粉煤灰基地聚物的抗压强度及分形维数研究

刘鸣明+罗浩

摘 要：本文简要介绍了粉煤灰作为地聚物材料的研究背景，介绍了分形理论的研究方法以及在研究地聚物材料时的优势。对不同Si/Al比下的粉煤灰地聚物材料的抗压强度及分形维数进行了研究。通过调整原材料Si/Al比，对地聚物材料的抗压强度、颗粒表面起伏分维做定量分析得出两者随Si/Al比变化的规律。

关键词：粉煤灰地聚物 分形维数 抗压强度

中图分类号：TB528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0103-02

粉煤灰是一种工业生产排放的硅铝酸盐残渣，是具有一定火山灰活性的固体废料，主要收集于煤燃烧后的烟气管道中，常见于冶炼厂、化工厂及燃煤电厂等。粉煤灰作为一种具有高度分散特点的颗粒集合体，颗粒直径细至约1～50μm，形状多为多孔型蜂窝。粉煤灰也有着较大的比表面积，吸附活性较高，色度跨越从乳白至灰黑，外观特征与水泥十分相似。

粉煤灰作为我国排放量最多的工业废渣，如何妥善处置以及将它回收再利用，一直是各个研究机构与学者的研究中心。除了少量MgO、TiO2、SO3、FeO、Fe2O3、Na2O和CaO外，粉煤灰的化学组成主要由SiO2与Al2O3构成。因为粉煤灰的成分中含有大量的硅铝成分，而硅铝成分是制备地聚物材料时的主要构成成分，所以在过去的研究中，大量学者将粉煤灰作为一种合适的原料制备地聚物材料，实现粉煤灰的回收再利用。

然而由于粉煤灰地聚物材料中发生的聚合反应十分复杂，最终产物中存在着各种形式的物相，包括固体、液体和气体（不同位置、不同环境条件下形成），所以其组成和结构都比较复杂，导致材料结构的非线性，因此用传统的方法研究材料的结构非常困难。而分形理论是一种研究自然界中无规则变化现象的新方法，国内外许多学者基于该理论对材料的微观结构进行了大量的研究并获得了相应的成果，为材料结构的研究提供了一个新的途径。

1 不同硅铝比的粉煤灰地聚物材料分形维数分析

1.1 粉煤灰地聚物材料颗粒表面起伏分维的计算

颗粒表面起伏分维Dpr求解时，用不同测尺长度对颗粒边缘轮廓线进行测量，将不同长度测尺下得到的颗粒表面数据运用线性关系式在双对数坐标系中对其进行拟合，该直线斜率的负值即为粒度分维值Dps。其中G2组Si/Al比为1，G3组Si/Al比为1.2，G4组Si/Al比为1.5。三组材料颗粒表面起伏分维值与抗压强度的关系如表1。

1.2 粉煤灰地聚物材料硅铝比与材料颗粒表面起伏分维关系

从图1中可以看出，本组粉煤灰基地聚物的颗粒表面起伏度在1.20左右变化。随着材料中Si/Al比的增大，颗粒表面起伏分维数值愈发减小。当原材料的Si/Al比由G2的1提高到G3的1.2时，顆粒表面起伏度数值降低的比例很大，为1.6%。当原材料的Si/Al比由G3的1.2提高到G4的1.5时，颗粒表面起伏度数值降低的比例较小，只有0.14%。

1.3 粉煤灰地聚物材料颗粒表面起伏分维与材料抗压强度的关系

从图2中可以看出，当颗粒表面起伏分维由1.1906L高至1.1924，地聚物材料抗压强度提升数值小，提升速率较大。此时对应着材料硅铝比的降低，由G4的Si/Al比1.5降低至G3的Si/Al比1.2。当颗粒表面起伏分维由1.1924L高至1.2121时，地聚物材料抗压强度数值提升大，上升速率有所放缓。此时对应着材料硅铝比的降低，由G3的Si/Al比1.2降低至G2的Si/Al比1.0。

2 结论

（1）当原材料Si/Al比上升时，高浓度的可溶性硅阻碍了Si、Al键的结合，从而导致地聚物聚合时骨骼密度的降低，结构越发松散，进而导致材料的颗粒表面起伏分维下降以及材料的抗压强度降低。

（2）当颗粒表面起伏分维升高时，材料的抗压强度数值也在升高。这是因为当材料内部凝结紧密时，材料内部会生成颗粒表面起伏较大的集团粒，这个时候颗粒表面起伏分维也将偏大。而当材料内部结构松散时，颗粒表面起伏较小，则颗粒表面起伏分维数值也较小。

参考文献

[1] 徐红.粉煤灰的矿物相态和颗粒组成分析[J].电力环境保护，1999，15（4）：24-26.

[2] 张季如，祝杰，黄丽，等.土壤微观结构定量分析的IPP图像技术研究[J].武汉理工大学学报，2008（4）：80-83.

[3] 郑芝恒，高建伟.基于IPP分析的改良土微观特性研究[J].交通科技，2015（6）：124-127.endprint