有效提升要求, 对于国家后期可持续发展战略绩效的维持有着很高的利用价值, 能够维持可持续发展战略价值和生态安全防护工作的双重效益。

参考文献

[1]谢永杰.改性粉煤灰处理炼厂废水研究[J].硅谷, 2011, 18 (15) .

改性粉煤灰的制作 第6篇

关键词：改性粉煤灰,苯酚废水,吸附

1 粉煤灰的性质

粉煤灰的主要成分为为硅、铝和镁的氧化物, 其中二氧化硅、氧化铝及氧化铁总量约占粉煤灰的85%左右。粉煤灰的品质主要取决于粒径、形貌不一的各种颗粒成分的组合比例。常温下粉煤灰是一种性质稳定的材料。在一般情况下, 粉煤灰中的氧化钙或硫酸钙的含量越高, 其凝固作用越大, 高钙灰的自硬度很高。在水的作用下, 粉煤灰颗粒不会发生溶解和软化现象。

2 粉煤灰在废水处理中的应用

2.1 粉煤灰处理废水的机理

从粉煤灰的理化性质来看, 粉煤灰去除废水中的有害物质主要是通过吸附, 也有一定的絮凝沉淀和过滤作用。吸附包括物理吸附和化学吸附。物理吸附效果取决于粉煤灰的多孔性及比表面积, 比表面积越大, 吸附效果越好。化学吸附主要是由于其表面具有大量Si、Al等活性点, 能与吸附质通过化学键发生结合。在酸性条件下, 阴离子可与粉煤灰中次生的带正电的硅酸铝、硅酸钙和硅酸铁之间形成离子交换或离子对的吸附。

2.2 粉煤灰吸附规律

粉煤灰与吸附质之间的物理吸附符合Freundlich吸附等温式, 即1gqe=1gkf+1/nlgc。

2.3 影响粉煤灰吸附性能的主要因素

温度、颗粒粒度、溶液pH值、吸附质的性质、灰水比。

2.4 小结

随着人们对粉煤灰的性质特点认识的深化, 粉煤灰在废水处理中的应用领域越来越广, 粉煤灰的应用正在从低层次向高层次转变。为此, 我们针对粉煤灰在处理含酚废水中利用, 对其吸附特性进行了实验研究。

3 利用粉煤灰的吸附特性处理含酚废水

3.1 分析方法

酚类的分析方法报道较多, 应用最广的是4—氨基安替比林直接比色法。

3.2 实验药品与仪器

(1) 药品和试剂:苯酚;盐酸;4—氨基安替比林;氯化铵;酚标准液;改性粉煤灰;去离子水。 (2) 仪器:分光光度计722S;WG-71型电热鼓风干燥箱;HS-25型酸度计;PF-1型氟电极;232型饱和甘汞电极;电子天平;锥形瓶;容量瓶;试剂瓶等。

3.3 实验方法

在带塞的锥形瓶中加入一定浓度的含苯酚水样和1g改性粉煤灰, 置于康氏振荡仪上, 振荡一定时间后, 离心沉降分离, 取上清液分析苯酚浓度。

3.4 实验结果和分析

(1) 吸光度与浓度、标准曲线的求取。

吸取0, 0.5, 1.00, 3.00, 5.00, 7.00, 1000, 12.50mL的酚标准中间液分别置于50ml的容量瓶中, 然后分别加入0.5mL缓冲溶液, 加1.0mL4—氨基安替比林, 再加1.0mL铁氰化钾, 用水稀释至50ml, 混匀。用2cm石英池。在λ=510nm测定其吸光度。将所得吸光度值和浓度值, 经直线回归后, 绘制标准曲线 (图1) 。

(2) 吸附速率。

改性粉煤灰对苯酚的吸附速率曲线见图。

实验结果表明, 改性粉煤灰吸附水中苯酚吸附的速度很快, 在10min左右基本达到平衡。由于改性粉煤灰吸附苯酚后, 不需再生就可以直接二次利用。在以后的吸附实验中用30min作为吸附平衡时间 (图2) 。

(3) 吸附等温线。

苯酚标准溶液配成浓度各为60mg/L、50mg/L、40mg/L、20mg/L、10mg/L的试样5份, 各加入1g改性粉煤灰, 振荡30min, 用改性粉煤灰对苯酚进行吸附, 达吸附平衡时按照紫外分光光度法分别测得苯酚的平衡质量浓度并计算相应的吸附量, 得苯酚的吸附等温线见图3。对粉煤灰—苯酚系统的静态等温吸附数据用不同的吸附模型进行线性回归。

结果表明:粉煤灰对苯酚的吸附是物理吸附, 等温吸附方程能很好的符合Freundlich吸附等温式, 即:lgqe=lgkf+1nlg Ce其中:qe为平衡吸附量, Ce为平衡浓度, kf, 1n为经验常数。同一温度下, 不同污染物的kf, 1n各不相同, 由实验确定。

(4) 改性粉煤灰和原粉煤灰对苯酚吸附特性的比较在其他条件相同时, 测定比较了原粉煤灰和改性粉煤灰对苯酚吸附性能的差异见图4。

由结果知, 在相同条件下, 改性粉煤灰对苯酚的吸附量要大于原粉煤灰。这可能是由于通过改性, 改善了粉煤灰表面特性, 增大比表面积;而且在浓盐酸的作用下, 可使在孔隙中的金属氧化物形成离子, 经蒸馏水清洗及抽滤后, 随滤液流, 使粉煤灰孔隙疏松, 比表面积和孔径增大。

(5) 改性粉煤灰和活性炭对苯酚吸附特性的比较分别用1g改性粉煤灰, 0.02g活性炭作为吸附剂, 吸附平衡时测得苯酚的平衡质量浓度并计算相应的吸附去除率, 比较结果如图5示。

由结果可知, 活性炭对苯酚的吸附去除率稍好于改性粉煤灰, 但由于活性炭不仅价格远高于改性粉煤灰, 而且再生复杂;而改性粉煤灰属于废物再利用, 几乎是属于零成本, 吸附后不用再生, 即可进行烧砖再利用;因此, 利用改性粉煤灰处理含酚废水有广阔的市场前景。

3.5 实验应注意事项

(1) 减少人为的误差, 必须是同一个操作员用同一种粉煤灰样本对上清液吸广度测定过程重复三次。 (2) 粉煤灰的湿度可以很大程度上影响测量的精确度.在任何测量之前飞灰样本都被干燥过。

3.6 结论

本文研究了改性粉煤灰模拟处理苯酚废水。在实验浓度范围内, 其静态等温吸附符合Freundlich吸附等温式, 即:lgqe=lgkf+1nlgCe等温方程, 吸附过程具有较快的动力学速率, 而且在酸性条件下, 改性粉煤灰对苯酚的吸附量较大。粉煤灰来源丰富且属于废物再利用, 作为吸附剂不用再生可直接二次利用。因此, 用粉煤灰作为吸附剂将有可观的应用前景。

通过以上的实验和分析讨论得出以下结论: (1) 粉煤灰由活性Al2O3、SiO2和未燃尽碳等组成, 为一多孔物质, 比表面积较大, 具有较强的吸附活性。 (2) 该法处理苯酚废水工艺简单、操作方便、不仅处理效果好且费用特别低。 (3) 由于粉煤灰来源广泛, 成本低廉, 易于推广, 是一个以废治废的好项目。

4 结语

本实验是在实验室里进行的, 有些技术已应用于工业实践, 如应用于中小型化工企业和污水处理厂治理含酚废水还存在很多问题: (1) 粉煤灰与废水反应池的设计问题, 需要考虑搅拌速率。 (2) 混合液的分离问题, 怎样把改性粉煤灰从废水中过滤出来, 工业中很难实现。 (3) 如何提高粉煤灰吸附容量的问题。限制了粉煤灰在废水处理中的应用。

改性粉煤灰的制作 第7篇

波特兰水泥混凝土由于原材料易得、易于施工和适用面广而成为当今应用最为广泛的建筑材料, 其在结构工程、道路工程中的应用大大推进了经济发展和人类社会的进步。然而, 大量波特兰水泥的生产给环境造成的污染日益突出, 而且它在应用中, 当所处环境恶劣时, 易于腐蚀而性能降低。因此, 近年来一种新型胶凝材料——MPC (magnesiumphosphatecement) 作为一种可持续发展的胶凝材料被提出并开展研究。1970年, 人们开始将MPC作为结构材料进行研究和应用, 其中美国Brookhaven国家实验室在这方面进行了大量的基础和应用研究[1,2,3]。20世纪90年代开始, 我国的重庆建筑大学、武汉理工大学和同济大学等院校对MPC的水化机理、性能改善和作为快速修补材料应用做了一定程度的研究和探讨[4,5,6]。

磷酸镁水泥 (MPC) 是由过烧氧化镁和磷酸或酸式磷酸盐及调凝材料按一定比例配制而成, 其与水混合后发生反应, 得到具有高度结晶结构的材料, 因而又被称为“化学结合磷酸镁陶瓷”。它硬化反应机理与传统的波特兰水泥水化过程不同, 它是利用氧化镁与可溶性磷酸盐之间的酸碱中和反应产物胶结未反应的氧化镁颗粒与其他填料, 形成材料结构和强度。由于该反应迅速并放出大量的热, 通常在几分钟内就发生快速凝结, 半小时内就产生了一定的强度, 具有快凝快硬、高早期强度、高粘接强度、干缩变形小等的特点。非常适用于高速公路、机场跑道和市政主干道的快速修补, 在军事工程的抢修抢建及有害物质的固化方面也有着广阔的应用前景。但MPC工程应用中存在着以下几方面的问题: (1) 凝结硬化时间过快, 无法满足施工要求; (2) 成本高, 几乎是水泥价格的2~3倍; (3) ) 耐水性较差, 在水环境下出现强度倒缩现象。由于这种种原因, 限制了MPC的推广应用。国内许多的学者也开展了相关的研究, 通过对MPC的改性来改善它的凝结时间、流动度、强度、耐磨性等性能, 以满足施工的要求。

本文根据工程施工的特点, 掺入粉煤灰来改善MPC性能, 并将改性过的MPC试用于路面修补, 对其应用的经验进行初步总结。

1 试验

1.1 试验原材料

MPC:由重烧菱镁矿和磷酸二氢钾以及硼砂 (缓凝剂) 以一定比例配制而成。

粉煤灰:江阴电厂生产的F类II级, 细度 (0.045μm方孔筛筛余) 13.4%, 密度2.61g/cm3。其成分如表1所示。

拌合用水:自来水。

%

1.2 试样的制备

粉煤灰以外掺量30%、40%、50%、60%、70%分别掺入配好的MPC, 水固比为0.16。拌合时, MPC、粉煤灰依次倒入搅拌锅内, 干拌60s, 再加入水, 低速搅拌30s, 然后高速搅拌60s, 将搅拌后的混合物迅速倒入试模内, 于振动台振动密实。试样成型后60min脱模, 置于室温条件下自然养护。

1.3 试验方法

⑴凝结时间:参照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定凝结时间, 由于MPC凝结速度太快, 搅拌后立即试验, 初始阶段每隔30s钟测一次, 临近初凝时每隔15s测一次。考虑到MPC的初、终凝时间间隔很短, 试验中以初凝时间作为MPC的凝结时间。

⑵水泥强度:参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》, 成型1h后拆模, 采用自然养护, 到龄期后进行抗压试验。

⑶流动度:参照GB/T17671-1999水泥胶砂流动度的测定方法, 在跳桌上跳动25次, 用卡尺测量其扩散直径及与其垂直方向的直径, 取平均值。

⑷耐磨性:参照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中T 0510-2005《水泥胶砂耐磨性试验方法》进行试验, 试验用砂为0.5~1.0mm的标准砂。

2 试验结果分析

2.1 粉煤灰改性MPC的试件颜色变化

MPC掺入粉煤灰后, 试件颜色发生相应的变化, 且随着粉煤灰掺量增多, 试件颜色从棕黄色逐渐变成灰色及至灰黑色。未掺粉煤灰试件颜色为棕黄色, 主要呈现水泥中主要原料Mg O的颜色, 掺入粉煤灰的试件呈现出粉煤灰颜色, 与普通混凝土颜色相近, 更适合于普通公路路面修补。

2.2 粉煤灰改性MPC的凝结时间

Mg O在经过1300℃高温煅烧后, 可以显著降低颗粒的孔隙率, 明显减小比表面积, 这样就降低了Mg O在水中的溶解度, 从而实现对MPC凝结硬化时间的控制, 但即便这样, 它的凝结硬化也只是几分钟, 无法满足施工的需要。通过硼砂缓凝剂的掺入, 而且随着其掺量的增大, 其缓凝效果越明显, 但掺量过多, 会导致其早期强度的损失, 同时MPC成本也增加。而粉煤灰的掺入, 对MPC的缓凝作用也是很显著的, 详见表1。因此, 通过粉煤灰等材料的改性, MPC在凝结时间上是完全能满足工程施工上的需要。

掺入粉煤灰延缓MPC凝结时间原因:粉煤灰的掺入降低了水泥中Mg O的相对含量, 使水化反应减慢;同时粉煤灰吸附了水化产物中磷酸根离子, 从而一定程度上减缓了水泥水化反应, 使得MPC凝结时间得以延缓。

2.3 粉煤灰改性MPC的流动性

水泥的流动度也是影响工程施工的一个重要因素, 掺加粉煤灰后, MPC浆的流动性和保水性有了明显的提高, 见表3。但到粉煤灰掺量一定程度, 水泥浆体流动性就趋于下降, 本实验中水泥浆体流动度最佳时粉煤灰掺量为50%。试验中还发现, 粉煤灰的掺入, MPC浆体的粘聚性和保水性都得到一定程度的改善。

粉煤灰改善MPC浆体流动性原因:粉煤灰的掺入, 一方面使整个水泥系统的需水量降低, 另一方面, 粉煤灰中球状颗粒的润滑作用使不规则氧化镁颗粒之间的磨擦减小, 有利于提高浆体的流动性。但过多粉煤灰掺入, 无助于粉煤灰的形态效应发挥, 甚至可能起反作用。

2.4 粉煤灰改性MPC砂浆的抗压强度

不同粉煤灰掺量对MPC砂浆抗压强度的影响, 见表4。从表4可看出, 随着粉煤灰的掺入, MPC抗压强度不断提高, 但掺量超过40%, 水泥砂浆抗压强度反而下降。

在MPC中掺入一定量的粉煤灰, 可以显著提高水泥的强度。这是由于粉煤灰的活性和物理填充作用所致, 因为MPC浆体比较黏稠, 不易流动, 成型时大量包裹的气泡无法排出, 掺粉煤灰后极大改善了浆体的流动性, 也提高了其密实性, 但如果粉煤灰掺量过大, 多余的粉煤灰基本处于惰性, 反而导致强度下降。

2.5 粉煤灰改性MPC的耐磨性

粉煤灰改性MPC主要在公路、桥梁抢修上应用, 其耐磨性是个很重要的技术指标。表5为粉煤灰改性MPC耐磨性试验结果。试验表明, 粉煤灰改性MPC的磨损量很小, 说明其耐磨性很好, 它完全满足于公路用水泥耐磨性这一指标的要求。

MPC材料耐磨性好于普通硅酸盐混凝土, 这可能是由于MPC中存在大量未反应的Mg O颗粒, 而过烧的Mg O颗粒本身具有很高的耐磨性。掺入粉煤灰后MPC耐磨性改善是由于粉煤灰微集料效应, 使浆体致密性提高。当然过高粉煤灰掺入, 降低了浆体p H值, 多余粉煤灰的活性无法得到有效激发, 浆体致密性下降。

3 工程应用初探

根据试验室的研究成果, 分别选市政主干道和桥梁路面上的各一处破损点进行修补, 综合评价粉煤灰对MPC性能的影响, 采用了粉煤灰掺量为40%的MPC基材料进行施工。修补的表面稍微抹平后, 0.5h后即凝结硬化, 约4h后通车, 采用自然养护。3d后, 经观察无发生脱皮、碎裂现象, 与旧路面混凝土粘结好。一个月后, 道路表面仍平整, 且无裂缝出现;颜色与普通混凝土颜色相近, 无明显色差。

MPC可采用常规的手段和设备施工, 但由于MPC凝结快硬特性, 其施工工艺有一定的特殊性, 根据应用试验总结出该材料施工的注意事项。

(1) 为保证混合料的均匀性和稳定性, MPC不宜采用手工拌合, 最好使用砂浆搅拌机或混凝土搅拌机进行施工搅拌, 搅拌机类型最好选用强制式搅拌机。

(2) 由于MPC水化时要放出大量的热量, 且搅拌机内物料越多, 水化放热速度就越快, 热量积聚得越多, 因此一次搅拌量不宜超过500L。

(3) MPC施工成型时环境温度不宜超过35℃, 在较高温度下施工时, 为弥补搅拌时水分的蒸发及缩短搅拌时间, 可把水胶比增大0.01~0.03。MPC不宜用于大体积混凝土的施工。

(4) 由于MPC的凝结时间较短, 所以搅拌地点不宜离施工地段距离太远, 最好在施工现场搅拌, 拌合料的运输工具优先选用手推车或机动翻斗车。

(5) 当进行路面工程施工时, 可采用平板震动器表面震动成型, 若MPC的工作性非常好, 则用一般的表面刮平装置即可。

(6) 要进行必要的养护。在夏季高温施工时, 当浇注好的MPC表面因水化及水分蒸发而出现干燥现象时, 应进行必要的撒水保湿养护。若冬季低温环境施工时, 为保证材料尽快具有较高的抗冻强度, 就进行必要的保温养护。

(7) 施工过程搅拌机应尽量保持工作的状态, 以避免每次浇注后剩余料在搅拌机内凝结硬化。施工完毕要对搅拌机及其它施工机械及时清洗。搅拌过程若遇到突然断电或搅拌机出现故障, 应根据情况采取相应的措施。若排除故障所需时间过长, 可往搅拌机中加水进行稀释混合料, 并尽快把混合料从搅拌机中清理出来, 一定要避免混合料在搅拌机中硬化。

4 结语

综上所述, 可得出以下结论: (1) 掺入一定量粉煤灰, 复合硼砂, 可有效延缓MPC凝结时间, 满足施工要求。 (2) 掺入一定量粉煤灰, 可改善MPC浆体的流动性和提高MPC砂浆抗压强度; (3) MPC的耐磨性优于普通混凝土, 掺入适量的粉煤灰可提高MPC的耐磨性; (4) 粉煤灰改性MPC用于路面修补的初步运用, 表明其基本满足路面快速修补的要求, 并总结出一些注意事项。

由于时间关系, 粉煤灰改性MPC的研究还不够全面, 如粘结性能、耐久性等性能尚未进行研究;工程应用只局限于小范围路面修补, 得出的结论有一定的局限性, 该材料相对应的施工技术、施工工艺有待继续探索。

摘要：本文研究了不同粉煤灰掺量对磷酸镁水泥 (MPC) 浆体流动性、凝结硬化时间、抗压强度及耐磨性的影响, 并将改性磷酸镁水泥试用于路面修补。结果表明, 用粉煤灰改性磷酸镁水泥, 不仅降低了磷酸镁水泥成本, 而且其各项性能都得到改善, 可满足施工的要求。

关键词：粉煤灰改性,磷酸镁水泥 (MPC) ,流动性,强度,凝结时间,耐磨性

参考文献

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[6]姜洪义, 梁波, 张联盟.MPB超早强混凝土修补材料的研究[J].建筑材料学报, 2001, 4 (2) :196-198.

[7]汪宏涛, 钱觉时, 曹巨辉, 等.粉煤灰对磷酸盐水泥基修补材料性能的影响[J].新型建筑材料, 2005 (12) :41-43.

[8]汪宏涛, 钱觉时, 曹巨辉.磷酸镁水泥基材料复合减水剂的应用研究[J].建筑材料学报, 2007, 10 (1) :71-76.

改性粉煤灰的制作 第8篇

利用工农业废弃物生产满足节能建筑要求的自保温墙材既能综合利用再生资源变废为宝, 又与国家提出的循环经济及可持续发展理论相吻合, 是墙材发展的主要方向。

脱硫石膏是燃煤电厂排放量很大的固体废弃物, 根据“十二五”国家对节能减排工作的要求, 预计到2015年, 煤电机组基本全部配套脱硫装置, 脱硫石膏年产量将达8000万t以上。脱硫石膏主要利用途径有建筑石膏板材、工业用水泥缓凝剂、铺路及其他四大类, 而筑路回填的经济附加值较低, 不能完全实现脱硫石膏的资源化利用[1]。

本研究通过无机材料复合的方法对脱硫建筑石膏进行改性处理, 提高脱硫石膏的强度及耐水性能, 研究具有防火保温性能的自保温砌块, 可为石膏砌块在建筑外围护结构中的应用提供新的途径。

1 原材料性能及配合比

1.1 脱硫石膏

脱硫石膏是一种优质胶凝材料, 其品质基本与天然石膏相同, 是制备石膏建材的良好原料。脱硫石膏具有高强、质轻、防火等优良特点。但其耐水性差, 大大限制了在建筑中的应用。石膏耐水性差的原因是[2]:石膏水化的理论需水量为18.6%, 但为保持浆体的流动度, 石膏砌块成型时往往加入远大于理论需水量的拌合水, 达到60%以上。当石膏浆体硬化后, 多余的水分在基体内部产生大量连通空隙和毛细孔。硬化浆体一旦接触水分, 水很快渗透到内部并反复进行迁移, 导致硬化浆体吸水率较大。另外, 二水硫酸钙在水中的溶解度大, 在水作用下很容易发生溶蚀, 破坏晶体结构, 导致石膏硬化体强度下降, 从而导致软化系数降低。因此, 目前石膏基砌块多为内隔墙砌块, 没有技术成熟的外墙砌块。

本研究采用β型脱硫石膏, 其主要成分是CaSO4·2H2O, 含量85%以上, 另含有少量的Mg O。

1.2 水泥

采用42.5级普通硅酸盐水泥。水泥中的硅铝酸盐与石膏中的硫酸钙发生水化反应, 生成水化硫铝酸钙和硅铝酸钙, 这些水化产物的稳定性和耐水性比二水石膏结晶结构的好且强度高, 可在硬化体中形成稳定的网络结构。在脱硫石膏制品中添加水泥可改善力学性能及耐水性能。基于充分利用脱硫石膏和保证性能的原则下, 水泥的掺入量应控制在20%以内[3]。

1.3 粉煤灰和生石灰

采用Ⅰ级粉煤灰, 细度6.4。粉煤灰中的主要成分为Si O2, Al2O3在生石灰等碱性激发的条件下, 参与水泥与Ca SO4的水化反应, 生成高强耐水的水化产物。另外, 其中未水化的颗粒填充孔隙, 形成致密的晶胶结构, 可提高强度。

1.4 减水剂

在石膏中掺入聚羧酸系减水剂能有效降低用水量, 改善石膏的微观结构, 促进晶体的生长, 提高石膏制品的强度, 且有缓凝作用。

1.5 聚合物乳液

SN聚合物乳液是可溶解于水并形成凝胶的有机聚合物, 当石膏料浆充分搅拌后, 凝胶均匀地分散在石膏浆体中, 在石膏浆体中形成网络结构, 使石膏的吸水率降低。

1.6 玻化微珠

玻化微珠是一种无机轻质绝热材料, 能显著提高砌块的热工性能。所用玻化微珠表观密度100kg/m3, 导热系数0.046W/ (m·K) 。

1.7 配合比

基于充分利脱硫石膏, 保障产品的性能并利于工业化生产的原则, 水泥粉煤灰改性脱硫石膏基自保温砌块的配合比确定为:胶凝材料:脱硫石膏:粉煤灰:水泥:石灰=48%:28%:18%:6%, 水胶比0.48, 聚羧酸减水剂0.3%, SN聚合物乳液0.3%, 玻化微珠与胶凝材料比为0.25。

2 块体设计及生产工艺

2.1 块体设计

砌块采用390mm×190mm×190mm和390mm×240mm×190mm双排孔结构, 空心率20%以上。

2.2 生产工艺

采用全自动化生产线, 工艺流程见图1。

3 砌块性能测试与分析

砌块的抗压强度、容重、吸水率、软化系数、碳化系数、干缩性能、抗冻性等按GB/T 15229《轻集料混凝土小型空心砌块》规定的试验方法测定, 其中抗冻性试验采用冻融25次。采用GB/T 13475《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》规定的方法测试热工性能。

成品养护28d后, 各项性能测试结果如下:

表观密度820kg/m3;抗压强度平均值5.6MPa, 最小值4.8MPa;吸水率15%;干收缩率0.051%;25次冻融循环后质量损失3.2%, 强度损失15%;碳化系数0.85;软化系数0.85;热阻 (厚240mm砌块) 0.98 (m2·k) /W;导热系数0.24W/ (m·K) 。

以上测试结果表明, 水泥-粉煤灰改性脱硫石膏基自保温砌块的物理力学性能满足国家相关标准中对于外墙砌块的要求, 其热阻满足夏热冬冷地区建筑节能外墙的技术要求。

4 经济和社会效益分析

水泥-粉煤灰改性脱硫石膏基自保温砌块性能先进, 基本实现自动化生产、且施工便捷是目前石膏砌块理想的升级产品, 经济和社会效益显著。其经济效益分析如下:以江苏年产6万m3的生产工厂为例, 其材料成本约210元/m3, 生产管理成本约90元/m3, 综合成本约300元/m3。而目前市场外墙外保温系统加外墙体的市场价格在400~500元/m3, 故产品具有显著的经济效益。

另外, 以年产6万m3自保温砌块的生产工厂为例, 每年可消耗2.5万t脱硫石膏和1.5万t粉煤灰, 工业废弃物的利用率达到75%以上。

5 结语

利用工业副产烟气脱硫石膏、粉煤灰以及其他各类石膏, 通过有机无机材料复合的方法对脱硫建筑石膏进行了改性处理, 提高了脱硫石膏的强度及耐水性能, 其成型产品能够满足夏热冬冷地区建筑节能的自保温墙体要求。在此基础上形成的自动化生产工艺, 为工业石膏找到了一条高附加值规模化利用的途径, 具有显著的经济效益和社会效益。

摘要：分析了水泥-粉煤灰改性脱硫石膏基自保温砌块的原材料性能以及配合比, 介绍了砌块的生产工艺和产品性能。采用有机无机复合的方法对脱硫石膏改性, 其物理力学和热工性能满足夏热冬冷地区建筑节能自保温墙体的要求。

关键词：脱硫石膏,自保温砌块,力学性能,软化系数

参考文献

[1]刘涛, 朱林.江苏省燃煤电厂脱硫石膏排放利用状况及综合利用对策[J].江苏电机工程, 2013, 32 (2) :10-13.

[2]陈燕, 董若兰, 金诚.石膏建筑材料施工手册[M].北京:中国计划出版社, 2000.

改性粉煤灰的制作 第9篇

钢渣具有与硅酸盐水泥熟料类似的化学组成。但是, 受其形成过程的影响, 钢渣的化学成分、矿物组成波动大;钢渣中含有大量的铁和含铁元素的化合物, 难以磨至理想的细度;钢渣的活性低, 水化速度慢、早强低;钢渣中含有的游离Ca O、Mg O在水化反应后期产生体积膨胀。这些原因使得钢渣当前利用率不到10%[1]。文献[2]研究得出, 控制脱硫石膏的煅烧温度为600℃且保温2h, 对脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝体系的增强效果较好。本文在此基础上, 向复合体系中引入钢渣, 探索钢渣对复合胶凝体系的影响;并通过加入矿物外加剂与化学激发剂的方法对复合体系进行改性, 得到一种新型的绿色复合胶凝材料。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

钢渣微粉是上海宝冶协力渣研中心钢渣微粉站生产的Ⅱ型钢渣粉, 烧失量为3.95%, 磨细后比表面积为400m2/kg, 45μm筛余0.3%;脱硫石膏取自杭州半山电厂的灰白色原状脱硫石膏, 原状脱硫石膏自由水含量为18.56%;粉煤灰为上海宝钢发电厂排放, 比表面积为385m2/kg;水泥为P·O42.5级水泥;消石灰为市售产品;Na2SO4、Ca Cl2、Al2 (SO4) 3·18H2O、KOH均为分析纯。原材料的化学成分见表1和表2。

1.2 试验方法

将热处理后的脱硫石膏以及粉煤灰、钢渣等原料按规定的掺量复配, 其中水固比为0.40, 试件尺寸为20mm×20mm×20mm (特殊注明除外) , 试件脱模后在空气中自然养护至待测龄期, 参照GB/T17671—1999进行抗压强度测试。胶凝材料的标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法参照GB/T1346—2001, 收缩试验方法参照JC/T603—1995。

将所得较优配比的复合胶凝材料试样按标准稠度用水量加水, 充分拌和均匀后分装在数只塑料袋中。将塑料袋密封, 在 (20±2) ℃的环境下养护到各龄期, 再用无水乙醇终止水化。终止水化后的试样用来进行XRD与SEM分析。

2 试验结果与讨论

2.1 单掺钢渣对脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料抗压强度的影响

钢渣及其掺量对脱硫石膏 (FGD) -粉煤灰 (FA) 复合胶凝材料抗压强度的影响见表3, 其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别表示FGD/FA为2∶8、3∶7和4∶6。

由表3可见, 掺钢渣后早期强度和后期强度都有较大程度的提高。当钢渣掺量由0增加至10%时, 对于不同的FGD/FA试样, 它们各个龄期的强度均成倍增加, 且FGD/FA越小, 增加的幅度就越大。钢渣掺量由10%增至20%时, 试样的7d及14d强度除了FGD/FA为2∶8的试样7d强度有较小程度的增加外, 其余各试样均发生了一定程度的减小, 而它们的28d和56d强度较10%掺量的试样却都有一定程度的提高, 特别是56d强度增加明显, FGD/FA为2∶8、3∶7以及4∶6的试样分别增加了130%、85%和78%。钢渣掺量继续由20%增加至30%时, 各试样不仅7d和14d强度继续呈现减小趋势, 28d强度也全部减小, 56d强度除了FGD/FA为2∶8的试样发生了15%的增加以外, 其余两个试样也都发生了较小程度的减小。至钢渣掺量为40%时, 和30%掺量的试样相比, 除了FGD/FA为3∶7的试样在56d时强度呈增加趋势以外, 其余各试样各龄期强度都有一定程度的减少。从表3中还可以看出, 对于不同的FGD/FA体系, 随着FGD量的增加, 体系强度也随之增加。

通过以上分析可见, 钢渣的掺入确实能提高脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝体系的活性, 和未掺试样相比, 抗压强度有较大程度的增长;随着钢渣掺量的增加, 当掺量较小时, 一些试样的早期强度呈现出降低趋势, 而后期强度却有较好的增长。而当掺量增加到一定程度时, 不论是早期强度还是后期强度均下降。这是由于钢渣的早期活性低, 发生化学反应慢, 因此其早期强度也就低。当钢渣掺量的增加至一定值时, 体系中游离的Mg O和Ca O达到一定值, 它们的水化产物发生膨胀就足以对体系强度的发展造成有害的影响, 造成体系的强度下降。可以看出, 同样是强度下降, 早期和后期的原因是截然不同的, 但都是由钢渣的本质所决定的。所以, 单掺钢渣改性脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝体系时, 钢渣应适量, 考虑到安定性等因素, 钢渣掺量不宜超过20%。

2.2 矿物外加剂水泥、石灰复掺对钢渣-脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料抗压强度的影响

采用正交试验研究水泥与石灰复掺对钢渣-脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝体系抗压强度的影响。选取FGD/FA、钢渣掺量、水泥石灰总掺量以及水泥/石灰作为影响因素, 将各自的3种变化作为水平, 见表4, 采用正交表L9 (34) , 以抗压强度作为考核指标进行正交试验, 结果见表5。

表5同时给出了3d抗压强度的K、K和R计算结果。由此看出, FGD/FA是对体系影响最重要的因素, 各因素影响程度由大到小依次为:FGD/FA>钢渣掺量>水泥石灰总量>水泥/石灰。最优配比为:FGD/FA为4∶6, 钢渣掺量为10%, 水泥石灰总量为15%, 水泥/石灰为1∶2。

同理, 可得出7d抗压强度最重要的影响因素为FGD/FA, 影响程度大小依次为FGD/FA>水泥石灰总量=水泥/石灰>钢渣掺量。最优配比为:FGD/FA为4∶6, 钢渣掺量为10%, 水泥石灰总量为10%, 水泥/石灰为2∶1;28d抗压强度最重要的影响因素为FGD/FA, 影响程度大小依次为FGD/FA>钢渣掺量>水泥/石灰=水泥石灰总量。最优配比为:FGD/FA为4∶6, 钢渣掺量为20%, 水泥石灰总量为5%或10%, 水泥/石灰为1∶1。

上述各项有3个强度考核指标, 要反映其综合影响, 可以采用功效系数法[3]。此法规定考核指标值最高的功效系数是1, 其余指标的功效系数为该考核指标值与最高指标值之比, 这样, 0≤di≤1, 总功效系数 其中d1、d2和d3分别为3d、7d和28d的抗压强度的功效系数, 其大小反映了3个指标的总体情况, 数据处理结果见表6和表7。

综合考虑各龄期强度, 矿物外加剂水泥与石灰复掺的钢渣-脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝体系的最优配比为:FGD/FA为4∶6, 钢渣掺量为10%, 水泥石灰总量为15%, 水泥/石灰为1∶1。后文以此配比试样 (即H7) 为参照样。

2.3 化学激发剂对水泥与石灰石复掺的钢渣-脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料抗压强度的影响

2.3.1 Na2SO4的影响

Na2SO4的影响见图1。从图1可以看出, 对于3d抗压强度, 在Na2SO4掺量小于3%时, 各试样的强度值与未掺的参照样相比都有所增加, 掺量1%、2%和3%的试样分别增加了15.24%、8.57%和6.67%;当掺量达到4%时, 强度值下降了16.19%。7d强度和28d强度也表现出和3d强度相似的规律, 掺量在3%以下时, 强度和参照样相比持平或有所增加, 掺量达到4%时, 强度下降。

根据以上分析, 对该复合胶凝体系, 适宜掺量的Na2SO4能在一定程度上激发体系的水化活性, 提高体系的强度。Na2SO4的适宜掺量为1%, 其和基准样相比, 3d、7d和28d强度分别增加了15.24%、15.44%与33.73%。

2.3.2 Ca Cl2的影响

Ca Cl2是水泥工业常用的早强剂与促凝剂, 它促凝早强的主要原因是Ca Cl2能与溶液中可溶性的Al2O3和Ca O结合, 迅速生成氯盐。

Ca Cl2的影响见图2。从图2可以看出, 对于3d抗压强度, 只有掺量为1%的试样大于未掺Ca Cl2的参照样, 其余试样均小于参照样的值, 且随着掺量的增加, 3d抗压强度值呈现下降趋势。对于7d抗压强度, 掺量为2%与3%的试样大于参照样, 1%与4%的试样值小于参照样, 且4%的试样表面可见裂纹。所有掺入Ca Cl2的试样的28d强度均小于参照样。

以上分析说明, Ca Cl2不适宜做该复合胶凝体系的化学激发剂。

2.3.3 Al2 (SO4) 3·18H2O的影响

Al2 (SO4) 3·18H2O的影响见图3。从图3可以看出, 对于3d抗压强度, 只有当Al2 (SO4) 3·18H2O的掺量达到4%时, 强度值和参照样相比才有所提高, 提高了8.57%;7d强度只有掺量为3%的试样低于参照样的数值, 其余都有增加, 以掺量为1%的试样增加最多, 达到57.35%;2%和4%掺量的试样分别增加2.21%和42.65%;对于28d强度, 掺入了Al2 (SO4) 3·18H2O的试样均大于基准样, 1%、2%、3%和4%掺量的试样分别提高了7.05%、17.31%、47.44%与80.45%。这说明Al2 (SO4) 3·18H2O的掺入很好的提高了复合胶凝体系的后期强度。

综合考虑, Al2 (SO4) 3·18H2O适宜做复合胶凝体系的化学激发剂, 其适宜掺量为4%。

2.3.4 KOH的影响

KOH的影响见图4。从图4可以看出, KOH对该复合胶凝体系抗压强度的影响表现出其对矿渣、水泥与石灰复掺复合胶凝体系影响相似的规律。KOH的加入降低了复合胶凝体系3d和7d的抗压强度, 在3%掺量以下时, 随着KOH掺量的增加, 强度值逐渐降低;当掺量超过3%时, 强度有所增加, 但仍大大小于未掺KOH的参照样强度值。28d抗压强度, 只有1%掺量的试样比未掺的参照样有所增加, 增幅为2.88%;其余各试样的抗压强度值均小于参照样。

以上分析说明, KOH也不适宜做该复合胶凝体系的化学激发剂。

2.4 掺入Al2 (SO4) 3·18H2O钢渣-脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料水化过程与水化产物

利用掺量为4%的化学激发剂Al2 (SO4) 3·18H2O改性的钢渣-脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料的3d与28d XRD图见图5。

由图5可知, 水化3d时, 试样XRD图谱上有明显的无水石膏、二水石膏特征峰, 且二水石膏特征峰尤为明显。这一方面是由于体系中的无水石膏部分转化为二水石膏;另一方面更重要的原因是由于体系中加入的化学激发剂Al2 (SO4) 3·18H2O, 为体系加入了较多的活性的SO42-, 与体系中游离出来的Ca2+以及H2O结合生成次生二水石膏。体系中二水石膏量的增加, 表现为二水石膏峰峰强的增加。此外, 钙矾石的特征峰已显而易见, 说明游离出来的Ca2+、活性Si O2、Al2O3以及Ca SO4·2H2O已经发生了化学反应。Ca (OH) 2的特征峰也比较明显, 这说明Ca (OH) 2未被完全消耗, 也就是说此时钢渣以及粉煤灰的活性尚未被充分激发。在图谱上也可见Ca CO3特征峰, 这可能是原料脱硫石膏与粉煤灰中带进来的杂质, 也可能是由于该试样中的Ca (OH) 2和空气中的CO2发生化学反应产生的, 因为和3d试样相比, 28d试样特征峰似有所增加。粉煤灰中带进来的莫来石相不参与水化反应, 其特征峰不随反应龄期的增加而变化。

当水化反应进行到28d时, 仍可以发现二水石膏特征峰峰强较强, 且钙矾石峰的强度有一定程度的增加。这是因为次生二水石膏增加了体系二水石膏的量, 虽然钙矾石的生成反应消耗部分二水石膏, 但是由于体系中的无水石膏在反应中不断转化为二水石膏, 所以总体表现出体系中的二水石膏量似无很大程度的减少。Ca (OH) 2特征峰变得不可见, 一方面可能是和体系中的活性Si O2、Al2O3反应以及二水石膏生成钙矾石;另一方面就是Ca (OH) 2与Si O2以及H2O结合, 生成C-S-H凝胶, 可见XRD图案背底显著增强。

复合胶凝材料的3d与28d SEM图见图6。

从图6可以看出, 3d时的水化产物主要为一些絮凝状胶体、柱状二水石膏晶体。虽然XRD图上显示有钙矾石晶体, 但是在SEM图上并未见到清晰的针状或柱状钙矾石。粉煤灰圆球表面已经被“腐蚀”, 凝胶将其表面团团覆盖, 钢渣表面也已经有发生反应的迹象。并且在视域内可见一些小的圆球状物质, 似水化产物而不像粉煤灰颗粒。至水化反应到28d时, 这些小球状物质更加明显, 这和J.Bensted和P.Barnes通过环境扫描电镜看见的水化铝酸钙形貌极为相似[4], 说明该小球极有可能为水化铝酸钙。由于体系中加入了化学激发剂Al2 (SO4) 3·18H2O, 在反应初期生成大量二水石膏, 二水石膏和Ca (OH) 2及水分子结合, 生成了水化铝酸钙。随着反应龄期的增加, 更多的水化产物生成, 从28d试样的形貌图上还可以发现一些钙矾石晶簇, 大量的凝胶填充于空间。水化产物的增多, 提高了复合胶凝材料的密实程度, 使其强度得以增加。

3 钢渣-脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料的基本性能

复合胶凝材料的较优配合比为:FGD/FA为4∶6, 钢渣掺量为10%, 水泥石灰总量为15%, 水泥/石灰为1∶1, 外掺4%的化学激发剂Al2 (SO4) 3·18H2O, 其基本性能见表8。由表8可知, 该复合胶凝材料是较轻质的体系。强度发展较好, 28d抗压强度能达到24MPa。由于体系中含有大量的粉煤灰以及一定量的钢渣, 可以预测其后期强度有较好的强度增进率。28d时的收缩率是负值, 说明该复合胶凝材料具有微膨胀性能, 能够补偿在水化过程中发生的体系收缩。

注:强度测试试件规格:40mm×40mm×160mm。

4 结论

1) 钢渣取代部分脱硫石膏与粉煤灰, 能在一定程度上增加体系的水化活性, 提高体系的抗压强度, 但这种增强作用有限。考虑到体积安定性等问题, 本试验得出对于脱硫石膏-粉煤灰的复合体系, 单掺钢渣时其掺量不宜超过20%。

2) 对于钢渣-脱硫石膏-粉煤灰的复合体系, 矿物外加剂水泥、石灰复掺可以进一步激发体系的活性, 此时较优的配比为:FGD/FA为4∶6, 钢渣掺量为10%, 水泥石灰总量为15%, 水泥/石灰为1∶1。

3) 在矿物外加剂的基础上外掺少量化学激发剂能提高复合胶凝体系的抗压强度。本试验条件下, Ca Cl2与KOH并不能起到激发该体系的作用。1%掺量的Na2SO4能起到一定程度的激发效果, 但效果不及Al2 (SO4) 3·18H2O, 后者的较优掺量为4%。

4) 由于矿物激发剂及化学激发剂的综合激发作用, 复合体系的反应活性得到较大程度的提高, 在早期即开始发生水化反应。水化产物主要有钙矾石晶体、二水石膏晶体、水化硅酸钙凝胶及水化铝酸钙凝胶等。随着水化反应龄期的增加, 水化产物持续增多;各种水化产物相互交织在一起, 填充试样的内部空隙, 提高了体系的密实程度, 使体系的强度及其他各项性能都有较大程度的提高。

5) 钢渣-脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料是一种新型绿色建材, 具有较优异的性能, 应积极开发能将其应用于实际工程的途径。

参考文献

[1]胡曙光, 王红喜, 丁庆军.钢渣基高活性微膨胀掺合料的制备与性能研究[J].混凝土, 2006, (8) :47-50.

[2]吴敏, 施惠生.矿渣及脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料的试验研究[J].水泥, 2008, (2) :4-10.

[3]王永逵, 陆吉祥.材料试验和质量分析的数学方法[M].北京:中国铁道出版社, 1987.