粉煤灰基地质聚合物凝结时间的影响因素研究.pdf

粉煤灰基地质聚合物凝结时间的影响因素研究 ① 易龙生， 许元洪， 赵立华， 李晓慢 （中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 ４１００８３） 摘 要 以粉煤灰为原料，系统研究了水玻璃模数及掺量、水胶比、温度、外掺剂等参数对粉煤灰基地质聚合物凝结时间的影响。 研 究结果表明，随着温度升高，地质聚合物凝结时间显著降低；在 １０ ℃条件下，地质聚合物凝结时间随着水玻璃掺量增加而增加，随 水玻璃模数增加先增加后减小，水胶比对地质聚合物凝结时间影响较小，掺入 Ｃａ（ＯＨ）２会促进地质聚合物的凝结。 在粉煤灰掺量 １００％、水玻璃模数 １．２、水玻璃掺量 ８％、水胶比 ０．３５、养护温度 １０ ℃ 条件下，地质聚合物的初凝及终凝时间分别为 ６５ ｍｉｎ 和 １１４ ｍｉｎ，在养护 ３ ｄ 和 ２８ ｄ 后，地质聚合物的强度分别为 ２３ ＭＰａ 和 ５１．７ ＭＰａ。 关键词 粉煤灰； 地质聚合物； 凝结时间； 粉煤灰基地质聚合物 中图分类号 ＴＤ９８５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０１．０２７ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０１－０１１４－０４ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｓｅｔｔｉｎｇ Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｙ Ａｓｈ⁃ｂａｓｅｄ Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ＹＩ Ｌｏｎｇ⁃ｓｈｅｎｇ， ＸＵ Ｙｕａｎ⁃ｈｏｎｇ， ＺＨＡＯ Ｌｉ⁃ｈｕａ， ＬＩ Ｘｉａｏ⁃ｍａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｅｒａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｆｌｙ ａｓｈ ａｓ ｔｈｅ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ， ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｏｄｕｌｕｓ ａｎｄ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ， ｗａｔｅｒ⁃ｇｅｌ ｒａｔｉｏ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａｄｄｉｔｉｖｅ ａｇｅｎｔ， ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ⁃ｂａｓｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ ｗｅｒｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅｓ， ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ １０ ℃， ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ， ｂｕｔ ｉｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ⁃ｇｅｌ ｒａｔｉｏ ｈａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａ（ＯＨ）２ｗｉｌｌ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ ａｔ １００％， ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ １．２， ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ ａｔ ８％， ｗａｔｅｒ⁃ｇｅｌ ｒａｔｉｏ ａｔ ０．３５ ａｎｄ ｃｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ １０ ℃， ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ａｎｄ ｆｉｎａｌ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ａｒｅ ６５ ｍｉｎ ａｎｄ １１４ ｍｉｎ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ａｆｔｅｒ ３⁃ｄａｙ ａｎｄ ２８⁃ｄａｙ ｃｕｒｉｎｇ， ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ２３ ＭＰａ ａｎｄ ５１．７ ＭＰａ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｆｌｙ ａｓｈ； ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ； ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ； ｆｌｙ ａｓｈ⁃ｂａｓｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ 凝结时间是地质聚合物（地聚物）的一个重要参 数。 在实际应用中，凝结时间过短会使搅拌和浇筑变 得困难，也不利于长距离运输；凝结时间过长，会延长 工程周期，降低生产效率。 粉煤灰基地聚物的凝结时 间往往很短，这一特性严重阻碍了粉煤灰基地聚物的 大规模应用［１］。 本文参照国标 ＧＢ１７５２００７通用硅 酸盐水泥中对普通硅酸盐水泥凝结时间的规定，规 定粉煤灰基地聚物的初凝时间应不小于 ４５ ｍｉｎ，终凝 时间应不大于 ３９０ ｍｉｎ。 地质聚合物凝结时间与原料、 制备条件和添加剂等因素有关［２－４］。 目前有相关文献 报导了粉煤灰基地聚物关于反应速率和合成机理方面 的研究［５－６］，但对其凝结时间进行系统研究的较少。 因此，有必要对粉煤灰基地聚物的凝结时间进行系统研 究。 本文探索了水玻璃掺量及模数、水胶比、温度、外掺 剂等因素对粉煤灰基地聚物凝结固化行为的影响。 １ 实 验 １．１ 实验原料及实验方法 １．１．１ 实验原料 粉煤灰样品来自新疆某废物处理园区，呈灰色，粒 度为－４５ μｍ 粒级占 ７３．１５％。 实验前对粉煤灰进行粉 磨预处理，细磨至－４５ μｍ 粒级占 ８５％后待用。 粉煤 ①收稿日期 ２０１９－０８－１０ 作者简介 易龙生（１９６４－），男，江西萍乡人，教授，博士，主要研究方向为再生资源利用。 通讯作者 许元洪（１９９４－），男，福建泉州人，硕士研究生，主要研究方向为再生资源利用。 第 ４０ 卷第 １ 期 ２０２０ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０２０ 万方数据 灰化学成分见表 １。 表 １ 粉煤灰化学全元素分析结果（质量分数） ／ ％ Ａｌ２Ｏ３ＳｉＯ２Ｆｅ２Ｏ３ ＣａＯ ＴｉＯ２ ＭｇＯ Ｎａ２ＯＫ２ＯＳＯ３ １８．０２５３．２６８．４８１０．９２０．８６２．４８２．０８１．１１０．７６ 由表 １ 可知，该粉煤灰主要成分为 Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ 和 Ｃａ。 其中 ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３和 Ｆｅ２Ｏ３占７９．９４％，属于 Ｆ 级粉 煤灰［７］。 根据国标 ＧＢ／ Ｔ１５９６２００５用于水泥和混 凝土的粉煤灰标准，该粉煤灰属于 Ｃ 类粉煤灰，即 ＣａＯ 含量大于 １０％的粉煤灰。 粉煤灰物相组成见图 １。 由图 １ 可知，该粉煤灰 的主要物相为石英、磁铁矿、赤铁矿、石灰等。 在衍射 角 ２θ＝１６ ～３４ 之间，有一个馒头形衍射峰，表明粉 煤灰中含有一定量的无定型二氧化硅，粉煤灰的活性 主要来源于此［８］。 4030201050607080 2 / θ Q M L H ;A *3 ;/ *, 350 280 210 140 70 0 40251055 61;0min             I F   图 ６ 温度与地质聚合物凝结时间的关系 ２．６ 最优条件实验 根据以上实验，确定地质聚合物制备的最优条件 为粉煤灰 １００％，水玻璃模数 １．２，水玻璃掺量 ８％，水胶 比 ０．３５，养护温度 １０ ℃。 最优条件下地质聚合物的初 凝及终凝时间分别为 ６５ ｍｉｎ 和 １１４ ｍｉｎ，在养护 ３ ｄ 和 ２８ ｄ 后，地质聚合物的强度分别为２３ ＭＰａ 和５１．７ ＭＰａ。 ３ 结 论 １） １０ ℃时，地质聚合物凝结时间随着水玻璃掺 量增加而增加，随水玻璃模数增加先增加后减小，可通 过调节水玻璃掺量及模数来调控粉煤灰基地聚物的凝 结时间；水胶比对地质聚合物凝结时间影响较小。 ２） 制备粉煤灰基地聚物的最优条件为粉煤灰 １００％、水玻璃模数 １．２、水玻璃掺量 ８％、水胶比 ０．３５、 养护温度 １０ ℃，此时，地质聚合物的初凝及终凝时间 分别为 ６５ ｍｉｎ 和 １１４ ｍｉｎ，在养护 ３ ｄ 和 ２８ ｄ 后，地质 聚合物的强度分别为 ２３ ＭＰａ 和 ５１．７ ＭＰａ。 ３） 掺入氢氧化钙会与粉煤灰净浆中的 ＯＨ－和硅 酸根离子发生反应生成水化硅酸钙，促进地质聚合物 的凝结。 ４） 温度对地质聚合物凝结时间有着重要影响，随 着温度升高，地质聚合物凝结时间显著下降。 参考文献 ［１］ Ｌｅｅ Ｗ Ｋ Ｗ， Ｄｅｖｅｎｔｅｒ Ｊ Ｓ Ｊ Ｖ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｏｎｉｃ ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ⁃ａｇｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｌｋａｌｉ⁃ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｆｌｙ ａｓｈ⁃ｂａｓｅｄ ｃｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］． Ｃｅ⁃ ｍｅｎｔ ＆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２００２，３２（４）５７７－５８４． ［２］ Ｃｈｅｎｇ Ｔ Ｗ， Ｃｈｉｕ Ｊ Ｐ． Ｆｉｒｅ⁃ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｇｒａｎｕｌａ⁃ ｔｅｄ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ［Ｊ］． Ｍｉｎｅｒａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００３，１６（３）２０５－ ２１０． ［３］ 郭晓潞，施惠生，胡文佩，等． 固废基复合地聚合物的凝结时间与 流变性能［Ｊ］． 同济大学学报（自然科学版）， ２０１５，４４（７）１０６６－ １０７０． ［４］ 彭 晖，李树霖，蔡春声，等． 偏高岭土基地质聚合物的配合比及 养护条件对其力学性能及凝结时间的影响研究［Ｊ］． 硅酸盐通 报， ２０１４，３３（１１）２８０９－２８１７． ［５］ Ｐａｎｉａｓ Ｄ， Ｇｉａｎｎｏｐｏｕｌｏｕ Ｉ Ｐ， Ｐｅｒｒａｋｉ Ｔ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｐａｒａｍｅ⁃ ｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ⁃ｂａｓｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］． Ｃｏｌｌｏｉｄｓ ＆ Ｓｕｒｆａｃｅｓ Ａ Ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｓｐｅｃｔｓ， ２００７， ３０１（１）２４６－２５４． ［６］ Ｒｅｅｓ Ｃ Ａ， Ｐｒｏｖｉｓ Ｊ Ｌ， Ｌｕｋｅｙ Ｇ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｉｎ ｓｉｔｕ ＡＴＲ⁃ＦＴＩＲ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｇｅｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｌａｎｇｍｕｉｒ ｔｈｅ Ａｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅｓ ＆ Ｃｏｌｌｏｉｄｓ， ２００７，２３（１７）９０７６－９０８２． ［７］ 易龙生，王 浩，王 鑫，等． 粉煤灰建材资源化的研究进展［Ｊ］． 硅酸盐通报， ２０１２，３１（１）８８－９１． ［８］ 周秋生，李龙腾，彭志宏，等． 高铝粉煤灰在碱溶过程中的结构演 变及行为［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１４，３４（５）８９－９２． ［９］ Ｚｈａｎｇ Ｔ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｉｚｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｚｚｏｌａｎｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｃａｌｃｉｕｍ ｆｌｙ ａｓｈ［Ｊ］． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｅｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２０１１，２３ （６）２９９－３０７． ［１０］ 杨晓凤，彭龙贵，郭 蓓，等． 乙二醇对粉磨Ⅲ级粉煤灰活性激发 的影响研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１０，３０（１）８４－８６． ［１１］ 马保国，亓 萌，李宗津． 碱⁃矿渣水泥快速凝结的影响因素与机 理研究［Ｊ］． 建筑材料学报， １９９９（２）９９－１０４． ［１２］ 焦贞贞． 含钙地质聚合物的制备与性能研究［Ｄ］． 哈尔滨哈尔 滨工业大学土木工程学院， ２０１３． 引用本文 易龙生，许元洪，赵立华，等． 粉煤灰基地质聚合物凝结时间 的影响因素研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（１）１１４－１１７． ７１１第 １ 期易龙生等 粉煤灰基地质聚合物凝结时间的影响因素研究 万方数据