粉煤灰制备矿物聚合材料正交实验研究*

李 帅，武文芳，孙琼会，连明磊，雷以柱，石开仪

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州六盘水553004）

粉煤灰主要来源于火电厂生产用的煤粉炉或沸腾炉，它是煤燃烧后产生的细粒状残渣，主要成分是硅、铝、铁、钙、镁的氧化物。大量堆放的粉煤灰不仅占用土地，而且污染环境。而矿物聚合材料的制备就是粉煤灰资源化利用的方向之一［1-3］。

矿物聚合材料属于一种碱激发胶凝材料。所谓碱激发就是用碱使粉煤灰中的Si—O键、Al—O键发生断裂，引发其活性。激活后的粉煤灰能与水泥、偏高岭土、砂子等硅铝酸盐在搅拌混合条件下发生聚合，通过成型与养护等过程生成一种新型非金属材料。王刚等［4］以粉煤灰和偏高岭石为主要原料合成矿物聚合材料，3 d抗压强度达到39.27 MPa，电镜分析表明材料内部玻璃体结合程度较高，因此强度也很高。贾屹海等［5］用粉煤灰制备了矿物聚合物，28 d 抗压强度达到 70 MPa。 Haque［6］使用 F 类粉煤灰替代部分水泥制成了高性能的混凝土，28 d抗压强度可达111 MPa，比未加粉煤灰的混凝土强度提高了20%。因为粉煤灰基矿物聚合材料具有良好的力学性能和稳定的化学性能，而六盘水地区又具有丰富的粉煤灰固废资源，因此利用粉煤灰制备矿物聚合材料具有一定的经济价值和社会价值［7-8］。

1 实验部分

1.1 粉煤灰性质

粉煤灰取自六盘水市野马寨大唐发电有限公司，其主要化学成分见表1。由表1看出，粉煤灰主要成分为铝、硅、铁的氧化物，其质量分数之和为83.58%，CaO质量分数为3.12%（＜5%），属于低钙灰。

表1 粉煤灰化学成分及含量

采用Winner2005A激光粒度仪测试粉煤灰的粒度分布，结果见图1。由图1看出，粉煤灰D50=24.132μm、D90=76.516 μm，平均粒径为 33.122 μm。

图1 粉煤灰粒径分布图

1.2 实验流程

以粉煤灰、水泥、偏高岭土（800℃高温煅烧）、砂子为固体原料 （其中水泥和砂子为普通建筑用料），以氢氧化钠和硅酸钠的混合溶液为液体原料（碱激发剂）。先称取固体原料，4种原料按照相应比例置于水泥胶砂搅拌机中混合均匀。再准备液体原料，按照固液比、氢氧化钠溶液浓度、硅酸钠占液相比等3个比例配好混合溶液。将混合溶液倒入固体混料中，在搅拌机中搅拌3 min。把混合胶砂装入钢质试模（40 mm×40 mm×40 mm）中，振动4 min 成型，在室温下24 h脱模，继续室温养护7 d，制得矿物聚合材料［9-11］。

2 实验结果与讨论

根据前期多因素逐项探索实验结果分析，当原料中加入水泥时聚合材料的强度提高明显，而不加水泥时材料的强度很小。此次实验为了考察水泥和粉煤灰与其他因素作用程度的关系，参照前期单因素实验结果，按照实验流程设计了A～F 6个因素及3水平，见表2。其中掺比指某原料占整个固体混料的质量比，而偏高岭土用量由固体混料总质量减去水泥、粉煤灰和砂子的质量。对这6因素3水平的实验进行正交设计，并且考虑A×B、B×C、B×E的交互作用，根据正交实验设计原则选择L27（313）表。6个因素及3个交互作用安排见表3，其中第6列为空白列，故没有显示［12-13］。

表2 正交实验因素及水平

根据表3的极差结果得出，较优方案可能为A3B3C2D1E2F1，因素影响顺序为 A＞F＞（B×C）2＞（B×C）1＞（B×E）2＞（A×B）2＞B＞（B×E）1＞（A×B）1＞D＞C＞E。因为交互作用比较多，所以还需要通过方差分析来全面分析实验结果，见表4。从表4看出，因素A、F对实验结果的影响是高度显著的，因素B和交互作用A×B、B×C、B×E的影响是显著的，而因素D有一定的影响作用。但是，由于每个交互作用各占两列，因此需要单独分析各个组合，见表5。从表5看出，A×B作用表，当A取第3水平、B取第1水平时，实验结果为组合中的最大值32.18，因此可取A3B1，而表3中单独分析因素B时得到的较优水平是B3。B×C作用表，当B取第3水平、C取第1水平时，实验结果为组合中的最大值36.59，因此可取B3C1，而表3中单独分析因素C时得到的较优水平是C2。由于因素C对实验的影响很小，所以也是可能的。B×E作用表，当B取第3水平、E取第3水平时，实验结果为组合中的最大值32.06，因此可取B3E3，而表3中单独分析因素E时得到的较优水平是E2。由于因素E对实验的影响也很小，所以这也正常。根据表5得到的较优组合为 A3B1、B3C1、B3E3， 其中 B3C1的实验结果值最大，再加上表3中单独分析因素B时得到的较优水平是B3，所以确定因素B的较优水平为B3。

综上分析，实验较优的组合可能为两个：A3B3C2D1E2F1、A3B3C1D1E3F1。但是，这两组均没有在表3的27次实验中出现过。因此还要根据两个较优组合再进行实验，最后测得两组结果抗压强度分别为17.84、18.29 MPa， 抗拉强度分别为 1.29、1.33 MPa。根据《混凝土结构设计规范》，可知这两组均达到了混凝土C15级别。

表3 正交实验方案及结果

表4 方差分析结果

表 5 A×B、B×C、B×E 作用表

3 结语

1）粉煤灰制备矿物聚合材料是其资源化利用的方向之一，针对六盘水地区丰富的粉煤灰资源，实验研究了以粉煤灰、水泥、偏高岭土和砂子为原料，在碱激发剂作用下生产聚合材料的可行性，证明了这种胶凝材料具有一定的强度，达到了混凝土C15级别，可应用于建材等方面。2）采用正交实验，根据需要考察的因素、水平及交互作用，设计了L27（313）正交表，初步达到了预期的实验结果，即在最优组合A3B3C1D1E3F1条件下，矿物聚合材料的抗压强度达到 18.29 MPa、抗拉强度达到 1.33 MPa。3）本次实验设计显示了正交实验在多因素多水平实验中的优越性，不仅考察了主要因素对实验结果的影响程度，如得出水泥和硅酸钠用量对实验结果的影响是高度显著的，还考察了粉煤灰与水泥、砂子、氢氧化钠的交互作用，得出这3个交互作用对实验的影响都是显著的。但是，依然还有很多交互作用没有考察到，下一步需要根据分析，继续用正交实验来验证。