科利粉煤灰制备地聚物的预处理研究外文翻译资料
2022-11-09 04:11
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科利粉煤灰制备地聚物的预处理研究
第二部分 – 地质聚合物
Arie van Riessen, Nigel Chen-Tan
澳大利亚，西澳洲，佩斯，邮政信箱U 1987，科廷大学，材料研究中心
亮点
- 由提供的粉煤灰制备的地聚物的抗压强度为100MPa。
- 初选后的粉煤灰使地聚物的强度增加了30%。
- 精选后的灰粉使地聚物的表面孔隙率降低了超过50%。
- 地聚物的X射线衍射分析结果与粉煤灰的预处理程度有关。
- 高度精选的粉煤灰使地聚物具有高收缩率但会造成极小的开裂。
摘要：本文紧接《科利粉煤灰制备地聚物的预处理研究：第一部分 - 预处理》[1]。在第一部分中，粉煤灰经过筛分、磨矿、磁选三个阶段的处理以改善它的均质性和反应活性。活性非晶形物质的比例在每个阶段的增加导致了反应活性的增强。反应活性的增加则需要改变液固比来维持一个可用的地聚物混合物。这项研究的结果清晰地表明了粉煤灰预处理程度的不同会造成地聚物性能不同，从而扩展了地聚物的应用范围。所有样品的抗压强度均在100MPa或以上，经过筛分强度提高32%。经不磁选、筛分、磨矿过程处理后的地聚物的微观结构发生了极大的改变，其拥有不寻常的镶嵌结构。虽然只使用了一种特定的粉煤灰，但这里的结果可以被应用于许多其他的粉煤灰。
关键词：粉煤灰，地聚物，预处理，反应活性，X射线衍射
- 前言
地聚物被认为是一种环保的可替代水硬水泥的胶凝材料[2]。地聚物的生产是一个相对简单的过程，包括混合搅拌含有碱激发剂的非晶态铝硅酸盐原料。另一个采用地聚物的动机是它可以利用低成本的工业副产品作为原料，例如高炉渣和粉煤灰[3,4]。
尽管粉煤灰适合作为合成地聚物的原料[5-7]，但它本身的不均匀性限制了制备地聚物产品这一想法的发展[8]。对粉煤灰进行预处理可以减缓这一局限性，从而得到一个更均匀的高性能地聚物。
来自西澳洲的科利的粉煤灰经研究已成功用于制造地聚物混凝土[9-11]和粘结剂[12]。科利粉煤灰的详细分析报告(XRF/XRD)[13,14]清晰地鉴定出非晶形成分的数量和组成，其中相当大一部分是氧化铁。通过抗压强度的增加使得精确的测定地聚物成分成为可能。上述过程中严谨的分析表明预处理过程是一种生产具有优越物理性能的地聚物的方法。本研究的目的是确定预处理能否提高地聚物的性能。
- 实验详情
在这两部分中的第一部分已经呈现了粉煤灰样品通过扫描电子显微镜(SEM)的成像，以及筛分试验、表面积、元素和物相分析的结果[1]。表1是预处理后粉煤灰未发生改变的主要特性的汇总。表2列出了用于制备地聚物的不同级分的粉煤灰，以及硅铝比、钠铝比、氢硅比和固液比等试验条件。最初的意图是针对未改性粉煤灰(UFA)，使用相同比例的混合料取得圆满的成果。然而，随着选矿等级的增加，反应物质比例增加，导致了混合料难以处理，因此通过改变配方的比例以产出可处理的混合物。
地聚物是由粉煤灰、硅酸钠溶液和氢氧化钠的混合物制成的。粉煤灰原料由提供的粉煤灰（科利粉煤灰，2005年底）和经过处理的变种组成。硅酸钠溶液由来自PQ公司的D级硅酸钠(PQ-D)制成。PQ-D的成分以质量分数计为：Na2O 14.7%，SiO2 29.4%和H2O 55.9%。14M氢氧化钠溶液由试剂级(ge;98%)氢氧化钠颗粒（西格玛奥德里奇公司）和超纯水配制而成。
在混合之前，地聚物三大关键成分的量就已经利用一个预定的Si:Al:Na比例来决定了。在称量之前，粉煤灰原料就已经在105℃下烘干一夜以除去水分。PQ-D溶液与氢氧化钠溶液于Nalgnen瓶中混合均匀。原料紧接着碱激发剂被放置于ARE-250（Thinky）搅拌器中。ARE-250的搅拌制度为转速1300 rpm下搅拌5分钟，紧接着在转速为2100 rpm下脱泡10秒。搅拌之后地聚物浆体会被灌进聚乙烯瓶子（直径20毫米，高40毫米）中进行抗压强度测试、X射线衍射和扫描电镜分析。在膨胀测量法前，地聚物浆体会被放在一个内径约4.3毫米的聚丙烯注射器中。地聚物浆体的搅动是在被盖住放在70℃的干燥箱中24小时之前，用金属小铲轻敲瓶子侧面20次，同时注射器直接放在干燥箱中。在固化之后，样品会进行脱模然后按照ASTM C 39于室温（22℃）下养护7天[15]。
抗压强度测试是在Lloyds EZ-50的抗压模式下利用一个50 kN的测压元件进行的。抗压强度测试制度采用ASTM C 39。所选的测试时期为7天（允许偏差大小为plusmn;6小时）。样品的两端通过研磨确保端面是平行的。为了适应Lloyds EZ-50机器的要求，为ASTM C39制度进行了轻微的调整，包括以每分钟5毫米的装料初速度达到2000N这个点，以便使最初的应力/应变曲线变平滑。达到2000N之后，ASTM C 39[15]的装料速度为0.25 MPa/s(7422 N/min)下直到样品损坏。
ASTM C 20[16]被用于测定地聚物浆体样品的密度和吸水性。ASTM被改良来处理小尺寸的测试样品。在把样品加热到105℃后，进行干重(D)的测量。在把样品浸入水中煮2小时并冷却到常温之后，进行簧上重量(S)的测量。在把浸水的样品从水中取出，轻轻涂抹干以去除表面上的水后，进行饱和重量(W)的测量。
表1 未改性的经过预处理的粉煤灰的详情
|
原料代号 |
详情 |
非晶形含量(wt.%) |
比表面积 (m2/g) |
非晶形硅铝比(摩尔) |
|
UFA |
未改性的粉煤灰 |
54.58 |
9.83 |
1.88 |
|
NM-UFA |
未改性的非磁性部分 |
53.28 |
13.14 |
1.95 |
|
SFA |
筛分后的粉煤灰(lt;45mu;m) |
58.63 |
7.84 |
1.84 |
|
NM-SFA |
筛分后的非磁性部分 |
57.00 |
13.69 |
1.98 |
|
MFA |
筛分磨碎后的粉煤灰 |
60.15 |
10.68 |
1.87 |
|
NM-MFA |
筛分磨碎后的非磁性部分 |
60.10 |
12.90 |
1.96 |
表2 每个配方的初始比例
|
原料代号 |
硅铝比 |
钠铝比 |
氢硅比 |
固液比 |
|
UFA |
2.6 |
1.2 |
5.0 |
2.2 |
|
NM-UFA |
2.6 |
1.2 |
5.0 |
2.3 |
|
SFA |
2.6 |
1.2 |
4.7 |
2.2 |
|
NM-SFA |
2.6 |
1.2 |
4.9 |
2.3 |
|
MFA |
2.5 |
1.7 |
6.9 |
1.6 |
|
NM-MFA |
2.5 |
1.7 |
6.6 |
1.7 |
- 结果与讨论
表3介绍了不同地聚物的抗压强度和杨氏模量，而表4介绍了它们的表观孔隙率、吸水率和密度。
表3 由未改性和经过预处理的粉煤灰制成的地聚物的抗压强度和杨氏模量
|
原料代号 |
抗压强度（MPa） |
杨氏模量（GPa） |
|
UFA |
100plusmn;4 |
3.10plusmn;0.13 |
|
NM-UFA |
120plusmn;2 |
3.35plusmn;0.08 |
|
SFA |
132plusmn;7 |
3.58plusmn;0.02 |
|
NM-SFA |
125plusmn;13 |
3.30plusmn;0.04 |
|
MFA |
110plusmn;4 |
3.28plusmn;0.05 |
|
NM-MFA |
100plusmn;10 |
3.12plusmn;0.15 |
表4 不同地聚物的表观孔隙率、吸水率和堆积密度
|
原料代号 |
表观孔隙率（%） |
吸水率（%） |
堆积密度（g/cm3） |
|
UFA |
24.7plusmn;0.6 |
13.6plusmn;0.3 |
1.82plusmn;0.01 |
|
NM-UFA |
27.1plusmn;0.9 |
15.4plusmn;0.6 |
1.77plusmn;0.02 |
|
SFA |
21.5plusmn;1.5 |
11.2plusmn;0.8 |
1.92plusmn;0.02 |
|
NM-SFA |
18.3plusmn;0.9 |
9.8plusmn;0.5 |
1.86plusmn;0.01 |
|
MFA |
13.2plusmn;2.2 |
7.2plusmn;1.3 |
1.83plusmn;0.02 |
|
NM-MFA |
11.8plusmn;1.4 |
6.4plusmn;0.9 |
1.84plusmn;0.02 |
对粉煤灰的预处理导致了非晶形含量从UFA的55 wt.%增加到MFA的60 wt.%（表1）。非晶形含量的增加也使灰分的反应活性增强，这导致了SFA地聚物的强度更高，而MFA反应到这样的程度以致必须降低固液比（表2）来保持可加工性。增加液体的后果是限制了可以达到的极限强度。
筛分过的粉煤灰的强度要比未改性的粉煤灰增加32%。石英和碳的去除通常被认为是强度增加的原因，这与Shi[17]和Silverstrim等人[18]的观察结果一致。筛分作为一种选矿手段最有吸引力的是它简单、便宜而且只需要在UFA制备地聚物的配方上进行较小的改变。
筛分磨碎后的粉煤灰（MFA）的
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