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1、·试验研究· IM&P化工矿物与加工2004年第5期 文章编号:1008-7524(2004)05-0024-04X利用粉煤灰制备矿物聚合材料的实验研究王 刚,马鸿文,任玉峰,冯武威,丁秋霞(中国地质大学矿物材料国家专业实验室,北京100083) 摘要:以粉煤灰为主要原料,并添加煅烧高岭石,以硅酸钠和氢氧化钠作激活剂,制备了矿物聚合材料。制品的3d抗压强度最高可达到39.27MPa。XRD分析表明,铝硅酸盐聚合反应形成的基体相呈非晶态;红外光谱分析表明,材料在固化过程中Si-O、Si-O-Si结构单元的聚合程度得到了提高;扫描电镜照片分析表明,絮凝状的基体
2、相与粉煤灰玻璃体结合紧密,从而为材料形成良好的力学性能提供了结构基础。关键词:粉煤灰;矿物聚合材料;煅烧高岭石;聚合反应中图分类号:TQ062 文献标识码:A0 引言1.2 实验过程矿物聚合材料是近年来新发展起来的一类新配料混合:按照正交实验方案设计的配料组型无机非金属材料,是一类由铝硅酸盐胶凝成分成,称取粉煤灰和高岭石,置入混料器中充分混[1]粘结的化学键陶瓷材料。这类材料具有良好合;量取一定量的氢氧化钠溶液和水玻璃,混合后的理化性能,如耐酸碱腐蚀、耐久性好、抗渗性高、搅拌均匀,得碱硅酸盐混合溶液;将混合溶液注入[2]抗冻性好和不导致碱集料反应等。装有固体物料的容器中,充分搅
3、拌约3min,得混粉煤灰为热电厂生产的副产品,我国每年排合砂浆。然后装模成型和静置固化得成品。放量达2亿t以上,其累计堆放量约为40亿t,不2 结果与讨论仅加剧了对环境的污染,也造成了能源和资源的2.1 正交实验结果讨论巨大浪费,而迄今为止我国对粉煤灰的利用率还采用正交实验方案,选取影响材料性能的主[3]不到30%。因此研究利用粉煤灰制备矿物聚要因素为:高岭石占固相含量、水玻璃占液相含量合材料具有重要的意义。本项研究拟以粉煤灰为以及固体/液体(质量比);每一因素各取3个水3主要原料,研究制备矿物聚合材料的可行性,确定平,对其进行了L9(3)3因素3水平的正交实验优化工艺条件,讨论
4、材料制备过程中的铝硅酸盐设计,以3d的抗压强度表征材料的性能。经过3聚合反应机理,进而分析影响材料力学性能的主轮正交实验,确立了用粉煤灰制备矿物聚合材料要因素,以期为粉煤灰废物资源化探索新的技术的优化配方是:高岭石占固相含量25%;水玻璃途径。占液相含量60%;固液比为2.8。表1列举的是1 实验部分第3轮正交实验及其级差分析的结果。1.1 实验原料从表1的级差分析中(级差代表每个因素不主要实验原料包括粉煤灰、煅烧高岭石、工业同水平对抗压强度影响程度的不同)可以看出,固硅酸钠和氢氧化钠。液比的级差最大,达到8.05,说明固液比对抗压X收稿日期:2003-12-17·24··试验研
5、究· IM&P化工矿物与加工2004年第5期强度影响显著。并且随着固液比的增加其强度降活性较低的矿物较难于形成具有一定强度的化学[6]低。表2分别列举了第1轮和第2轮正交实验的键。但高岭石的加入量过多,超过满足Si、Al级差分析。可以看出,固液比对抗压强度的影响溶解平衡的比例后,最终残余的高岭石将会因其始终最大,前两轮的级差分别是12.49和8.56。层状结构而对材料强度产生负面影响。这是因为材料的强度主要取决于在材料固结过程影响材料抗压强度的另外一个因素是水玻璃中铝硅酸盐凝胶相与粉煤灰颗粒之间发生的化学占液相的含量,即SiO2/M2O。通过对三轮正交反应,并
6、在二者的接触界面上形成新的化学键导实验级差分析,当水玻璃占液相的含量为60%时致[1]。随着固液比降低,原料中的液相量相对增(SiO2/M2O为1.13),材料获得最佳性能。SiO2/加,使得固化反应生成的凝胶相增多,于是在凝胶M2O低于1.13时,增加水玻璃的含量,有利于抗相和粉煤灰颗粒之间形成化学键的机会相应增压强度的提高。原因是在强碱性溶液(pH≈14)-加,从而使得材料的强度升高。中,Al、Si配合物主要呈Al(OH)4、2-3-表1 正交实验结果(OH)2SiO2、(OH)SiO3和其它硅酸盐低聚物[7]高岭石占固水玻璃占液固液比抗压强度阴离子形式存在。在不加入Na2S
7、iO3溶液的条样品号相含量/%相含量/%/质量比/MPa件下,由硅铝矿物溶解的这些组分的质量分数,通JD3-125552.833.50常低于在Al(OH)4-和硅酸盐配合物之间发生聚JD3-2256035.45合作用的要求。因此,加入Na2SiO3溶液,是在JD3-325653.228.05-Al(OH)4和较大的硅酸盐低聚物之间发生聚合JD3-42555331.30反应的前提。但当水玻璃的加入量继续增加时,JD3-525603.227.32-溶液中的Al(OH)4质量分数则相应
