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粉煤灰制备低温陶瓷泡沫材料的研究

作　者: 苗庆东
导　师: 张召述
学　校: 昆明理工大学
专　业: 化学工艺
关键词: 粉煤灰活化低温陶瓷泡沫材料
分类号: TU52
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

粉煤灰是燃煤电厂产生的固体废弃物,主要成份是SiO2和Al2O3,2003年,我国粉煤灰年排放量约为2亿吨,粉煤灰大量堆存,占用土地,污染环境,造成资源浪费。因此粉煤灰的综合利用是我国可持续发展过程中必须要努力解决的的重大资源和环境问题。经过多年发展,2009年,我国的粉煤灰利用率达到65%,但主要以混凝土掺合料、墙体材料利用为主,技术水平较低,开发附加值高、废物利用效率高的新技术一直是粉煤灰利用领域的研究热点。本文以粉煤灰为研究对象,综合采用物理和化学活化方法激发其潜在活性,制备具有水化活性的胶凝材料；以石英砂、山砂、矿渣等为增强材料,制备出性能较好的低温陶瓷复合材料；采用化学方法使复合材料泡沫化,制备出了低温陶瓷泡沫材料。研究表明：(1)机械活化增大了粉煤灰颗粒比表面积,使粘连的颗粒分散,提高了细度,破坏了粉煤灰玻璃体的长程有序结构,增多了新生表面,有利于外部离子破坏粉煤灰的铝硅结构,促进活性SiO2和Al2O3溶出,为粉煤灰活性发挥创造了条件。(2)化学活化包括碱激发和盐激发。主要通过掺加各种碱性激发材料,使聚合度较高的硅酸盐和铝酸盐网络解体为活性较高的SiO2和Al2O3单体,进一步与激发剂反应生成水化铝硅酸盐、CAH(水化铝酸钙)、CSH(水化硅酸钙)、AFm(单硫型水化硫铝酸钙)和AFt(三硫型水化硫铝酸钙)等凝胶产物,使粉煤灰体现出固化胶结性能。(3)石灰、石膏、氢氧化钠、赤泥、矿物激发剂等碱性激发材料对粉煤灰均有一定的激发效果,两种或两种以上复配使用的效果更好,筛选出CaO-CaSO4-矿物激发剂复合激发体系,在此基础上掺加高活性的铝硅矿物和减水剂可进一步改善胶凝材料性能。(4)研究了骨料种类、胶骨比、水胶比和养护制度对颗粒强化复合材料性能的影响。在实验条件下,采用蒸汽养护,以碎石为增强材料,复合材料的抗压强度可达90MPa以上；以矿渣为骨料,材料的抗压强度可达65MPa,都具备了制备泡沫材料的性能条件。(5)铝粉、表面活性剂、NaOH掺量和水胶比对材料的泡沫化影响较大,它们通过影响料浆流动度和稠化速度而影响泡沫化效果,流动度过大,骨料易产生不均匀沉降,在沉降过程破坏气孔形态,使气体难以保持；流动度过小,气核难以在料浆中顺畅长大,导致泡沫率低下。因此,协调流动度、发气速度和料浆稠化速度非常重要。(6)XRD图谱显示：低温陶瓷泡沫材料的晶态水化产物是CaH4Si2O7、Ca6Al2O6(OH)6·32H2O、Ca4Al2(SO4) (OH)12·6H2O和Ca6Al2(SO4)3 (OH)12·26H2O,非晶态物相是材料的优势矿物,具有类沸石的非晶态特征,物质之间的连接以铝硅长链为主,是一种化学键合陶瓷。SEM显示：粉煤灰基低温陶瓷复合材料基体相与增强相结合紧密,无明显界面,矿物结构的致密性优于呈絮绒状的硅酸盐水泥水化产物,这是其性能优于水泥基材料的原因。(7)与加气混凝土类传统材料相比,粉煤灰低温陶瓷泡沫材料具有较好的物理力学性能、耐腐蚀、耐湿热、抗冻融。其生产工艺简单,废渣利用率高、几乎无二次污染物排放,符合国家的产业政策,预计将产生良好的经济、社会和环境效益,为粉煤灰及其它工业废渣的资源化利用提供了一种新的技术方案。

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摘要 3-5Abstract 5-8目录 8-11第一章绪论 11-17 1.1 粉煤灰的物理性质 11 1.2 粉煤灰化学组成 11-12 1.3 粉煤灰矿物组成 12-13 1.4 粉煤灰综合利用技术研究进展 13-16 1.4.1 粉煤灰机械活化技术 13 1.4.2 粉煤灰水泥制备技术 13-14 1.4.3 粉煤灰复合材料制备技术 14 1.4.4 粉煤灰泡沫材料制备技术 14-15 1.4.5 低温陶瓷材料制备技术 15-16 1.5 本论文的研究意义和创新点 16-17第二章实验原理、内容和方法 17-29 2.1 实验原料 17-20 2.1.1 实验基体原料 17-19 2.1.2 化学试剂 19-20 2.2 实验设备 20-21 2.3 实验原理 21-23 2.3.1 粉煤灰活性激发原理 21-23 2.3.2 骨料强化原理 23 2.3.3 粉煤灰复合材料泡沫化原理 23 2.4 实验内容和方法 23-29 2.4.1 实验内容 23 2.4.2 实验方法 23-24 2.4.3 实验分析测试方法 24-26 2.4.4 工艺路线 26-29第三章实验过程与结果分析 29-63 3.1 物理活化实验 29-32 3.1.1 粒度分布与粉磨时间的关系 29-30 3.1.2 筛余量与粉磨时间的关系 30-31 3.1.3 粉煤灰活性指数与粉磨时间的关系 31-32 3.2 化学激发单因素研究 32-35 3.2.1 CaO掺量对粉煤灰活性的影响 32-33 3.2.2 CaSO_4掺量对粉煤灰活性的影响 33 3.2.3 NaOH掺量对粉煤灰活性的影响 33-34 3.2.4 矿物激发剂掺量对粉煤灰活性的影响 34-35 3.3 化学激发剂多影响因素研究 35-41 3.3.1 CaSO_4对CaO-粉煤灰体系的影响 35-36 3.3.2 矿物激发剂对CaO-CaSO_4-粉煤灰体系的影响 36-37 3.3.3 NaOH对CaO-CaSO_4-矿物激发剂-粉煤灰体系的影响 37 3.3.4 正交实验和结果分析 37-41 3.4 外加剂对胶凝材料性能的影响 41-44 3.4.1 Na2SO_4对胶凝材料性能的影响 41-42 3.4.2 Na2CO_3对胶凝材料性能的影响 42 3.4.3 Na2SiO_3对胶凝材料性能的影响 42-43 3.4.4 CaCl_2对胶凝性能材料的影响 43 3.4.5 FDN-2对胶凝材料性能的影响 43-44 3.5 矿物掺合料对胶凝材料性能的影响 44-47 3.5.1 矿渣粉对材料性能的影响 44-45 3.5.2 活化尾矿粉对材料性能的影响 45-46 3.5.3 磷渣粉对材料性能的影响 46 3.5.4 赤泥对材料性能的影响 46-47 3.6 工艺参数对材料性能的影响 47-50 3.6.1 水胶比对材料性能的影响 47-48 3.6.2 胶骨比对材料性能的影响 48 3.6.3 养护条件对材料性能的影响 48-50 3.6.4 骨料种类对材料性能的影响 50 3.7 复合材料泡沫化研究 50-55 3.7.1 发泡方式的选择 51 3.7.2 发泡体系研究 51-55 3.8 材料的微观结构表征 55-62 3.8.1 材料的XRD图谱分析 55-59 3.8.2 材料的SEM分析 59-62 3.9 本章小结 62-63第四章技术经济分析 63-75 4.1 粉煤灰低温陶瓷泡沫材料应用前景 63 4.2 粉煤灰低温陶瓷泡沫材料的竞争优势 63-66 4.3 生产纲领 66 4.4 经济衡算 66-73 4.5 安全性分析 73-74 4.6 本章小结 74-75第五章结论与建议 75-77 5.1 研究结论 75-76 5.2 建议 76-77致谢 77-79参考文献 79-84附录 84

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