堿渣粉煤灰高強型陶粒的研制

1、2000年第6期(總第128期)Number6in2000(TotalNo.128)混 凝 土Concrete全國建筑科學核心期刊ChinaBuildingScienceCorePeriodical堿渣粉煤灰高強型陶粒的研制王 晴王立久 艾紅梅(沈陽建筑工程學院,大連理工大學)(大連理工大學土建學院建材室)1提 要2 本文通過正交試驗,以工業(yè)廢渣(粉煤灰和堿渣)為主要原材料研制高強輕質陶粒。研究表明,堿渣、粉煤灰按3B7比例、低溫燒結的陶粒具有高強低密度的特點。該成果對于綜合利用工業(yè)廢渣和保護環(huán)境具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。1關鍵詞2 陶粒 堿渣 粉煤灰 輕集料高性能輕集料是比同密度等級普通

2、輕集料具有更高顆粒強度和較低吸水率的一種優(yōu)質人造輕集料。本試驗研制的堿渣粉煤灰高強型陶粒不同于普通的人造輕集料,它的筒壓強度比同密度等級普通輕集料的指標至少高一個等級。堿渣粉煤灰高強型陶粒是以工業(yè)廢渣)粉煤灰和堿渣為主要原料,摻入部分水玻璃,經(jīng)磨細、配料、成球以及燒成而得到的人造輕集料。堿渣中CaCO3含量高,在燒成過程中熱分解產(chǎn)生氣體,形成多孔結構,達到輕質、低密度的目的。堿渣是苛化法制純堿排出的廢渣,廢渣主含量為CaCO3,含水約50%。粉煤灰是熱電廠排放的廢渣。用堿渣和粉煤灰開發(fā)新型高強陶粒,不僅充分利用了廢渣,減少了環(huán)境污染,而且生產(chǎn)的陶粒制品成本較低,具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。(

3、3)水玻璃硅酸鈉凝膠,模數(shù)為218。112 正交試驗設計11211 基礎研究在基礎研究過程中,采用堿渣和粉煤灰兩種材料,在相同的成型工藝和燒制條件下采用9種不同配比進行試驗,選取的配比分別是堿渣:粉煤灰(%)=10/90;20/80;30/70;40/60;50/50;60/40;70/30;80/20和90/10,其結果如圖1所示。當堿渣和粉煤灰百分比例為30B70時,具有較高的筒壓強度和較低的顆粒密度,故選用初步配合比堿渣:粉煤灰(%)=30B70。1 試 驗111 原材料(1)粉煤灰選用大連化學工業(yè)集團熱電分廠干排粉煤灰,其化學成分及物理性能如表1和表2所示。表1SiO253134粉煤灰

4、的化學成分%Al2O328152Fe2O34116CaO1191MgO1147圖1 不同堿渣/粉煤灰比例對應的筒壓強度和顆粒密度11212 因素與水平根據(jù)性能和成本綜合考慮,在固定了堿渣和粉煤的灰百分比例為30B70以后,選取了燒成溫度、水玻璃摻量和水固比三個因素,每個因素選三個水平,其因素水平見表4。表4因 素燒成溫度e114011601180表2密度(g/cm3)2102粉煤灰的物理性質堆積密度(kg/m3)740密實度(%)3614孔隙率(%)63160108mm篩余量(%)1319因素水平表水玻璃用量ml01020水固比(w/c)013001350140(2)堿渣選用大連化學工業(yè)集團純

5、堿分廠苛化法排出的廢渣,其化學成分見表3。表3CaCO34849水平1水平2水平3堿渣的化學成分%CaO12Na2CO3、NaOH混合物中的Na2O1211213 試驗安排含水量50選用L9(3)正交表來安排試驗,將上面三個因素依次A,B,C列。用5115承壓筒法做筒壓強度測定,#4壓入深度為2cm?？紤]到陶粒既要求較高的筒壓強度又要求較低的顆粒密度,故選取單位顆粒密度的筒壓強度指標(即筒壓強度和顆粒密度的比值,以下簡稱單位密度強度)作為考核指標,試驗方案及測試結果見表5。表5ANo.燒成溫度e1(1140)2(1160)3(1180)1(1140)2(1160)3(1180)1(1140)2

6、(1160)3(1180)20147241152315861828105718631682 試驗結果與分析211 最佳配合比確定方差分析見表6。表6方差分析表平方和SSA=21615自由度2248均 方SSA/2=1131SSB/2=0161SSce=0108F2值FA=16138FB=7162臨界值F0101(2,4)=1810F0105(2,4)=619方差來源試驗方案及測試結果B水玻璃用量%1(0)1(0)1(0)2(10)2(10)2(10)3(20)3(20)3(20)2118024128221127127810971372148C水固比(W/C)3(014)1(0130)2(013

7、5)2(0135)3(0140)1(0130)1(0130)2(0135)3(0140)22102221892312971347163717611270117D空列231312123221762214722197單位密度強度33(10MPa#m/kg)燒成溫度水玻璃用量SSB=11213水固比空列誤差總 體SSC=01281SSe=01042SSt=41151123456789Kj1Kj2Kj3kj1kj2kj3R616171587161714781768105613971817192由試驗數(shù)據(jù)直觀分析和方差分析可知,對于單位密度強度試驗指標,三個影響因素中,燒成溫度和水玻璃的影響是顯著的,水

8、固比影響不顯著,已被誤差淹沒,并入誤差。最好的試驗條件是A2B2C0,即燒成溫度為1160e,水玻璃摻量為10%,水固比可在允許范圍內任取。通過以上試驗分析,選擇最佳的實驗方案是燒成溫度為1160e,堿渣粉煤灰陶粒的最佳工藝配比為:粉煤灰63%,堿渣27%,水玻璃10%,考慮節(jié)能因素,水固比為可取013。212 基本技術指標經(jīng)試驗優(yōu)化最終確定的配料及工藝條件下,產(chǎn)品的技術性能測試結果見表7所示。表7項 目技術性能測試結果測 定 值11131295917515113 成型工藝流程粉煤灰材料的可塑性差,加入塑性指數(shù)較大的堿渣和水玻璃不僅便于成型而且使坯體的強度得以提高。但堿渣的加入量不能超過50%

9、,否則陶粒的強度太低,且燒成后易發(fā)生粉化現(xiàn)象。在成型工藝時需用強制攪拌,使原料充分混和均勻,使獲得更高的強度和其他優(yōu)良性能。成型溫度越高,強度越高,吸水率越低,但顆粒密度明顯增高。成型工藝流程如圖2所示:筒壓強度(MPa)顆粒密度(kg/m3)1h吸水率%顆粒孔徑(mm)213 微觀結構新型陶粒的X射線衍射圖見圖2。通過XRD圖譜分析,可以看出主要有硅灰石(B2CaSiO3)晶相,另外還有少量鈣斜長石(CAS2)、蘭晶石(Al2SiO4)和低溫方石英晶相。掃描電鏡圖3和圖4分別是加入水玻璃和未加入水玻璃的SEM圖。從SEM圖可以看出,未加入水玻璃時,陶粒呈現(xiàn)實體和孔隙孤立分布狀態(tài),加入水玻璃后

10、,陶粒呈現(xiàn)多微細孔隙相互交織的網(wǎng)絡結構。水玻璃的加入,提高了原料的可塑性,使粉煤灰和堿渣兩種主要原料能很好固結在一起,另外水玻璃還改變了孔隙的結構,原有的大孔隙變成了微細小孔,故圖2 粉煤灰堿渣陶粒生產(chǎn)工藝流程圖在提高陶粒的強度的同時,又降低了陶粒的吸水率。堿渣中的碳酸鈣在燒結過程中要放出很多二氧化碳氣泡,水玻璃的加入使更多的氣泡在陶粒中得以保存下來,因此又降低了陶粒的顆粒密度。#圖3 陶粒X2射線衍射分析圖4 未摻水玻璃的陶粒SEM圖譜 圖5 摻入水玻璃的陶粒SEM圖譜3 結 論(1)通過正交實驗表明,利用堿渣和粉煤灰可以在較低溫度下燒結成高強低密度陶粒。(2)堿渣和粉煤灰的最佳配比為3B7

11、,燒結溫度為1160e,該堿渣粉煤灰陶粒具有強度高、吸水率低、密度較低的優(yōu)良性能。(3)堿渣粉煤灰陶粒的主要原材料全采用工業(yè)廢渣,可以減少環(huán)境污染,降低生產(chǎn)成本,具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。參考文獻11龔洛書.積極研究與開發(fā)高性能輕集料混凝土.混凝土.2131415161711999,(3).曲學柱,王紅艷.粉煤灰陶粒的研制與試生產(chǎn),新型建筑材料1998,(9).王立久編著.建筑材料學.北京:中國水利水電出版社,1997.王立久主編.新型建筑材料.北京:中國電力出版社,1997.柯勁松,劉定芳.廢玻璃陶粒的開發(fā)研制.混凝土與水泥制品,1995,(1).馮乃謙編著.天然沸石混凝土應用技術.北京

12、:中國鐵道出版社,1996.邢鋒,馮乃謙.玻璃陶粒的研制.新型建筑材料,1998,(10).收稿日期 2000202202地 址 沈陽市東陵區(qū)文化東路17號(110015)電 話 024224222957ResearchonSodaResidueandFlyAshHighStrengthCeramsite1Abstract2 Thethesisisabouttheresearchofthehighstrengthandlightweightceramsiteusingindustrilwasteresidue(flyashandWangQing,WangLijiu,AiHongmeisodaresidue)asmainmaterialsthroughorthogonaltest.Itpointsoutthatiftheproportionofsodaresidueandflyashis3B7,low2tempera2turesinteredceramsitehasthecharacterofhighstreng