高桂梅,張?jiān)品?圖 亞,松麗濤,戴 崟,王宏賓,曹 坤,鈔曉光

(神華準(zhǔn)能資源綜合開(kāi)發(fā)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

全球范圍內(nèi),隨著鋁土礦資源的日益減少和對(duì)鋁材料需求的增長(zhǎng),從粉煤灰中提取氧化鋁的技術(shù)日漸被關(guān)注。神華準(zhǔn)能資源綜合開(kāi)發(fā)有限公司利用“一步酸溶法”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從粉煤灰中提取氧化鋁,并建設(shè)了4000噸/年氧化鋁中試廠[1],對(duì)中國(guó)這樣一個(gè)粉煤灰排放大國(guó)而言,有著重大而深遠(yuǎn)的意義。粉煤灰提鋁渣的性狀為酸性污泥[2],若不加以處理對(duì)環(huán)境具有危害性,其妥善處理是酸溶法提鋁這一技術(shù)應(yīng)用中必須解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[3-4],為解決這一環(huán)保問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)粉煤灰提鋁渣資源高效綜合利用,對(duì)粉煤灰提鋁渣的深度加工利用迫在眉睫?；瘜W(xué)分析結(jié)果表明,粉煤灰提鋁渣和粉煤灰等材料其主要化學(xué)組成有Si、Al、Fe、Ca、Na和O等[5],在其化學(xué)組成方面具有制備膠凝材料的潛力,有望將其開(kāi)發(fā)為新型環(huán)保、低碳、低能耗的膠凝材料,部分替代傳統(tǒng)膠凝材料,用于礦山膠結(jié)充填、路基材料和墻體砌塊材料等方面[6-8]。

本文以粉煤灰提鋁渣、粉煤灰等工業(yè)廢棄物為主要原料制備粉煤灰提鋁渣基膠凝材料,研究了配方對(duì)抗壓、抗折強(qiáng)度的影響,工藝簡(jiǎn)單,成本低。該方法制備的膠凝材料既能大量消耗固廢、節(jié)約資源,起到節(jié)能減排的作用,又能滿足不同道路交通的要求,有利于推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

本研究采用的原料是作為粉煤灰的二次廢棄物的粉煤灰提鋁渣,取自內(nèi)蒙古神華準(zhǔn)能的高鋁粉煤灰提鋁后殘?jiān)?。礦渣,PO52.5硅酸鹽水泥(礦物組成為C3S-57.09%,C2S-17.06%,C3A-6.74%,C4AF-10.17%,CaSO4-3.64%),砂(1～1.4 mm/1.4～2 mm)及碎石(2.36～4.75 mm/4.75～9.5 mm)。試驗(yàn)所用拌合水為民用自來(lái)水。通過(guò)X熒光成分分析儀(XRF)分析原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1所示。本實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰、礦渣和水泥常見(jiàn)的物理性能如表2所示。對(duì)粉煤灰提鋁渣,粉煤灰和礦渣的微觀形貌如圖1所示。

表1 原料的化學(xué)組成 %

表2 實(shí)驗(yàn)所用原料的物理性能

圖1 粉煤灰(a)、(b),礦渣(c)、(d)和粉煤灰提鋁渣(e)、(f)的微觀形貌

1.2 樣品制備

基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理設(shè)計(jì)5因素4水平的正交試驗(yàn),共 5 個(gè)取代率不同的因素W(水膠比)、B(粉煤灰提鋁渣摻量)、C(水泥摻量)、F(粉煤灰摻量)、K(礦粉摻量),采用L16(45)正交表,其中礦粉摻量K保持17%不變?；谡辉O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),將粉煤灰提鋁渣、水泥、粉煤灰與礦渣等粉體原材料按比例稱量混合均勻,與水混合攪拌制備膠凝材料凈漿,通過(guò)抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度測(cè)試,確定力學(xué)性能最優(yōu)的配合比。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

1.3 性能測(cè)試與表征

粉煤灰提鋁渣基膠凝材料的抗壓強(qiáng)度測(cè)試與抗折強(qiáng)度測(cè)試依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),樣品大小為100 mm×100 mm×100 mm和200 mm×100 mm×60 mm,測(cè)試采用WAW-1000D型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度(MPa),同組樣品重復(fù)測(cè)量3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰提鋁渣基膠凝材料最優(yōu)配合比

粉煤灰提鋁渣基膠凝材料流動(dòng)度,凝結(jié)時(shí)間和抗壓抗折強(qiáng)度是判定工作性能與力學(xué)性能是否優(yōu)良的重要指標(biāo),因此對(duì)粉煤灰提鋁渣基膠凝材料凈漿正交設(shè)計(jì)16組試樣3 d、7 d與28 d測(cè)試其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度(3 d與7 d強(qiáng)度是膠凝材料凈漿早期強(qiáng)度指標(biāo),28 d強(qiáng)度是長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)),流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間,測(cè)試結(jié)果如表4所示(表中W、B、C和F中1～4分別代表因素水平在1～4時(shí)的取值)。28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度極差分析、28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度方差分析分別見(jiàn)表5、表6和表7。

表4 正交試驗(yàn)性能測(cè)試結(jié)果

表5 28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度極差分析

表6 28d 抗壓強(qiáng)度方差分析

表7 28d 抗折強(qiáng)度方差分析

從表5中可以看出,對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度,B(粉煤灰提鋁渣摻量)因素極差最大, 之后依次為 F(粉煤灰摻量),C(水泥摻量),W(水膠比),K(礦粉摻量)。由此說(shuō)明,各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的敏感性由大到小為 B>F>C>W>K。這說(shuō)明水膠比和粉煤灰提鋁渣摻量對(duì)膠凝材料抗折強(qiáng)度影響較大。

W(水膠比)因素極差最大, 之后依次為 B(粉煤灰提鋁渣摻量),C(水泥摻量),K(礦粉摻量),而F(粉煤灰摻量)因素極差最小.由此說(shuō)明,各因素對(duì)抗折強(qiáng)度的敏感性由大到小為W>B>C>K>F,這說(shuō)明水膠比和粉煤灰提鋁渣摻量對(duì)膠凝材料抗折強(qiáng)度影響較大。

為了進(jìn)一步研究各因素對(duì)粉煤灰提鋁渣基膠凝材料28 d 抗壓和抗折強(qiáng)度值的影響,對(duì)28 d抗壓和抗折強(qiáng)度值進(jìn)行方差分析,分析結(jié)果見(jiàn)表6和表7。橫向比較各因素的F值大小,由此可見(jiàn),通過(guò)方差精確計(jì)算得出的結(jié)果與極差所得結(jié)果相同。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

膠凝材料凈漿3 d,7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的因素指標(biāo)分析結(jié)果如圖2(a～c)所示。隨著水泥摻量的增加,抗壓強(qiáng)度有大幅增加的趨勢(shì),水泥水化形成的堿性環(huán)境有利于強(qiáng)度的發(fā)展。水膠比、粉煤灰提鋁渣摻量、粉煤灰摻量均存在最優(yōu)值,其中水膠比在0.30(水平因素2)時(shí)3 d、7 d強(qiáng)度均較高;粉煤灰提鋁渣摻量在55%(水平因素3)時(shí)3 d、7 d強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu);粉煤灰摻量宜控制在5%左右。水膠比、粉煤灰提鋁渣摻量、水泥摻量、粉煤灰摻量對(duì)28 d強(qiáng)度的發(fā)展均存在最優(yōu)值,過(guò)大的水膠比由于加水量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致堿性環(huán)境濃度下降,引起膠凝組分的反應(yīng)不充分,導(dǎo)致強(qiáng)度下降,最優(yōu)水膠比在0.30(水平因素2);粉煤灰提鋁渣摻量在55%最佳,過(guò)高摻量由于在堿性環(huán)境下的激發(fā)不充分引起強(qiáng)度下降;水泥摻量宜大于10%,才能保證膠凝體系充分的堿性環(huán)境;粉煤灰摻量不宜過(guò)大,宜控制在5%以下(水平因素1)。

圖2 抗壓強(qiáng)度因素指標(biāo)分析

綜合分析膠凝材料配合比對(duì)早期與長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律可知,影響抗壓強(qiáng)度發(fā)展的主控因素是粉煤灰提鋁渣摻量和水泥摻量,理論上,在合理取值范圍內(nèi),水泥摻量越大,抗壓強(qiáng)度越高。粉煤灰提鋁渣摻量取值不宜超過(guò)60%。在合理取值范圍內(nèi),水膠比對(duì)凈漿抗壓強(qiáng)度影響較大,水膠比越高,抗壓強(qiáng)度越小。

不同水膠比條件下,粉煤灰提鋁渣摻量與不同齡期膠凝材料凈漿抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。水膠比W分別取值0.25,0.30,0.35和0.40時(shí),抗壓強(qiáng)度在不同齡期均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)摻量達(dá)到60%時(shí),由于堿性環(huán)境中粉煤灰提鋁渣摻入量過(guò)大,不足以完全激發(fā)其活性,造成同等條件下強(qiáng)度下降,對(duì)比分析可知:粉煤灰提鋁渣最優(yōu)摻量宜控制在55%左右(水平因素3)。

圖3 粉煤灰提鋁渣摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響分析

2.3 抗折強(qiáng)度分析

針對(duì)正交設(shè)計(jì)16組試樣3 d、7 d與28 d抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)化分析,結(jié)果圖4。隨著水膠比的增加,3 d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。主要因?yàn)樵谠缙?水化反應(yīng)產(chǎn)物還不多,用水量偏大,堿度較低,膠凝材料活性未充分激發(fā),顆?；蚰z物之間存在孔隙,早期強(qiáng)度偏低,但用水量過(guò)大同樣會(huì)降低堿度,因此水膠比存在最優(yōu)值。在早期,粉煤灰摻量對(duì)3 d抗折強(qiáng)度影響并不明顯,這是因?yàn)樵谠缙诜勖夯业幕鹕交倚?yīng)并未體現(xiàn),堿性溶液的影響作用不夠顯著,粉煤灰在早期并未發(fā)揮強(qiáng)度促進(jìn)作用。隨著水泥摻量的增加,3 d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),水泥用量充足,堿度高,膠凝組分活性充分激發(fā)[9-10],水泥摻量不宜小于15%。粉煤灰提鋁渣摻量也存在轉(zhuǎn)折點(diǎn),最佳摻量宜控制在55%左右。圖4(b)中7 d抗折強(qiáng)度隨著水膠比的增大而增大。隨著水泥摻量的增大而呈增大趨勢(shì),粉煤灰的火山灰效在7天開(kāi)始體現(xiàn),但摻量不宜過(guò)大。粉煤灰提鋁渣摻量增大,7 d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),粉煤灰提鋁渣摻量存在轉(zhuǎn)折點(diǎn),最佳摻量宜控制在55%左右。圖4(c)中28 d抗折強(qiáng)度隨著水膠比、水泥摻量的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì),水泥摻量宜大于20%。隨粉煤灰提鋁渣摻量的增大抗折強(qiáng)度先增大后減小,粉煤灰提鋁渣摻量過(guò)大,28 d抗折強(qiáng)度下降幅度較大,所以粉煤灰提鋁渣摻量宜控制在60%以下。28 d抗折強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的變化不明顯,粉煤灰的火山灰效應(yīng)在28 d齡期得到充分體現(xiàn)。

圖4 抗折強(qiáng)度因素指標(biāo)分析

由正交設(shè)計(jì)16組試樣的3 d、7 d和28 d抗折強(qiáng)度分析結(jié)果知,影響粉煤灰提鋁渣基膠凝材料早期強(qiáng)度最主要的因素是粉煤灰提鋁渣摻量。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水膠比和粉煤灰提鋁渣對(duì)膠凝材料的抗折強(qiáng)度影響作用增強(qiáng)。

不同水膠比條件下,粉煤灰提鋁渣摻量與不同齡期膠凝材料凈漿抗折強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示。水膠比W分別取值0.25,0.30,0.35 和0.40時(shí),抗折強(qiáng)度在不同齡期均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)摻量大于60%時(shí),由于堿性環(huán)境中粉煤灰提鋁渣摻入量過(guò)大,不足以完全激發(fā)其活性,造成同等條件下強(qiáng)度下降,對(duì)比分析可知:粉煤灰提鋁渣最優(yōu)摻量宜控制在55%左右,此結(jié)論與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。

圖5 粉煤灰提鋁渣摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響分析

因此,確定粉煤灰提鋁渣基膠凝材料最優(yōu)配合比為:水膠比為0.30(因素水平2),粉煤灰提鋁渣摻量為55%(因素水平3),水泥摻量為25%(因素水平4),粉煤灰摻量為3%(因素水平1),礦粉摻量為17%。

3 結(jié) 論

(1)粉煤灰提鋁渣基膠凝材料最優(yōu)配合比為:水膠比為0.30,粉煤灰提鋁渣摻量為55%,水泥摻量為25%,粉煤灰摻量為3%,礦粉摻量為17%。

(2)粉煤灰提鋁渣基膠凝材料抗壓強(qiáng)度分析結(jié)果表明,粉煤灰提鋁渣和水泥摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較大,水泥摻量越大,抗壓強(qiáng)度越高,粉煤灰提鋁渣摻量取值不宜超過(guò)60%。水膠比對(duì)凈漿抗壓強(qiáng)度影響較大,水膠比越高,抗壓強(qiáng)度越小。

(3)粉煤灰提鋁渣基膠凝材料抗折強(qiáng)度分析結(jié)果表明,粉煤灰提鋁渣摻量對(duì)粉煤灰提鋁渣基膠凝材料早期強(qiáng)度影響最大。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水膠比和粉煤灰提鋁渣對(duì)膠凝材料的抗折強(qiáng)度影響作用增強(qiáng)。