陕西渭北矿区粉煤灰制备泡沫混凝土的研究.pdf

2 0 1 4年 第 1 O期 (总 第 3 0 0 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHN0LOGY 陕西渭北矿区粉煤灰制备泡沫混凝土的研究 杨建利 。杜美利 。黄婕 ，李永安 ( 西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ) 摘要： 粉煤灰是陕西 胃 北矿区数量较大， 分布最广的工业废渣之一， 随着陕西工业的发展， 每年粉煤灰排放量将会递增， 粉煤灰 的堆存不仅侵 占大量的良田， 还阻塞河道 、 污染空气， 对环境造成 了极大的危害。 合理地开发和应用粉煤灰不但可以节约土地和能 源 ， 还能保护和治理环境。 通过对Ni t ,矿区粉煤灰理化性质的分析， 选择出适合制备泡沫混凝土的粉煤灰及粒度 ， 探索影响粉煤灰泡 沫混凝土发泡剂的主要因素。 通过正交试验得到满足设计要求的最佳配合比， 并对粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度性能进行了系统的研 究。 结果表明， 发泡剂水解温度为 1 0 0 ， 水解时间为 5 h ， 使用量为 4 0 mL时， 制备的泡沫混凝土的抗压强度最好 ， 为 6 5 6 k P a 。 关键词 ： 粉煤灰 ；泡沫混凝土 ；发泡剂 ；抗压强度 中图分类号 ： T U5 2 8 2 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 1 4 5 0 3 St u d y o f u s i n g f l y a s h i n Sh a a n x i W e i b e i m i n e t o p r e p a r a t e f o a m c o n c r e t e YANG J i a nl i ， DUM e i l i ， HUANG ,T i e ， LIYo n ga n ( S c h o o l o f C h e mi s t r y a n dC h e m i c a l E n g i n e e r i n g ， X i an U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y ， X i a n 7 1 0 0 5 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e fl y a s h i S o n e o f t h e mo s t e x t e n s i v e i n d u s t r i a 1 wa s t e r e s i d u e wh i c h a mo u n t i S l a r g e r an d d i s t r i b u t e wi d e l y i n we i b e i mi n e o f S h a a nx i p r o v i n c e， wi th the de v e l o p me n t of Sh a a n xi i n d us t r y， fly a s h e mi s s i o ns i n c r e a s e e v e r y y e a r， a l arg e am o u n t o f fly a s h p i l e up wh i c h no t o n l y t a k e up a l o t off e r t i l e f a r ml a nd， b ut a l s o bl o c k c h a n n e l ， po l l u t e a i r a n d c a us e a l o t o f e n v i r o n me nt a l pr o b l e mRa t i o na l de - ve l o p me n t an d a pp l i c a t i o n of fly a s h C an n o t o n l y s a v e the l an d an d e ne r gy ， s t i l l C an c o ntr o l an d p r o t e c t e n vi r o n me n t Th e an a l ys i z e ph ys i c a l a n d c h e mi c a l p r o pe rti e s o f fly a s h i n W e i be i mi ne are a， c ho o s e the s ui t a bl e n y a s h an d g r a i n s i z e f o r p r e para t i o n o f foa m c o nc r e t e， e x p l o r e i n f l u e n c e m a j o r f a c t o r i n f o a mi n g a g e n t o f foa m c o n c r e t e T h e o p t i m u m mix t u r e r a t i o o f me e t i n g the d e s i g n r e q u i r e me n t s wa s g o t t h r o u g h o r t h o g o na l t e s t ， an d r e s e arc h s ys t e mt i c l y c o mpr e s s i v e s t r e n gt h pe r f o r manc e o f foam fly a s h c o n c r e t e I t h a s s h o wn tha t the h y d r o l y s i s t e m- pe r a t u r e o f f o a mi ng a g e n t wa s 9 0 ， h y d r o l ys i s t i me wa s 5 h， the c o mp r e s s i v e s t r e n g t h of foa m c o nc r e t e pr e p are d wa s the be s t for 5 1 3 k Pa wh e n u s a g e wa s 4 0 mL K e y wor d s ： fl y a s h ； f o a me d c o n c r e t e ； f o a me r ； c o mp r e s s i v e i nte n s i ty 我 国煤炭资源丰富 ， 能源生产以火力发电为主 ， 是粉 煤灰排放大国。 粉煤灰是从煤粉炉子排 出的烟气中收集到 的小颗粒粉末 ， 被称之 为工业 “ 三废 ” 之一。 其主要应 用在 建材 、 建工 、 修路 、 回填 方面其 利用率仅为 4 2 。 粉煤灰也 是陕西地 区数量较大 ， 分布最 广的工 业废 渣之一 ， 随着陕 西工业 的发展 ， 每年粉煤灰排 放量将 会递增 ， 而粉煤灰是 一 种人工火 山灰质材料 ， 作 为混凝 土的掺和料 ， 可以改善 性能、 节约水泥、 提高施工质量和降低材料成本 1_ 】 。 陕西渭北矿区是 陕西省煤炭资源的重要产 区 ， 粉煤灰 的排放量逐年急剧增加。 这些工业废渣的堆积， 不仅 占用 了大量 的土地 ， 而且 污染大气 、 土壤和地下水 ， 导致人类居 住的环境恶化。 由以上对粉煤灰的概述认识及其发展前景， 结合我省粉煤灰的综合利用技术相对落后， 对渭北矿区粉 收稿 日期 ：2 0 1 4 - 0 4 1 2 基金 项 目 ：国家 自然科学基金 ( 4 1 1 7 2 1 4 2 ) 煤灰进行 理化性质分析及表征研究 ， 以便对我省粉煤灰 的 综合利用技术的研究提供理论依据 ， 并提出实际指导。 本研 究利用陕西渭北粉煤灰制备泡沫混凝土有以下几个意义 ： ( 1 ) 有效利用燃煤 电厂产生的高掺量粉 煤灰 、 减少硅酸盐 水泥熟料 的生产 ， 为减少集 中工业 的环境冲击而提供 了一 种解决方案 ； ( 2 ) 目前泡沫混凝土对发泡剂研究 尚未成熟 ， 通过本研究制备 出性能稳定 、 廉价 的发泡剂 ； ( 3 ) 制备 出高 性能的泡沫混凝土 ， 并将其推广使用。 1 试 验 1 1 粉煤灰化学成分分析 试验用粉煤灰取 自陕西渭北矿区， 粉煤灰主要成分是 A l 2 0 3 、 S i O 2 ， 另外还含有数量不等的 F e 2 0 3 、 C a O、 Mg O 、 N a 2 0、 K 2 0、 P O 、 S O 和微量稀有元素。 根据粉煤灰制备泡沫混凝土 的需要 ， 此次研究主要分析 了 A l 2 0 ， 、 S i O 2 、 F e 2 O 3 、 C a O、 Mg O， 1 4 5 各成分分析方法按照 G B T 1 5 7 4 2 o 0 7 粉煤灰成分分析 方法执行 ， 结果如表 1 ： 表 1 粉煤 灰 化学成 分 1 2 泡沫混凝 土的制备 1 2 1 主要原材料 试验用原材料包括 ： 粉煤灰 ( 陕西渭北矿区 ) ， 水泥 ( 陕 西耀县水泥厂 ) ， 砂子 ， 石头( 西 安科技 大学建 筑队 ) ， t , J J u 剂( 西安科技大学建工学院试验室 ) 。 1 2 2 主要试验仪器和设备 表 2 试验仪器 1 2 3 试验方法 的确定 潘志华 ， 张 巨松等 4 人 分别 阐述 和总结 了 目前 泡沫 混凝土的生产方法。 第一 种是将 发泡剂溶入水 中， 然后和 水泥均匀搅拌 。 第二种是采用高速搅拌 叶片制取泡沫 ， 国 内的制泡技术 目前主要是采用高速搅拌机 ， 即将发泡剂溶 液倒入高速搅拌机 中， 然后用搅拌机的高速叶片搅动发泡 剂溶液来制取泡沫 。 第三种是采用压缩空气法制泡 ， 国外 多用此方法生产 泡沫混凝土。 发泡剂是生产泡沫混凝土 的 关键 。 因为发泡剂 的种类不 同， 所制泡沫混凝土 的质量相 差较大， 主要体现在浆体的稳定性、 气孑 L 孑 L 径的大小与均 匀性 、 硬化体 的力学性能及抗冻性等 。 选择最佳 的发泡剂 品种和适宜的掺量是制备高质量泡沫混凝土的首要条件嗍 。 角蛋 白存在 于各种动物体 内。 动 物的蹄 角、 毛发及 羽毛中 含有大量的角蛋 白， 含量均在 8 0 以上 。 对动物角蛋 白进 行水解 ， 经过加工处理后 可以制得蛋 白质 型发 泡剂 。 而角 蛋白市场价格 比较贵 ， 本研究选用另一种蛋 白质 ( 鸡蛋清 ) 代替角蛋 白来解决角蛋 白价格贵的问题 。 采用第二种研究 方法制取泡沫 。 1 2 4 本试验流程 图 1 为粉煤灰制备泡沫混凝土工艺流程图。 图 1 泡沫混凝土制备工艺流程 1 2 5 发泡剂的制备 蛋 白质型发泡剂是在碱性环境下水解蛋 白质 ， 制取蛋 1 46 白质型发泡剂 。 主要反应可表示为下式 ： 角蛋 白 强酸 、 强碱、 酶水解 肽 多肽 氨基酸 称取 2 0 g 鸡蛋清与 2 2 5 g C a ( O H) 2 放置于 2 5 0 mL烧 杯中 ， 加入 1 5 0 mL自 来水 。 在恒温水浴锅中在 8 0 1 0 0条 件下反应 4 6 h 后 ， 将水解液过滤 、 中和 、 浓缩制得蛋 白质 型发泡剂母液 ， 在发泡剂母液 中加入 0 2 明胶 ， 使用时将 5 0 mL发泡剂母液与 5 0 mL自来水混合使用 。 1 2 6 泡沫混凝土的制备与试块养护 ( 1 ) 原材料的配制和搅拌 按照配合比把所需 的干物料称重 ， 放到大脸盆中搅拌 0 5 1 mi n 使干粉混合均匀， 再倒入一定量的水， 充分混合均 匀， 得到流动状态的混合浆体。 ( 表 3 为泡沫混凝土配合比) 表 3 泡沫混凝土配合比 g ( 2 ) 混泡与成 型 将制备好 的发泡剂逐渐加入到搅拌好的混合浆体 中， 搅拌 时间为 1 3 mi n ， 然后将泡沫混凝土浆体 注入涂好 油 的试模中 ， 应注意的是泡沫混凝土不能剧烈的振动 以免气 泡破裂 ， 在 流动度低 的情况 下 ， 由于密度很轻很难通过 自 流平达到完全充满模具 ， 需要在试模的外壁轻轻振捣 ； 在大 流动度的情况下， 泡沫混凝土浆体可以完全自流平、 白密实。 泡 沫混凝 土注入试模后 ， 用小铲刀及时刮平表面 ， 在 阴凉 条件下 ， 常温静止 2 4 h后脱模 。 ( 3 ) 养护 本研究采用 自然养护的方法 ： 浇筑入模 的泡沫混凝土 ， 用小铲刀刮平后 ， 置于阴凉处 2 4 h后脱模。 由于泡沫混凝 土的强度较低 ， 浇注后 2 4 h内要注意保护 ， 禁 止脚踩 ， 更不 允许将石块 、 木块或其他物 品压在上面 。 2 4 h 脱模后 ， 将 混 凝土块置于阳台上盖上湿抹布， 在湿度为 8 0 9 0 条件 下 ， 常温静养 7 d 。 7 d 后在压力机上测试其抗压强度 。 1 2 7 抗压强度的测定 本研 究采用 T A P P I T 8 0 4型压力机 进行混 凝土块 的 抗压强度测试。 1 2 8 探究粉煤灰粒度与混凝 土抗压强度 的关系 粉煤灰 的粒度很大程度上影响着泡沫混凝土 的抗压 强度 ， 故本研 究从 粒度着手试验 ， 选择 出制备泡沫混凝土 的粉煤灰最佳粒度 ， 其关系如表 4 ： 表 4 粉煤灰粒度与混凝土强度关系 粉煤灰粒度 目 3 2 5 2 5 0 2 0 0 1 2 0 7 5 抗压强度 k P a 3 9 0 4 3 1 5 1 3 4 7 2 4 1 0 由图 2可以看出 ， 粉煤灰粒度在 2 0 0目时 ， 用其制备 的泡沫混凝土抗压强度最大 ， 达到 5 1 3 k P a ， 故 以下其他试 验所用粉煤灰粒度选 2 0 0目的。 1 3正 交试 验 1 3 1 正交试验设计 正交试验方法是在生产的各个领域 中得到广泛应用 的一种试验设计方法。 它是使用一套规格化的“ 正交表” 来 粉煤灰 粒度 ， 目 图 2 粉煤灰粒度与抗压强度的关系 安排和分析多因素试验的一种数理统计方法， 排出最有代 表性 的试验次数 ， 并能从仅做的少数试验 中充 分得到所需 信息。 本研究应用正交试验方法分析与讨论了泡沫混凝土 制备时发泡剂对其的影响作用： 抗压强度与发泡剂使用情 况间关 系 ， 以进一步找到粉煤灰混凝土发泡剂最佳发泡条 件及使用量。 其详细步骤如下： ( 1 ) 因素及其水平的确定 由前期查阅文献得知 ， 影响泡沫混凝土的性能主要是 发泡剂的作用， 制备蛋白质发泡剂时考虑水解温度、 水解 时间 ， 这是首要 因素 ， 故本正交试验选取发泡剂 的发泡温 度 、 发泡时间 、 及其使用量为正交试验因子 。 各 因素与水平 的选择具体见表 5 。 表 5 各因素与水平的选择 ( 2 ) 正交试验表头设计 由于选择了 3 水平 3因素， 故所选正交表列数不得少 于 5 ， 通过查 3 水平 3 因素正交表， 最后选择了 L 9 ( 3 ) 正交 表来设计试验 。 表 5 是本正交试验 的设计表 。 1 3 - 2 记录并分析试验结果 按粉煤灰制备泡沫混凝 土的工 艺流程 进行 正交试验 设计中的各个试验 ， 所得试验结果记录于表 6 ， 并采用极差 分析法分析各因素 。 表 6正交试验计划的制定及试验结果 1 3 3 数据极差分析 通过极差分析方法对表 6的试验数据进行分析， 由结 果可知 ： ( 1 ) 由正交试验 ， 可直 观看 出泡沫混凝 土的抗压强度 相对较好的是发泡剂发泡温度 1 0 0， 发 泡时间 5 h ， 使用 量 4 0 m L， 抗压强度 6 5 6 k P a 。 ( 2 ) 由极差分析可知 ， 在本研究范围内 ， 发泡剂的加入 量对混凝土 的抗压强度影响最显著 ， 相对发泡时间和发泡 温度对混凝土的抗压强度影响弱一些 。 2结论 根据水泥 中各成分含量 ， 陕西渭北矿 区的粉煤灰 中粉 煤灰化学组成中硅铝 比 2 ： 1 ， 接近水泥 中硅铝比， 适合制备 泡沫混凝土 ； 经粒度试验测试 ， 要制备 出较好 的粉煤 灰泡 沫混凝土 ， 应选用粉煤灰的粒度 在 2 0 0目左右 ， 这样使其 制备的泡沫混凝土抗压强度达到最优值； 由正交试验， 泡沫 混凝 土的抗压强度相对较好 的是发泡剂发泡温度 1 0 0 ， 发泡时间 5 h ， 使用量 4 0 mL ， 抗压强度达到 6 5 6 k P a 。 蛋 白 质发泡剂最佳制备条件在 5 0下水解 5 h ， 制备出高性能 泡沫混凝 土。 参考文献 ： 1 刘文永， 李振伟， 张长海， 等 高掺量粉煤灰水泥制备方法及其 力学性能分析 J _煤炭科学技术， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 1 2 1 1 2 4 2 苏佳纯， 孙洋洲 粉煤灰吸附二氧化碳在节能减排领域的应 用【 J 1 煤炭转化， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 9 0 9 3 【 3 】S T EN C E L J M， S O NG H， F E DE R I C O C A u t o ma t e d f o a m i n d e x t e s t ： Q u a n t i f y i n g a i r e n t r a i n i n g a g e n t a d d i t i o n a n d i n t e r a c t i o n s w i t h fl y a s h c e me n t a d mi x t u r e s J C e me n t and C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 9， 3 9： 3 6 2 3 7 0 4 闰振甲 ， 何燕君 泡沫混凝土 实用生产技术 M E 京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 【 5 】王翠花 ， 潘志华 混凝土发泡剂的泡沫稳定性研究 J _ 化学建材 ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 4 8 5 3 6 】汪克进， 等 高效粉煤灰改f性掺合料的配制【 J J 重庆： 重庆大学材 料学院， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 2 7 3 9 7 谢明辉 大掺量粉煤灰泡沫混凝土的研究 D 吉林 ： 吉林大学 ， 2 0 o6 【 8 】S T E N C E L J M， S O N G H， F E D E R I C O CA u t o m a t e d foa m i n d e x t e s t ： Q u ant i f y i n g a i r e n t r a i n i n g a g e n t a d d i t i o n a n d i n t e r a c t i o n s w i t h fl y a s h - c e m e n t a d m i x t u r e s J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 3 9 ： 3 6 2 3 7 0 9 马志琚， 李小云， 马学雷， 等 蛋白质型混凝土发泡剂的研究 J J 建筑科学 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 7 3 7 7 作者简介： 杨建利( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 讲师。 联 系地址 ： 西安市雁塔路 5 8 号( 7 1 0 0 5 4 ) 联 系电话 ： 1 3 9 9 1 3 8 7 1 7 9 1 47 d ) 嘿