粉煤灰基地聚合物的制备及性能研究

第３９卷第２期　２０１　６年３月　非金属矿　Ｎｏｎ．Ｍｅｔａｌｌｉｃ　ＭｉｎｅＳ　ＶＯ１．３９　ＮＯ．２　Ｍａｒｃｈ，２０Ｉ６　粉煤灰基地聚合物的制备及性能研究　薛彩红　聂金合高莉　李小宁蔡文亮　（青海大学机械工程学院，青海西宁８１００１６）　摘　要　以电厂废渣Ⅱ级低钙粉煤灰为原料，利用碱激发搅拌法制备了粉煤灰基地质聚合物。当水玻璃模数为１．２，￣／＇Ｓｉ／ｎ　。为１．９６，养护温度　为６０℃时，强度最高为４１．１３　ＭＰａ，体积密度为１．６６ｇ／ｃ　；水玻璃的模数、ｎｓｉ／ｎＡｌ、养护温度对地质聚合物的强度、体积密度影响较大，随着参数的增　加，抗压强度都表现为先增加后降低的趋势；粉煤灰地质聚合物ＸＲＤ谱图与原灰相比，在２９．５０８。处出现非晶的漫散射宽峰，且莫来石、石英衍射峰　降低，说明地质聚合反应已发生，形成一种“半晶态”物质。　关键词地质聚合物；水玻璃；粉煤灰；抗压强度　中图分类号：ＴＱ１７７；Ｘ７７３文献标识码：Ａ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ａｎｄ　ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉＯｎ　Ｏｆ　Ｆｌｙ　Ａｓｈ．ｂａｓｅｄ　Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ　Ｘｕｅ　Ｃａｉｈｏｎｇ　Ｎｉｅ　Ｊｉｎｈｅ　Ｇａｏ　Ｌｉ　Ｌｉ　Ｘｉａｏｎｉｎｇ　Ｃａｉ　Ｗｅｎｌｉａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ，Ｑｉｎｇｈａｉ　８１００１６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｗａｓｔｅ　ｒｅｓｉｄｕｅ　１Ｉ　ｌｅｖｅｌ　ｌｏｗ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｆｌｙ　ａｓｈ　ａｓ　ｒａｗ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｆｌｙ　ａｓｈ—ｂａｓｅｄ　ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ａｌｋａｌｉ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｍｉｘｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｍｏｄｕｌｕｓ　ｓｏｄｉｕｍ　ｓｉｌｉｃａｔｅ　ｗａｓ　１．２，ｔｈｅ　ＨＳｉ／ｎＡ】ｗａｓ　１．９６，ｔｈｅ　ｃｕｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　６０℃，Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ　ｂｙ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗａｓ　４１．１３　ＭＰａ，ｖｏｌｕｍｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｗａｓ　１．６６　ｇ／ｃｍ　；Ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　ｓｏｄｉｕｍ　ｓｉｌｉｃａｔｅ，／／＇Ｓｉ／ｎＡｌ，ｃｕｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｈａｄ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｂｕｌｋ　ｄｅｎｓｉｙ　ｏｆ　ｔｔｈｅ　ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｗａｓ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｒｅｎｄ；Ｘ—ｒａｙ　Ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）ｏｆ　ｌｆｙ　ａｓｈ　ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｇｒｅｙ，ａｔ　２９．５０８。ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　ｎｏｎ—ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　ｗｉｄｅ　ｐｅａｋ，ａｎｄ　ｍｕｌｌｉｔｅ，ｑｕａｒｔｚ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｐｅａｋ，ｅｘｐｌａｉｎ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ，“ｓｅｍｉ—ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ”ｗａｓ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ；ｓｏｄｉｕｍ　ｓｉｌｉｃａｔｅ；ｆｌｙ　ａｓｈ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　随着我国经济的快速发展，燃煤电厂粉煤灰排放　量逐年增加，开展粉煤灰高值化研究具有重要现实意　义。地质聚合物材料是最近发展起来的新材料［１－２］，　可由天然矿物高岭土或固体废弃物如粉煤灰制备，它　具有有机高分子、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原材　料丰富、工艺简单、价格低廉、节约能源等优点，应用　开发前景广泛。本实验以电厂废渣Ⅱ级低钙粉煤灰　为原料制备粉煤灰基地质聚合物，研究了主要影响因　素　／　Ａｌ、水玻璃模数、养护温度对其性能的影响。　ｌ实验部分　粒度为４０．２３１　ｇｍ，比表面积为０．５Ⅱ１　，粒度分布见图　２。水玻璃由北京红星广厦泡花碱厂生产，模数（ＳｉＯ￣　与Ｎａ２Ｏ摩尔比）为２．４，具体技术参数见表１；氢氧化　钠由天津市凯兴化学工业有限公司生产，分析纯。　１．１原料、试剂及仪器设备粉煤灰为青海华电大通　发电有限公司发电废渣Ⅱ级低钙粉煤灰，粉煤灰的化　学组成（Ｗ／％）为：ＳｉＯ２，５２．２３；Ａｌ２ｏ］，２７．５５；Ｆｅ￣Ｏ３，９．６５；　ＣａＯ，６．２３；ＴｉＯ２，１．５５；ＭｇＯ，１．２７；Ｎａ￣Ｏ，０．５６；ＢＡＯ，０．２７；　图１球磨后粉煤灰的ＳＥＭ图　ＳｒＯ，０．２３；Ｐ２０５，０．１５；ＭｎＯ，０．１１，主要成分为ＳｉＯ２和　Ａｌ　０　。粉煤灰ＳＥＭ照片见图１，由于表面张力的作用，　粉煤灰基本呈球状分布且表面光滑，容易发生团聚。　原灰球磨１　ｈ后通过激光粒度分析得到粉煤灰的平均　收稿日期：２０ｌ６－０１－２７　粒径／ｐｍ　图２球磨后粉煤灰的激光粒度分布图　表１水玻璃（工业硅酸钠）技术参数　基金项目：青海省科技厅应用基础研究计划项目（２０１３一Ｚ一７０３）；青　海省科技厅高新技术研究与发展项目（２０１４一ＧＸ一２１３）。　通讯作者，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｅｃｈ＠１２６．ｃｏｍ；Ｔｅｌ：０９７１—５３６３　１２８。　．５．　第３９卷第２期　非金属矿　２０１６ｉｌａ３月　仪器设备：大功率机械搅拌器，ＪＪ－１，常州奥华仪　器有限公司；罐磨机，ＧＯＭ一４Ｌ＿４，长沙天创粉末技术　有限公司；可程式恒温恒湿试验箱，ＧＤＪＳ一１００Ｌ，无锡　市苏意达试验设备有限公司；震动台，ＺＤＰ－５００　５００，　河北科建建材厂。　９．１。，这说明随着地质聚合反应的进行　，部分石英、　莫来石结晶相转变为无定形结构。　１．２粉煤灰基地质聚合物轻质材料的制备在水　玻璃中加入ＮａＯＨ、蒸馏水配置一定模数的碱激发　剂，搅拌均匀静置室温后，称取一定质量的粉煤灰加　入激发剂中，快速搅拌至料浆均匀后，浇注于直径为　３０　ｍｉｎ的圆柱形塑料模具中，恒温恒湿箱中一定温　２ｏ１（。）　图３粉煤灰（ａ）和粉煤灰基地质聚合物（ｂ）Ⅺ　图谱　石英（ＰＤＦ＃６ＭＩ４６６）；Ｍ－莫来石（ＰＤＦ＃１５－０７７６）；Ｃ－硅酸钙（ＰＤＦ＃３２－０１８０）　度、湿度下养护２４　ｈ后脱模，脱模后室温下养护７　ｄ，　进行性能测试。由于北方气候干燥，为了防止水分迅　速蒸发出现开裂问题需采用保鲜膜包裹其表面，３　ｄ　后脱除保鲜膜养护。　２．２／＂／Ｓｉ／　。对粉煤灰基地质聚合物性能的影响从粉　煤灰成分ＳｉＯ，和Ａ１２０　的含量来看，比较适合双硅地　质聚合物，因此选择硅铝摩尔比接近２，找出最佳的硅　铝摩尔比。当水玻璃模数为１．２，固化温度为６０℃时，　硅铝摩尔比对粉煤灰基地质聚合物性能的影响，见图　４。由图４可见，随着硅铝摩尔比的增大，试样抗压强　度、体积密度先增大后降低。当硅铝摩尔比为１．９６时，　粉煤灰地质聚合物的平均抗压强度为４１．１３　ＭＰａ，体积　密度为１．６６　ｇ／ｃｍ３。在地质聚合反应初期　】，主要由富　铝的凝胶相组成，以Ｑ４（４Ａ１）型为主，即一个硅氧四面　体被四个铝氧四面体所包围，随着反应的不断进行，富　铝的凝胶相逐渐转变为富硅的凝胶相，以Ｑ４（３ＡＩ）和　配置模数为１．０－２．０的水玻璃所需加入的　ＮａＯＨＩｊ　量见表２。　表２调节水玻璃模数时ＮａＯＨ的加入量　Ｑ４（２ａｉ）型为主，即一个硅氧四面体被３个或者２个铝　注：　为此模数时Ｎａ２Ｏ的百分含量，ＹｆｌＪ模数调整需要加入的Ｎａ２Ｏ　氧四面体所包围。当硅铝摩尔比较小时，粉煤灰表面　解聚形成［Ａ１Ｏ４］，反应体系中［ＳｉＯ４］较少，聚合反应后　百分含量，ＺＮ模数调整需要加入的ＮａＯＨ百分含量。　１．３粉煤灰基地质聚合物轻质材料的表征及性能测　期发生很困难；随着可溶性的硅铝摩尔比增大，单体　［ＳｉＯ４］引入量增大，形成的凝胶强度、体密度也越大；　试采用Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＡ２５　ＣｕＫａＸ射线衍射仪分析　样品的物相与结构，扫描范围为１０。～８Ｏ。，扫描速度　５（。）／ｍｉｎ，管电压４０　ｋＶ，管电流１００　ｍＡ；采用ＪＳＭ一　当硅铝比大于１．９６时，单体［ＳｉＯ４］量过多，反应后存在　过多的未参与反应的［ｓｉＯ４］，同时料浆的黏度也随之　增大，搅拌过程中引入气泡，随着脱水反应的进行，体　积密度有所下降，这是造成强度降低的重要原因。　∈　６６１０型ＳＥＭ分析样品表面相貌；采用ＣＭＴ５０３型微　机控制电子万能试验机对试样的抗压强度进行测试。　２结果与讨论　２．１粉煤灰基地质聚合物轻质材料的ＸＲＤ分析粉　煤灰及粉煤灰基地质聚合物的ＸＲＤ图谱，见图３。　从图３可知，粉煤灰在２０．８９７。、２６．６６１。、３９．４９７。、　４１．４。、５０．１４３。、５７．６１４。、６８１４１。处出现少量石英特　．＼　阳　垣　征峰，在１６．４６０。、２６．００２。、２６．２９８。、２９．３８。、３０．３６４。、　３１．０３３。、３２．３５９。、４０．８６１。、６０６５９。处出现莫来石特征　．图４　／，？　，对粉煤灰基地质聚合物性能的影响　峰，无其他杂质相，纯度高；粉煤灰地质聚合物除了石　英、莫来石相外，在３２．３６。处出现少量硅酸钙，与粉煤　灰的ＸＲＤ相比，粉煤灰地质聚合物材料中的结晶相　衍射峰强度明显降低，说明粉煤灰硅铝玻璃球发生了　溶解，在２９．５０８。处出现非晶漫散射宽峰，半高峰宽为　．２－３水玻璃模数对粉煤灰基地质聚合物性能的影　响当，２　／　为１．９６，固化温度为６０℃时，水玻璃模　数对粉煤灰基地质聚合物性能的影响，见图５；不同　模数下粉煤灰地质聚合物的ＳＥＭ照片，见图６。从　图５可知，随着水玻璃模数的增加，强度先增加后降　６．