粉煤灰提铝渣基胶凝材料制备及性能研究

2021-07-02高桂梅张云峰松丽涛王宏宾钞晓光

轻金属 2021年5期

高桂梅,张云峰,图亚,松丽涛,戴崟,王宏宾,曹坤,钞晓光

(神华准能资源综合开发有限公司,内蒙古鄂尔多斯 017100)

全球范围内,随着铝土矿资源的日益减少和对铝材料需求的增长,从粉煤灰中提取氧化铝的技术日渐被关注。神华准能资源综合开发有限公司利用“一步酸溶法”技术实现了从粉煤灰中提取氧化铝,并建设了4000吨/年氧化铝中试厂[1],对中国这样一个粉煤灰排放大国而言,有着重大而深远的意义。粉煤灰提铝渣的性状为酸性污泥[2],若不加以处理对环境具有危害性,其妥善处理是酸溶法提铝这一技术应用中必须解决的现实问题[3-4],为解决这一环保问题,实现粉煤灰提铝渣资源高效综合利用,对粉煤灰提铝渣的深度加工利用迫在眉睫。化学分析结果表明,粉煤灰提铝渣和粉煤灰等材料其主要化学组成有Si、Al、Fe、Ca、Na和O等[5],在其化学组成方面具有制备胶凝材料的潜力,有望将其开发为新型环保、低碳、低能耗的胶凝材料,部分替代传统胶凝材料,用于矿山胶结充填、路基材料和墙体砌块材料等方面[6-8]。

本文以粉煤灰提铝渣、粉煤灰等工业废弃物为主要原料制备粉煤灰提铝渣基胶凝材料,研究了配方对抗压、抗折强度的影响,工艺简单,成本低。该方法制备的胶凝材料既能大量消耗固废、节约资源,起到节能减排的作用,又能满足不同道路交通的要求,有利于推动社会经济可持续发展。

1 实验

1.1 原材料

本研究采用的原料是作为粉煤灰的二次废弃物的粉煤灰提铝渣,取自内蒙古神华准能的高铝粉煤灰提铝后残渣。矿渣,PO52.5硅酸盐水泥(矿物组成为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)。试验所用拌合水为民用自来水。通过X荧光成分分析仪(XRF)分析原料的化学组成见表1所示。本实验所用粉煤灰、矿渣和水泥常见的物理性能如表2所示。对粉煤灰提铝渣,粉煤灰和矿渣的微观形貌如图1所示。

表1 原料的化学组成 %

表2 实验所用原料的物理性能

图1 粉煤灰(a)、(b),矿渣(c)、(d)和粉煤灰提铝渣(e)、(f)的微观形貌

1.2 样品制备

基于数理统计原理设计5因素4水平的正交试验,共 5 个取代率不同的因素W(水胶比)、B(粉煤灰提铝渣掺量)、C(水泥掺量)、F(粉煤灰掺量)、K(矿粉掺量),采用L16(45)正交表,其中矿粉掺量K保持17%不变。基于正交设计实验,将粉煤灰提铝渣、水泥、粉煤灰与矿渣等粉体原材料按比例称量混合均匀,与水混合搅拌制备胶凝材料净浆,通过抗压强度与抗折强度测试,确定力学性能最优的配合比。

表3 正交试验因素水平表

1.3 性能测试与表征

粉煤灰提铝渣基胶凝材料的抗压强度测试与抗折强度测试依照国家标准强度检验评定标准,样品大小为100 mm×100 mm×100 mm和200 mm×100 mm×60 mm,测试采用WAW-1000D型微机控制电液伺服万能试验机测试样品的抗压强度与抗折强度(MPa),同组样品重复测量3次取平均值。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰提铝渣基胶凝材料最优配合比

粉煤灰提铝渣基胶凝材料流动度,凝结时间和抗压抗折强度是判定工作性能与力学性能是否优良的重要指标,因此对粉煤灰提铝渣基胶凝材料净浆正交设计16组试样3 d、7 d与28 d测试其抗压强度和抗折强度(3 d与7 d强度是胶凝材料净浆早期强度指标,28 d强度是长期强度指标),流动度和凝结时间,测试结果如表4所示(表中W、B、C和F中1～4分别代表因素水平在1～4时的取值)。28 d抗压强度和抗折强度极差分析、28 d抗压强度和抗折强度方差分析分别见表5、表6和表7。

表4 正交试验性能测试结果

表5 28d抗压强度和抗折强度极差分析

表6 28d 抗压强度方差分析

表7 28d 抗折强度方差分析

从表5中可以看出,对于28 d抗压强度,B(粉煤灰提铝渣掺量)因素极差最大, 之后依次为 F(粉煤灰掺量),C(水泥掺量),W(水胶比),K(矿粉掺量)。由此说明,各因素对抗压强度的敏感性由大到小为 B>F>C>W>K。这说明水胶比和粉煤灰提铝渣掺量对胶凝材料抗折强度影响较大。

W(水胶比)因素极差最大, 之后依次为 B(粉煤灰提铝渣掺量),C(水泥掺量),K(矿粉掺量),而F(粉煤灰掺量)因素极差最小.由此说明,各因素对抗折强度的敏感性由大到小为W>B>C>K>F,这说明水胶比和粉煤灰提铝渣掺量对胶凝材料抗折强度影响较大。

为了进一步研究各因素对粉煤灰提铝渣基胶凝材料28 d 抗压和抗折强度值的影响,对28 d抗压和抗折强度值进行方差分析,分析结果见表6和表7。横向比较各因素的F值大小,由此可见,通过方差精确计算得出的结果与极差所得结果相同。

2.2 抗压强度分析

胶凝材料净浆3 d,7 d和28 d抗压强度的因素指标分析结果如图2(a～c)所示。随着水泥掺量的增加,抗压强度有大幅增加的趋势,水泥水化形成的碱性环境有利于强度的发展。水胶比、粉煤灰提铝渣掺量、粉煤灰掺量均存在最优值,其中水胶比在0.30(水平因素2)时3 d、7 d强度均较高;粉煤灰提铝渣掺量在55%(水平因素3)时3 d、7 d强度达到最优;粉煤灰掺量宜控制在5%左右。水胶比、粉煤灰提铝渣掺量、水泥掺量、粉煤灰掺量对28 d强度的发展均存在最优值,过大的水胶比由于加水量过多会导致碱性环境浓度下降,引起胶凝组分的反应不充分,导致强度下降,最优水胶比在0.30(水平因素2);粉煤灰提铝渣掺量在55%最佳,过高掺量由于在碱性环境下的激发不充分引起强度下降;水泥掺量宜大于10%,才能保证胶凝体系充分的碱性环境;粉煤灰掺量不宜过大,宜控制在5%以下(水平因素1)。

图2 抗压强度因素指标分析

综合分析胶凝材料配合比对早期与长期抗压强度的影响规律可知,影响抗压强度发展的主控因素是粉煤灰提铝渣掺量和水泥掺量,理论上,在合理取值范围内,水泥掺量越大,抗压强度越高。粉煤灰提铝渣掺量取值不宜超过60%。在合理取值范围内,水胶比对净浆抗压强度影响较大,水胶比越高,抗压强度越小。

不同水胶比条件下,粉煤灰提铝渣掺量与不同龄期胶凝材料净浆抗压强度的关系如图3所示。水胶比W分别取值0.25,0.30,0.35和0.40时,抗压强度在不同龄期均呈现出先增大后减小的趋势,当掺量达到60%时,由于碱性环境中粉煤灰提铝渣掺入量过大,不足以完全激发其活性,造成同等条件下强度下降,对比分析可知:粉煤灰提铝渣最优掺量宜控制在55%左右(水平因素3)。

图3 粉煤灰提铝渣掺量对抗压强度的影响分析

2.3 抗折强度分析

针对正交设计16组试样3 d、7 d与28 d抗折强度测试结果进行指标化分析,结果图4。随着水胶比的增加,3 d抗折强度呈现先增大后减小的趋势。主要因为在早期,水化反应产物还不多,用水量偏大,碱度较低,胶凝材料活性未充分激发,颗粒或凝胶物之间存在孔隙,早期强度偏低,但用水量过大同样会降低碱度,因此水胶比存在最优值。在早期,粉煤灰掺量对3 d抗折强度影响并不明显,这是因为在早期粉煤灰的火山灰效应并未体现,碱性溶液的影响作用不够显著,粉煤灰在早期并未发挥强度促进作用。随着水泥掺量的增加,3 d抗折强度呈现先减小后增大的趋势,水泥用量充足,碱度高,胶凝组分活性充分激发[9-10],水泥掺量不宜小于15%。粉煤灰提铝渣掺量也存在转折点,最佳掺量宜控制在55%左右。图4(b)中7 d抗折强度随着水胶比的增大而增大。随着水泥掺量的增大而呈增大趋势,粉煤灰的火山灰效在7天开始体现,但掺量不宜过大。粉煤灰提铝渣掺量增大,7 d抗折强度呈现先增大后减小的趋势,粉煤灰提铝渣掺量存在转折点,最佳掺量宜控制在55%左右。图4(c)中28 d抗折强度随着水胶比、水泥掺量的增大呈现增大趋势,水泥掺量宜大于20%。随粉煤灰提铝渣掺量的增大抗折强度先增大后减小,粉煤灰提铝渣掺量过大,28 d抗折强度下降幅度较大,所以粉煤灰提铝渣掺量宜控制在60%以下。28 d抗折强度随着粉煤灰掺量的变化不明显,粉煤灰的火山灰效应在28 d龄期得到充分体现。

图4 抗折强度因素指标分析

由正交设计16组试样的3 d、7 d和28 d抗折强度分析结果知,影响粉煤灰提铝渣基胶凝材料早期强度最主要的因素是粉煤灰提铝渣掺量。随着养护龄期的增加,水胶比和粉煤灰提铝渣对胶凝材料的抗折强度影响作用增强。

不同水胶比条件下,粉煤灰提铝渣掺量与不同龄期胶凝材料净浆抗折强度的关系如图5所示。水胶比W分别取值0.25,0.30,0.35 和0.40时,抗折强度在不同龄期均呈现出先增大后减小的趋势,当掺量大于60%时,由于碱性环境中粉煤灰提铝渣掺入量过大,不足以完全激发其活性,造成同等条件下强度下降,对比分析可知:粉煤灰提铝渣最优掺量宜控制在55%左右,此结论与抗压强度的变化趋势一致。