CFB脱硫渣-硅锰渣制备地聚物及其力学性能研究

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地聚物是由硅氧四面体和铝氧四面体连接组成的三维网状结构,是一种新型环保的无机胶凝材料。它的原材料非常丰富,凡是富含硅、铝质的固体粉末,均可制备地聚物,且制备工艺过程简单。CFB脱硫渣和硅锰渣作为工业废渣排放,不仅占用土地,而且会引起环境污染,但它们含有丰富的SiO2和Al2O3,具备制备地聚物的条件。本文利用CFB脱硫渣和硅锰渣为主要原料,采用水玻璃和NaOH溶液的混合液作为碱激发剂,制备CFB脱硫渣-硅锰渣地聚物。设置硅锰渣与CFB脱硫渣的比值、脱硫渣粉磨时间、水玻璃与NaOH的比值、NaOH溶液的浓度、养护温度五个可变因素,采用五因素四水平(L16(45))的正交实验,通过极差和方差分析地聚物的力学性能得出最佳制备条件和因素影响顺序。同时利用SEM、XRD、FT-IR对CFB脱硫渣-硅锰渣地聚物的微观结构和反应机理进行分析,并解释了地聚物泛霜的原因,为制备地聚物提供了一些新思路。本文具体研究内容和成果如下:(1)通过正交试验,确定了CFB脱硫渣-硅锰渣地聚物的28d抗压强度的最佳配比为:A1B3C3D3E1,即采用硅锰渣/CFB脱硫渣比值为0,CFB脱硫渣粉磨时间为55min,水玻璃/NaOH比值为1.5,NaOH模数为12M,养护温度为45℃,其的抗压强度可达43MPa左右。CFB脱硫渣-硅锰渣地聚物的抗折强度最佳配比为:A1B2C2D4E3,即采用硅锰渣/CFB脱硫渣比值为0,CFB脱硫渣粉磨时间为55min,水玻璃/NaOH比值为1,NaOH模数为14M,养护温度为65℃,其抗折强度可达7MPa左右。同时通过极差和方差分析可知,各因素对抗压抗折强度影响顺序依次为:D>E>A>B>C,其中因素D和因素E为主要影响因素。(2)试验对7组地聚物产物进行SEM分析,发现组别e和g的地聚物的表面和内部均存在较多明显的裂纹,是由于高温养护是地聚物内部的水分从孔结构中蒸发出来,从而导致地聚物开裂。其余组别的地聚物结构致密性较强,这是因为发生了地聚物反应,内部存在大量海绵状凝胶(C-S-H),石英和方解石,其中较小的凝胶颗粒填充于孔隙和较大颗粒之间,使其结构更加致密。(3)试验对地聚物产物进行XRD分析,发现地聚物的主要成分含有石英、方解石、霞石(nepheline)、镁硅钙石,这与SEM观测到的基本一致。(4)试验对地聚物产物进行FT-IR分析,发现600 cm-1到1200cm-1之间出现的强吸收带,这与Si-O-Al和Al-O-Si的非对称拉伸振动有关,是地聚物的重要标志。1021 cm-1为地聚物中Si-O-Al的非对称伸缩振动吸收峰,706 cm-1为地聚物中O-H面外弯曲振动峰。(5)CFB脱硫渣-硅锰渣地聚物部分试件产生泛霜现象,其主要原因为碱激发剂中过剩的Na+随水分的蒸发与空气中的CO2反应在材料表面产生白色絮团状物质,通过XRD分析,主要成分为碳酸钠和碳酸氢钠。
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