煤矸石-粉煤灰制備地質(zhì)聚合物發(fā)泡材料的試驗(yàn)研究

□□ 王潤林，王翠萍，韓 濤

(1.華東建工集團(tuán)有限公司，山東 青島 266001；2.山西工學(xué)院，山西 朔州 036000)

引言

煤矸石是在掘進(jìn)、開采和洗煤過程中排出的一種礦業(yè)固體廢物。粉煤灰是煤燃燒所產(chǎn)生煙氣中的細(xì)微固體顆粒物。煤矸石及粉煤灰的堆放不僅占用大量農(nóng)田和土地，破壞自然景觀，而且嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，為此，實(shí)現(xiàn)對煤矸石和粉煤灰的綜合利用尤為重要。地質(zhì)聚合物由硅氧四面體和鋁氧四面體以頂角相連而成的具有不規(guī)則三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，硅酸鋁氧化物與堿性活化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到一種新型黏結(jié)劑體系[1]，在化學(xué)成分上類似于沸石。地質(zhì)聚合物為一種無定型凝膠體[2]，具有強(qiáng)度高、耐酸、耐高溫、快凝等特點(diǎn)[3]，主要應(yīng)用于建筑材料、固體廢物處理、多泡多孔材料等方面。試驗(yàn)以NaOH為堿性激發(fā)劑，雙氧水、十二烷基磺酸鈉為混合發(fā)泡劑，硬脂酸鈣為穩(wěn)泡劑，以煤矸石和粉煤灰為基料制備地質(zhì)聚合物的發(fā)泡材料，并探究了各物質(zhì)摻量對發(fā)泡材料性能的影響。

1 試驗(yàn)原料及預(yù)處理

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用主要原料見表1。

表1 試驗(yàn)用主要原料

1.2 預(yù)處理方法

煤矸石：有研究表明[4]，煤矸石在840 ℃以下活性最好，Al2O3的浸出率為16.21%，SiO2的浸出率為14.04%，參考劉玉林等[5]對朔州地區(qū)煤矸石的研究，750～850 ℃時(shí)火山灰活性最好，此時(shí)煤矸石中非晶態(tài)SiO2-Al2O3含量最高。煤矸石經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎，750 ℃高溫煅燒6 h，球磨30 min制備具有火山灰活性的粉體。XRF測定煤矸石成分見表2。

表2 煤矸石主要成分

粉煤灰：來自朔州市神頭第二火力發(fā)電廠馬邑億噸粉煤灰廠，球磨30 min，主要成分見表3。

表3 球磨后粉煤灰主要成分

堿性激發(fā)劑：鈉水玻璃和NaOH的復(fù)合激發(fā)劑。

發(fā)泡劑：試驗(yàn)使用雙氧水和十二烷基硫酸鈉(表面活性劑)作為發(fā)泡劑[6-8]，雙氧水可在偏堿性的環(huán)境中迅速分解出為O2和水，可起到發(fā)泡的作用，而十二烷基硫酸鈉的作用是輔助雙氧水進(jìn)行發(fā)泡，同時(shí)還能起到一定的穩(wěn)泡作用。

穩(wěn)泡劑：使用硬脂酸鈣作為發(fā)泡材料的穩(wěn)泡劑。硬脂酸鈣是一種常見的堿金屬皂類表面活性劑，其親水基屬羧酸鹽性。硬脂酸鈣在堿激發(fā)發(fā)泡材料中作為穩(wěn)泡劑時(shí)，可以將發(fā)泡材料內(nèi)部孔徑維持在一定范圍內(nèi)，同時(shí)提高閉孔率和材料強(qiáng)度，降低導(dǎo)熱系數(shù)[9-10]。

2 發(fā)泡材料的制備及性能測試方法

2.1 發(fā)泡材料的制備流程

(1)稱取一定量的NaOH和高模數(shù)的水玻璃配制成模數(shù)為1.5的改性水玻璃，靜置24 h備用。

(2)按照試驗(yàn)配比混合煤矸石粉體、粉煤灰粉體、水玻璃加水混合攪拌成均勻的地質(zhì)聚合物溶膠。

(3)待充分反應(yīng)后，向溶膠中加入雙氧水、硬脂酸鈣、十二烷基硫酸鈉快速攪拌30 s使其發(fā)泡，將攪拌好的漿料倒入70 mm×70 mm×70 mm的模具中，放入40 ℃的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h。

(4)試件養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d、15 d、28 d時(shí)，測試其抗壓強(qiáng)度與其他性能。

2.2 性能測試方法

抗壓強(qiáng)度：利用TYE-6A型水泥膠砂抗折試驗(yàn)機(jī)測定。

密度：利用阿基米德原理測定密度。

孔隙率：由試件孔隙的體積與總體積的百分比求得。

導(dǎo)熱系數(shù)：使用湘潭DRE-III多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 粉煤灰與煤矸石摻比對發(fā)泡材料性能的影響

基料煤矸石與粉煤灰的摻比為3∶1、4∶1、17∶3、9∶1、19∶1，水固比均為0.445，編號為A1～A5組制備發(fā)泡材料。40 ℃養(yǎng)護(hù)24 h后自然養(yǎng)護(hù)，并測量試件3 d、7 d、15 d、28 d的抗壓強(qiáng)度、密度、孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)。

由試件表觀形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，A3組發(fā)泡效果最好，氣泡大小均勻，無氣泡分層現(xiàn)象，發(fā)泡前后體積變化大。試件養(yǎng)護(hù)15 d和28 d性能測試結(jié)果相近，試件性能趨于穩(wěn)定。圖1為28 d試件性能測試結(jié)果，A3組抗壓強(qiáng)度最大，為5.09 MPa；密度最小，為0.914 g·cm-3；孔隙率較大為56.7%，導(dǎo)熱系數(shù)最小，為0.083 64 W·m-1·K-1。與前人研究[11]及以煤矸石、粉煤灰制磚工藝最佳原料配比[12]結(jié)論相似?；厦喉肥c粉煤灰質(zhì)量比為17∶3制備發(fā)泡材料效果最佳。

圖1 28 d煤矸石-粉煤灰不同摻比試件性能測試

3.2 十二烷基硫酸鈉摻量對發(fā)泡材料性能的影響

煤矸石與粉煤灰摻比為17∶3，水固比為0.445，取基料150 g，采用十二烷基硫酸鈉的摻量為0、0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g，編號B1、B2、A3、B3、B4制備發(fā)泡材料。養(yǎng)護(hù)方式同3.1，測量其3 d、7 d、15 d、28 d的相關(guān)性能參數(shù)。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，A3組發(fā)泡效果較其他組為最佳，發(fā)泡效果與氣泡形態(tài)都發(fā)生較大變化，加入1 g十二烷基硫酸鈉時(shí)發(fā)泡效果最好，如圖2所示。當(dāng)十二烷基硫酸鈉的摻量增加時(shí)，發(fā)泡效果先穩(wěn)定后又出現(xiàn)氣泡分層現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度先增加后降低，A3組最大，抗壓性能較其他組好；密度先減小后增大，A3組密度最小，發(fā)泡體積最大，效果最好。孔隙率受發(fā)泡效果影響，先增大后減小，A3組孔隙率最大；導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大，A3組導(dǎo)熱系數(shù)最小，隔熱性能較好。隨著十二烷基硫酸鈉的摻量增加，發(fā)泡體積和半衰期逐漸增大，發(fā)泡效果較好，在達(dá)到臨界值后開始減少[13-14]，發(fā)泡劑分子形成較多的膠束，使得泡沫形成較少且氣泡不穩(wěn)定。

圖2 十二烷基硫酸鈉摻量對發(fā)泡材料性能的影響

3.3 水玻璃摻量對發(fā)泡材料性能的影響

煤矸石與粉煤灰摻比為17∶3，水固比為0.445，取灰體150 g，采用水玻璃的摻量為75.0 g、87.5 g、100.0 g、112.5 g、125.0 g，編號C1、C2、A3、C3、C4制備發(fā)泡材料。測定結(jié)果如圖3所示，由圖3得出，在水玻璃摻量增加時(shí)，發(fā)泡效果并沒有變得更好，反而有出現(xiàn)塌模、破裂等現(xiàn)象，在A3組水玻璃與基料質(zhì)量比為2∶3時(shí)，發(fā)泡效果最好，C4組出現(xiàn)破裂、塌模現(xiàn)象。

圖3 水玻璃摻量對發(fā)泡材料性能的影響

隨著水玻璃摻量的增加，試件抗壓強(qiáng)度先增大后減小，密度先減小后增大，孔隙率與密度變化趨勢相反，導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率增加而減小。在水玻璃摻量較少時(shí)，為保證含水量相同且漿體粘稠度較好的條件下導(dǎo)致注模時(shí)漿體所含液態(tài)水較多，液泡液面的粘稠度較低，所以氣泡易破裂，出現(xiàn)氣泡分層現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度較低，密度大且孔隙率低，導(dǎo)熱系數(shù)大；水玻璃與基料質(zhì)量比為2∶3，漿體粘稠度好，此時(shí)氣泡生成穩(wěn)定，發(fā)泡效果逐漸變好，在同等含水量下水玻璃量的繼續(xù)添加，使?jié){體黏稠度較高，氣泡生成后不易流動(dòng)，導(dǎo)致氣泡大小不均，發(fā)泡效果不好，有塌?，F(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度變小，密度變大，孔隙率變小，導(dǎo)熱系數(shù)受孔隙率影響變大。

3.4 雙氧水含量對發(fā)泡材料性能的影響

同樣條件下，雙氧水的摻入量為6.0 g、7.5 g、9.0 g、10.5 g、12.0 g，編號D1、D2、A3、D4、D5制備發(fā)泡材料。試驗(yàn)結(jié)果顯示，D1組發(fā)泡失敗，發(fā)泡前后體積變化很小，氣泡微小密集；D2組發(fā)泡效果較好，氣泡較均勻但體積變化較小，頂端無裂紋，呈微小拱形隆起但不飽滿，脫模后試件完好，底部氣泡受擠壓呈扁平狀，底部有微小分層現(xiàn)象；D3組發(fā)泡效果好，發(fā)泡前后體積變化大，頂端飽滿呈面包狀，拆模時(shí)有小部分發(fā)生破碎，底端氣泡大小不均勻但其他部分氣泡較為均勻；D4組發(fā)泡效果較差，發(fā)泡過程中不穩(wěn)定，在養(yǎng)護(hù)24 h內(nèi)，部分試件前3 h發(fā)泡體積變化很大，后慢慢縮小，發(fā)生部分塌?，F(xiàn)象，氣泡偏大且不均勻，并伴有少部分分層現(xiàn)象。A3組發(fā)泡材料氣泡大小均勻，無氣泡分層現(xiàn)象，頂端呈面包裝，發(fā)泡效果較好，發(fā)泡前后體積變化大。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙氧水摻量對發(fā)泡材料性能的影響

根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)[15-17]及試驗(yàn)測試結(jié)果可知，A3組效果最好，雙氧水與基料質(zhì)量比為3∶50。隨著雙氧水增加，發(fā)泡劑含量增大，試件孔隙率先增大后減小，由于發(fā)泡劑越多，放出的氣體越多，材料的氣孔率就越高，氣孔尺寸越大，但當(dāng)雙氧水摻量超過一定量時(shí)，由于氣體量的增加，氣泡整體變得不穩(wěn)定，氣泡大小發(fā)生變化且出現(xiàn)分層與塌?，F(xiàn)象。

4 結(jié)論

4.1 基料煤矸石與粉煤灰摻比17∶3，十二烷基硫酸鈉與基料質(zhì)量比為1∶150，水玻璃與基料質(zhì)量比為2∶3，雙氧水與基料質(zhì)量比為3∶50，在40 ℃養(yǎng)護(hù)24 h后，試件發(fā)泡效果最好。

4.2 在4.1的配比下，抗壓強(qiáng)度為5.09 MPa，密度為0.914 g·cm-3，孔隙率為56.7%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.083 64 W·m-1·K-1，具有良好的保溫性能，且抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑絕熱保溫材料的0.127 MPa[6]，但其密度同樣遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)保溫材料的密度0.021 8 g·cm-3。這些特點(diǎn)使其可以用于地下暖氣輸送管道的保溫。