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粉煤灰基轻质泡沫材料的制备与性能研究

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全国中文核心期刊 断 建巍粉 中国科技核心期刊 粉燥灰基轻质泡沫材料的 制备与牲能研究 叶俊伟,赵叶龙,刘满刚,贡卫涛,林源,宁桂玲 (大连理工大学化工学院精细化工国家重点实验室,辽宁大连116024) 摘要:以粉煤灰为原料,通过造孔剂发泡法和浆料发泡法制备了新型轻质泡沫材料,确定了其最佳制备工艺条件。考察了浆料 发泡法制备过程中碱激发和泡沫掺量对泡沫材料结构和性能的影响,通过调节泡沫掺量和坯体烧结温度,材料的显气孔率、密度、 吸水率、抗压强度分别达到62.74%、0.50 g/cm。、126.50%、6.76 MPa。 关键词:粉煤灰;泡沫材料:浆料发泡法;制备 中图分类号:TU522.1 文献标识码:A 文章编号:1001—702X(2012)01—0040一o4 Preparation and properties of light-weight foam materials from fly ash YE Junwei,ZHA0 Yelong,LIU Mangang,GONG Weitao,LIN Yuan,NING Guiling (State Key Laboratory of Fine Chemicals,School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology, Dalian 1 16024,Liaoning,China) Abstract:The light-weight foam materials based on fly ash have been prepared by pore—foaming agent method and slurry foaming method.The optimum technology conditions were defined.The effects of alkali activation and content of foam on the structure and performance of foam materials in the process of slurry foaming Were investigated.By adjusting the foam dosage and temperature,the porosity,apparent density,water absorption and compressive strength of the foam materials can be reached to 62.74%,0.50 s/em ,126.50%,6.76MPa,respectively. Key words:fly ash:foam materils;slaurry foaming method:preparation 随着能源和电力工业的迅速发展,粉煤灰排放量急剧增 出了K—F型沸石及钙十字沸石和菱沸石;张承志等[91通过添 加。目前我国粉煤灰年排放量近2.0亿t,但是有效利用率不 加水泥配制出空心率达57% ̄J陶粒粉煤灰空心砌块;倪文和 足40%,这给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大压 董涛㈣报道了一种粉煤灰基隔热防水材料的制备方法。尽管 力。大量粉煤灰的堆放,不仅占用了宝贵的土地资源,而且还 粉煤灰相关研究取得了进展,但是粉煤灰掺量一般都在30% 严重污染了大气和水体环境。近年来将粉煤灰应用于水泥与 领域得到了快速发展[1-引。Park J S等[41通过调节Na20、B203和 70%,如何提高粉煤灰的利用率和利用技术水平成为目前研 本文根据粉煤灰颗粒小、比表面积大和含有活性成分的 混凝土工业、环境保护工程、农业、再生材料工程和新材料等 究的热点。 粉煤灰的比例成功地将粉煤灰用于硼硅玻的制备;Chin— 物化性质,运用溶胶一凝胶化学与无机有机复合发泡理论相 daprasirt P和Pimraks KtZ通过添加石灰将粉煤灰用于制备免 结合的特点,通过造孔剂发泡法和浆料发泡法制备了轻质泡 烧砖;Kayali 0嘲将粉煤灰掺加混凝土制备了轻质材料;Foto— 沫材料。并研究了坯体强化温度、造孔剂掺量、泡沫掺量等对 vat F等明 用添加硝酸钴混合粉煤灰制得了用于Fischer— 材料结构和性能的影响,制得了一种新型的绿色环保材料。 Tropsch合成的载钴沸石分子筛;Juan R等阎通过加石灰合成 1实验 基金项目:辽宁省教育厅科学技术研究项目(2010037) 收稿日期:2011-08—12 1.1实验原料 粉煤灰取自于辽宁省某电厂,其化学成分见表i;碳酸 钠、氢氧化钠购于天津某化学试剂公司,试剂级;发泡剂为本 实验室自制[11】。 作者简介:叶俊伟,男,1979年生,辽宁大连人,博士,讲师,主要研究 方向:功能材料化学与化工。通讯作者:宁桂玲,E-maihninggl@dlut. edu.cn。 ・40・ 新型建筑材料 2012.1 叶俊伟,等:粉煤灰基轻质泡沫材料的制备与性能研究 表1粉煤灰的化学成分 SiO2 A1sO3 Fe203 CaO MgO Na20 TiO2 K2041.96 24.01 1O.40 5.78 3.80 1.05 2.04 1.50 % 烧失率 3.96 的趋势。在加入碳酸钠后,试样表面有不同程度的玻璃化,可 能原因是在湿坯干燥的过程中,钠盐会随着水分的蒸发扩散 至坯体表层,这使得坯体表层的钠盐浓度较高,在烧结过程中 更容易形成玻璃态。 1.2泡沫材料的制备 本实验采用了造孔剂发泡和浆料发泡2种实验方法。造 在1050℃的烧结温度条件下,随着碳酸钠掺量从5%增 孔剂发泡法原理是通过在原料粉配料中添加挥发性或可燃性 加到15%,材料的抗压强度从l2.62 MPa提高到19.25 MPa。  物质,利用这些造孔剂在高温下挥发或燃尽而在烧结体中留 这是因为碳酸钠的助熔作用随着掺量的加大逐渐变得明显。下孔隙,从而获得泡沫材料。本实验采用的步骤是:将粉煤灰 碳酸钠掺量对泡沫材料吸水率的影响见图2。 和造孔剂按配比计量混合球磨,然后加入适量水加压成型,经 42 干燥烧结后得到泡沫材料。浆料发泡法是在粉料的悬浮液中 引入泡沫,浆料固结后得到多孔材料旧。本实验采用的步骤 是:将计量的粉煤灰、固化剂、胶凝剂及少量的激发剂混合后 球磨,然后加入少量水混合均匀,配制成胶结材料,在此胶结 材料中加入自制发泡剂,搅拌制成泡沫浆料,经注模,干燥,坯 体烧结即可得到泡沫材料。 1-3性能测试 用WE一30型液压万能试验机测试泡沫材料的抗压强 35 芝28 21 14 7 0 0 5 10 15 2O 碳酸钠掺量/% 图2碳酸钠掺量对泡沫材料吸水率的影响 度;用XD一3A X射线衍射仪测试材料组成;用JSM一5600LV 试;发泡性能采用沉降距法测试。 由图2可见,随着碳酸钠掺量的增加,试样的吸水率呈递 扫描电子显微镜表征材料的形貌;吸水率通过浸泡称量法测 减的态势。在1000℃和1050℃的烧结条件下,当碳酸钠掺量 超过10%后,试样的吸水率迅速下降。随着烧结温度的提高, 试样的收缩率增加而导致试样的孔隙率和吸水率降低。考虑 到产品外形美观因素以及各项性能,实验得出加碳酸钠轻质 材料的最佳工艺条件为:碳酸钠掺量为5%,烧结温度为1050 2实验结果与讨论 2.1造孔剂发泡法制备泡沫材料 本实验选用碳酸钠作造孔剂主要是利用在高温条件下, ℃,所制备试样性能符合GB 5101--2003《烧结普通砖》中 碳酸钠可以和物料中的二氧化硅组分发生化学反应,释放出 MU10.0的要求。 二氧化碳气体,从而起到起泡的效果。碳酸钠掺量对泡沫材料. 2.2浆料发泡法制备泡沫材料 表观密度的影响见图1。 2.2.1制备机理 粉煤灰是具有潜在火山灰性质的一种粉体,它本身并不 具有水硬性,但在碱性溶液条件下能够生成强度较好的材料。 粉煤灰颗粒大多是直径在l0 m左右的球形玻璃体。这些颗 粒的表面被高度致密的硅铝氧化物所包覆,因此,粉煤灰很难 被溶液溶解发生化学反应。但是通过加入碱性激发剂可以破 坏这种致密的氧化物结构【 3j(见图3)。经过实验选取氢氧化钠 作为碱激发剂,掺量为3%。 图1 碳酸钠掺量对泡沫材料表观密度的影响 由图1可见,随着碳酸钠掺量的增加,试样的表观密度呈 先减小后增大的趋势。碳酸钠掺量为5%时,所制试样的表观 密度最小。其原因主要是碳酸钠掺量较少时,它所起到的助熔 作用并不明显,因而以造孔作用为主,能够引起试样密度的降 一一 (a)碱激发24h (b)碱激发48h 低。随着碳酸钠掺量的增大,助熔作用渐渐占主导地位,导致 试样表观密度增大,这种作用随着烧结温度的升高呈更明显 图3加入激发剂后粉煤灰的SEM照片 由图3可知,随着氢氧化钠溶液浸泡时间延长,粉煤灰颗 N EW BUl LDlNG MATERIALS ・41・ 叶俊伟,等:粉煤灰基轻质泡沫材料的制备与性能研究 粒中的球形结构逐渐减少。这证明加入碱液之后,在粉煤灰颗 聚合形成二元、三元聚合单体,进而生成具有三维结构的高聚 日垒\髓喂 粒表面的致密硅酸盐或硅铝酸盐等网络聚集体被打开并被溶 物 垌,反应式如下所示: 解到溶液中,解聚的硅酸盐和铝酸盐单聚体进入溶液中逐渐 (Si2Os,AI0 =O22)n+3nH20 — — n(n(OH)- 3--Si O---A1--(OH) )3 (0H)广si—0一Xl一(0H), ! Na七』卜。一 l +3槲 0 0  I0 l (Si20 ,Al=O2)n+2nSiO +4nH20 n(0H)r—si一0~ l一0一si(0H) (6H) 棚H) _0十0(OH)z __si(0H) №卡一咔o? ?_ s ̄i .o s 。 2.2.2坯体烧结温度对材料性能的影响 为了获得高强度的烧结体,需要合适的坯体烧结温度。 由不同温度下材料的SEM照片(见图5)可以看出,950℃ 时烧结体中仍存有较多的粉煤灰大球;随着温度升高到1000 烧结温度过低无法产生足够的抗压强度,烧结温度过高不仅 ℃,较大的粉煤灰球逐渐融化变成小的球相;当温度升高到 浪费能源,还可能产生过烧现象,产品收缩率增大,造成密度 1050 oC时,球相结构基本消失,生成了新晶态;当温度进一步升 增大,降低材料性能。不同烧结温度条件下得到的材料抗压 高到1 100℃时,晶型再次发生改变,较1050 oC时的结构更为致 强度与烧结温度的关系如图4所示。 密,这与之前所分析的温度对材料抗压强度的影响相吻合。 图4烧结温度对材料抗压强度的影晌 由图4可见,随着烧结温度的升高,试样的抗压强度逐渐 增大。在较高温度下对试样进行强化,有利于新晶相的生成, 提高了烧结体的抗压强度。但随着温度的升高,烧结体的收 一一 (c)1050℃ (d)1100℃ 缩率逐渐增大,造成烧结体的密度增大。烧结温度对材料烧 结收缩率的影响见表2o 表2烧结温度和发泡剂掺量对材料收缩率的影响 图5不同烧结温度下试样的SEM照片 2-3发泡剂掺量对材料性能的影响 不同发泡剂掺量试样的SEM照片见图6。由图6可见, 不同发泡剂掺量所制备的泡沫材料具有不同的气孔结构。在 发泡剂掺量为5%时,孔存在的主要形式为孤立的球形孔或 孔道,有部分气泡相互接触最终形成连通孔;发泡剂掺量增加 到10%之后,大气孔和连通孔道的数量明显增多,但仍有孤 立的气孔存在;当发泡剂掺量为13%之后,只有少量的孤立 气孔存在,大多数气孔都以连通的形式存在;当发泡剂掺量进 由表2可见,随着烧结温度的升高,试样的平均烧结收缩 率也呈增大的趋势,比较适宜的烧结温度为1050 oC。 ・42・ 新型建筑材料 2012.1 一步增加到15%之后,几乎不存在孤立的气孔结构,孔道的 连通率进一步增加,同时,由于气孔的破裂合并,生成一定量 叶俊伟,等:粉煤灰基轻质泡沫材料的制备与性能研究 的较大孔径的孔道。这些变化对泡沫材料的密度、吸水率、抗 ℃,发泡剂掺量13%I ̄,泡沫材料各项性能均能达到最佳,材料 压强度等性能都会产生影响(见表3)。 的显气孔率、密度、吸水率、抗压强度分别为62.74%、0.50 gfcm3、 126.5%、6.76 MPa。制备的泡沫多孔材料具有质轻、保温、吸声、 防潮、防火、耐腐蚀、不燃烧等优点,具有良好应用前景。 一一 (a)5% , (b)10% (c)13% (d)15% 参考文献: [1]1 Wang S B,Wu H W.Environmental-benign utilisation of fly ash as low-cost adsorbents[J].|I.Hazar.Mater.,2006,136:482—501. 【2]郭艳玲.粉煤灰的性质及综合利用分析【J].煤,2008(1):43—54. [3】杨红彩,郑水林.粉煤灰的性质及综合利用现状与展望[J】.中国非 金属矿工业导刊,2003(4):38—42. [4】Park J S,Taniguehi S,Park Y J.Alkali bomsilieate glass by fly ash from a coal—fired power plant[J].Chemosphere,2009,74: 320—324. 图6不同发泡剂掺量试样的SEM照片 表3发泡剂掺量对材料吸水率、密度和抗压强度的影响 发泡剂掺量,% 吸水率/% O 3 5 8 10 [5】 Chindaprasirt P,Pimraks K.A study of fly ash—lime granule unfired brick[J】.Powder Techno1.,2008,182:33-41. [6】 Kayali O.Fly ash lightweight aggregates in high performance concrete[J].Constr.Build.Mater.,2008,22:2393-2399. [7】Fotovat F,Kazemeini M,Kazemian H_Novel utilization of zeolited ly ash hostfing cobalt nanopartieles as a catalyst applied to the 密度/(g/cm3) 1.171 1.049 1.027 O.762 O.548 抗压强度,MPa 35.00 29.99 21-49 8.28 7.82 32.7 37.0 52.O 81.O 102.5 Fischer—Tropsch synthesis[J].c&ta1.Lett.,2009,127:204—212. [8]Juan R,Hernandez S,Andres J M,et a1.Synthesis of granular zeolitic materials with high cation exchange capacity from ag- 13 15 126.5 130.2 O.496 O.475 6.76 4.42 glomerated coal fly ash[J].Fuel,2007,86:1811-1821. 由表3可见,随着发泡剂掺量的增加,材料的吸水率增加, 密度减小,抗压强度下降,这可能因为在发泡剂掺量较小(小于 3%)时,泡沫在试样中的存在形式都是孤立的,随着泡沫量的增 加,气泡接触机会增加,但仍能以单独气泡形式存在,这在烧成 材料表现为形成连通孔;但随着发泡剂掺量的进一步增加,浆 料中的气泡密度也在增加,相互挤压并破裂形成大气泡,连通 孔量最终达到饱和,孔道结构趋于稳定。当发泡剂掺量为13% [9 张承志,9】王爱勤,孙伟.陶粒粉煤灰空心砌块的研制[J].新型建筑 材料,1998(8):32—34. 【10】倪文,董涛.大掺量粉煤灰隔热防水材料的开发与应用叨.新型 建筑材料,2001(4):17—19. [1l】宁桂玲,叶俊伟,赵叶龙,等.一种利用粉煤灰制备轻质泡沫多 孔砖的方法[P]:中国,ZL2009103021920.201 1-07-20. [12]Lombardi M,Naglieri V,Tulliani J M,et a1.Geieasting of dense 时,泡沫材料结构已经稳定,泡沫材料各项性能达到最佳,材料 的显气孔率、密度、吸水率、抗压强度分别为62.74%、0.50 m3、 126.5%、6.76 MPa。对照GB 13545--2003<(' ̄结空心砖和空心砌 块》标准,该指标仍能达到MU5.0等级以上。 nd poraous ceramics by using a natural gelatine叨.J.Porous Mater.,2009,16:393—400 [13】Andini S,Ciofi R,Colfangelo F,et a1.Coal fly ash as raw mate- rial for the manufacture of geopolymer-based products叨.Waste Management,2008,28:416-423. 3结语 [14】Jaarsveld V,Deventer V,Lorenzen L.Factors affecting the im- mobilization of metals in geopolymerized fly ash[J].Metl1a.and Mater.Trans B,1998,29:283—291. (1)利用粉煤灰为主要原料,分别通过造孔剂发泡法和浆 料发泡法制得泡沫材料。当采用碳酸钠作为造孔剂制备泡沫 材料时,碳酸钠掺量为5%,烧结温度为1050 ,试样性能符 合GB 5101-2003 结普通石专))中MU10.0的要求。 (2)利用浆料发泡法制备泡沫材料时,当烧结温度1050 【15】Zhao Y L,Ye J W,Lu X B,et a1.Preparation of sintered foam materials by alkali-activated coal fly ash[J].J.Hazar.Mater., N EW BUI LDING MATERlALS ・43・ 

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