燃煤渣和花岗岩石粉协同制备地聚合物研究_黄涛.pdf

-86-第45卷第6期 非金属矿 Vol.45 No.62022年11月 Non-Metallic Mines November,2022燃煤渣和花岗岩石粉协同制备地聚合物研究黄 涛1 张 明2 吴保才2 黄慕洋3 邱志明3 黄修林4 包申旭3*（1 湖北工建绿色材料投资有限公司，湖北 武汉 430080；2 麻城金磊绿色材料开发有限公司，湖北 黄冈 438399；3 武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070;4 湖北大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062）摘 要 为实现燃煤渣和花岗岩石粉综合利用，以燃煤渣为主要原料，花岗岩石粉作为辅料，氧化钙、磷酸钠和水玻璃为碱激发剂制备地聚合物。结果表明，地聚合物最佳制备条件为：燃煤渣与花岗岩石粉的质量比为 9010，氧化钙、磷酸钠和水玻璃用量分别为 20%、5%和 15%。此条件下地聚合物 28 d 抗压强度达 35.45 MPa。采用 X 射线衍射（XRD）仪和扫描电镜（SEM）对地聚合物进行分析，结果表明，复配激发剂加速了燃煤渣的溶解，形成的复杂凝胶相显著提高了地聚合物的抗压强度，同时，掺入花岗岩石粉有利于改善浆体流动性，使地聚合物微观结构更致密。关键词 燃煤渣；花岗岩石粉；地聚合物；氧化钙；磷酸钠；复杂凝胶相中图分类号：TU528.41；X75文献标志码：A文章编号：1000-8098(2022)06-0086-04Study on the Co-preparation of Geopolymer from Burnt Coal Cinder and Granite Powder Huang Tao1 Zhang Ming2 Wu Baocai2 Huang Muyang3 Qiu Zhiming3 Huang Xiulin4 Bao Shenxu3*(1 Hubei Gongjian Green Materials Investment Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430080;2 Macheng Jinlei Green Materials Development Co.,Ltd.,Huanggang,Hubei 438399;3 School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430070;4 School of Materials Science and Engineering,Hubei University,Wuhan,Hubei 430062)Abstract To realize the comprehensive utilization of burnt coal cinder and granite powder,the geopolymer was prepared by using burnt coal cinder as the main raw material,granite powder as the auxiliary material,calcium oxide,sodium phosphate,and sodium silicate as the co-alkali activator.The results showed that the optimal preparation conditions of geopolymer were as follows:the mass ratio of burnt coal cinder to granite powder was 9010,calcium oxide dosage was 20%,sodium phosphate dosage was 5%,sodium silicate dosage was 15%,and the 28 d compressive strength of the geopolymer reached 35.45 MPa.The geopolymers were analyzed by XRD and SEM,and the test results revealed that the co-alkali activator accelerated the dissolution of burnt coal cinder,and the complex gel phase formed improved the compressive strength of the geopolymer;the incorporation of granite powder was beneficial to improving the fluidity of the slurry,thereby forming a more dense microstructure of geopolymer.Key words burnt coal cinder;granite powder;geopolymer;calcium oxide;sodium phosphate;complex gel phase燃煤渣是煤燃烧后产生的尾渣，据统计我国每年产生的燃煤渣达到上亿吨1。燃煤渣和粉煤灰均是煤燃烧产生的副产品，两者化学组成非常相似，但是燃煤渣化学活性远低于粉煤灰，造成燃煤渣利用率低，大量堆存，不仅占用土地资源，还破坏生态环境。花岗岩石粉是石材加工过程中产生的粉末废弃物，目前主要用于生产水泥掺料、加气混凝凝土砌块、微晶玻璃等2，利用途径有限且石粉消纳量低。地聚合物是由硅铝酸盐原料在碱性溶液环境下反应形成的一种具有三维网络状结构的新型胶凝材料，与普通硅酸盐水泥相比，具有碳排放量低，原料来源广泛，力学性能、耐高温和耐腐蚀性能优异的特 点3，受到国内外学者的广泛关注。燃煤渣和花岗岩石粉中均含有大量的硅铝组分，因此具备作为地聚合物前驱粉体的潜力。为了提高燃煤渣和花岗岩石粉两种工业固废的利用率，本研究以燃煤渣为主要原料，花岗岩石粉作为辅料制备地聚合物，采用复配激发剂提高地聚合物的力学性能，研究了碱激发剂种类、碱激发剂用量和花岗岩石粉掺量对地聚合物性能的影响。1 试验部分1.1 原料及试剂 试验用原料燃煤渣和花岗岩石粉分别来自湖北麻城某火力发电厂和石材加工厂，两者主要化学成分，见表 1。表 1 原料主要化学成分（w/%）原料SiO2Al2O3Na2OK2OCaOFe2O3其他 烧失量燃煤渣53.9830.310.430.821.774.201.816.68花岗岩石粉 70.0116.324.194.281.271.781.170.98由表 1 可知，燃煤渣和花岗岩石粉的主要化学成分均为 SiO2和 Al2O3，其中花岗岩石粉的 SiO2质量分数（70.01%）远高于 Al2O3（16.32%），具有“高硅低铝”收稿日期：2022-10-10基金项目：湖北省重点研发项目（2022BAA029）。*通信作者，E-mail：。-87-的化学特性。对燃煤渣和花岗岩石粉进行 X 射线衍射（XRD）分析可知，燃煤渣中主要物相为石英、莫来石和无定形玻璃相，花岗岩石粉中主要物相为石英、钠长石、微斜长石和少量白云母。碱激发剂采用市售分析纯氧化钙、磷酸钠和水玻璃（质量分数 42%，模数 2.31）试剂复配。1.2 地聚合物的制备 首先将燃煤渣和花岗岩石粉在 60 条件下烘干 24 h，然后将烘干后的燃煤渣、花岗岩石粉、氧化钙、磷酸钠在振磨机中研磨 5 min，得到前驱粉体。将前驱粉体、水玻璃和水在搅拌机内搅拌 3 min 得到净浆，浇筑到 20 mm20 mm20 mm 钢制模具中振动成型。在 60 烘箱中养护 24 h 后脱模，最后在室温下养护至规定龄期得到最终地聚合物产品。本研究中药剂的用量用药剂占原料的质量百分数表示，液固比为水的体积与原料与碱激发剂之和的质量比，单位为 mL/g。1.3 表征与测试 采用 YES-100 型液压式压力试验机对养护至 3 d、7 d 和 28 d 的地聚合物产品进行抗压强度测试，每组抗压强度取 3 个试样的平均值。将破碎后的地聚合物样品在丙酮中浸泡 24 h 以终止地聚合物水化反应，浸泡后的地聚合物样品在 80 下烘干 24 h 进行表征。采用日本电子株式会社 D/Max-IIIA 型 X 射线衍射（XRD）仪对制备的前驱粉体和地聚合物试样进行物相分析，Cu K 射线扫描范围 5 70；采用日本电子株式会社 JSM-IT300 型扫描电子显微镜（SEM）对地聚合物样品的微观形貌进行分析，工作电压 15 kV。2 结果与讨论2.1 氧化钙对地聚合物性能的影响 采用单因素控制变量法，固定燃煤渣与花岗岩石粉质量比为1000，磷酸钠掺量为 15%，水玻璃掺量为 20%，液固比为 0.3 mL/g，探究氧化钙掺量对地聚合物抗压强度的影响，结果见图 1。图1 氧化钙掺量对地聚合物抗压强度的影响由图 1 可知，随着氧化钙掺量的增加，地聚合物抗压强度整体呈先上升后下降趋势。未添加氧化钙时，地聚合物抗压强度值基本为零，氧化钙掺量为 20%，地聚合物 28 d 抗压强度值达到最高值 21.55 MPa。这是因为氧化钙水化过程放热，加速了燃煤渣中硅铝组分溶出，水化过程生成 Ca(OH)2和水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，为后期复杂凝胶的生成提供了成核位点，增强了地聚合物的力学性能4。随着氧化钙掺量继续增加，超过 20%，大量水化热使得浆体快速凝固，地聚合物的不良孔结构增多，难以形成致密的微观结构5，且由于原料无法提供大量的活性硅组分以生成复杂凝胶相，地聚合物抗压强度出现 下降。2.2 磷酸钠对地聚合物性能的影响 固定燃煤渣与花岗岩石粉的质量比为 1000，氧化钙掺量为 20%，水玻璃掺量为 20%，液固比为 0.3 mL/g，考察磷酸钠掺量对地聚合物抗压强度的影响，结果见图 2。图2 磷酸钠掺量对地聚合物抗压强度的影响由图 2 可知，当磷酸钠掺量小于 5%时，地聚合物抗压强度随着磷酸钠掺量的增加而增加，地聚合物28 d 抗压强度由 22.94 MPa 提高至 26.78 MPa。这是因为掺入磷酸钠加速了燃煤渣中硅铝组分溶解，促进了地聚合物反应，并使地聚合物形成 Ca-Si-P 的凝胶结构，凝胶相的种类和数量增加。引入 PO43-使体系中不需要额外的碱金属阳离子平衡电荷，从而使凝胶结构更紧凑6，随着磷酸钠掺量的继续增加，金属阳离子 Na+增多，使得地聚合物表面逐渐产生“泛霜”，抗压强度降低。2.3 水玻璃对地聚合物性能的影响 固定燃煤渣与花岗岩石粉的质量比为 1000，氧化钙掺量为 20%，磷酸钠的掺量为 5%，液固比为 0.3 mL/g，考察水玻璃掺量对地聚合物抗压强度的影响，见图 3。由 图 3 可知，随着水玻璃掺量增加，地聚合物抗压强度总体呈先上升后下降趋势。当燃煤渣中未掺水玻璃时，地聚合物抗压强度很低，28 d 抗压强度为 4.35 MPa。这是因为在地聚合反应前期，未活化的燃煤渣无法提供充足的活性硅组分，凝胶产物聚合程度0 5 10 15 20 25磷酸钠掺量/%302520151050抗压强度/MPa3 d7 d28 d0 5 10 15 20 25氧化钙掺量/%3 d7 d28 d2520151050抗压强度/MPa 燃煤渣和花岗岩石粉协同制备地聚合物研究 黄 涛，张 明，吴保才，等-88-第45卷第6期 非金属矿 2022年11月低且数量少，导致地聚合物抗压强度低。随着水玻璃掺量逐渐增加，体系中的活性硅组分增多，地聚合物生成大量复杂凝胶相，显著提高了地聚合物抗压强 度7，当水玻璃掺量为 15%时，地聚合物 28 d 抗压强度达到最大值 31.50 MPa。当水玻璃掺量超过 15%，过量的活性硅会阻碍 P 取代 Si，Ca-Si-P 的复杂凝胶结构难以形成，因此地聚合物抗压强度下降。图3 水玻璃掺量对地