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《混凝土》2014年第十期

【机构】 西安科技大学化学与化工学院；

【摘要】 粉煤灰是陕西渭北矿区数量较大,分布最广的工业废渣之一,随着陕西工业的发展,每年粉煤灰排放量将会递增,粉煤灰的堆存不仅侵占大量的良田,还阻塞河道、污染空气,对环境造成了极大的危害。合理地开发和应用粉煤灰不但可以节约土地和能源,还能保护和治理环境。通过对渭北矿区粉煤灰理化性质的分析,选择出适合制备泡沫混凝土的粉煤灰及粒度,探索影响粉煤灰泡沫混凝土发泡剂的主要因素。通过正交试验得到满足设计要求的最佳配合比,并对粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度性能进行了系统的研究。结果表明,发泡剂水解温度为100℃,水解时间为5 h,使用量为40 m L时,制备的泡沫混凝土的抗压强度最好,为6.56 k Pa。 更多还原

【关键词】 粉煤灰； 泡沫混凝土； 发泡剂； 抗压强度； 

我国煤炭资源丰富，能源生产以火力发电为主，是粉煤灰排放大国。粉煤灰是从煤粉炉子排出的烟气中收集到的小颗粒粉末，被称之为工业“三废”之一。其主要应用在建材、建工、修路、回填方面其利用率仅为42%。粉煤灰也是陕西地区数量较大，分布最广的工业废渣之一，随着陕西工业的发展，每年粉煤灰排放量将会递增，而粉煤灰是一种人工火山灰质材料，作为混凝土的掺和料，可以改善性能、节约水泥、提高施工质量和降低材料成本^[1-4]。

陕西渭北矿区是陕西省煤炭资源的重要产区，粉煤灰的排放量逐年急剧增加。这些工业废渣的堆积，不仅占用了大量的土地，而且污染大气、土壤和地下水，导致人类居住的环境恶化。由以上对粉煤灰的概述认识及其发展前景，结合我省粉煤灰的综合利用技术相对落后，对渭北矿区粉煤灰进行理化性质分析及表征研究，以便对我省粉煤灰的综合利用技术的研究提供理论依据，并提出实际指导。本研究利用陕西渭北粉煤灰制备泡沫混凝土有以下几个意义：（1）有效利用燃煤电厂产生的高掺量粉煤灰、减少硅酸盐水泥熟料的生产，为减少集中工业的环境冲击而提供了一种解决方案；（2）目前泡沫混凝土对发泡剂研究尚未成熟，通过本研究制备出性能稳定、廉价的发泡剂；（3）制备出高性能的泡沫混凝土，并将其推广使用。

1 实验

1.1粉煤灰化学成分分析

 实验用粉煤灰取自陕西渭北矿区，粉煤灰主要成分是Al₂O₃、SiO₂，另外还含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、P₂O₅、SO₃和微量稀有元素。根据粉煤灰制备泡沫混凝土的需要，此次研究主要分析了Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃、CaO、MgO，各成分分析方法按照GB-T1574-2007煤灰成分分析方法执行，结果如下：

1.2.3实验方法的确定

潘志华，张巨松等^[5-8]人分别阐述和总结了目前泡沫混凝土的生产方法。第一种是将发泡剂溶入水中，然后和水泥均匀搅拌。第二种是采用高速搅拌叶片制取泡沫，国内的制泡技术目前主要是采用高速搅拌机，即将发泡剂溶液倒入高速搅拌机中，然后用搅拌机的高速叶片搅动发泡剂溶液来制取泡沫。第三种是采用压缩空气法制泡，国外多用此方法生产泡沫混凝土。发泡剂是生产泡沫混凝土的关键。因为发泡剂的种类不同，所制泡沫混凝土的质量相差较大，主要体现在浆体的稳定性、气孔孔径的大小与均匀性、硬化体的力学性能及抗冻性等。选择最佳的发泡剂品种和适宜的掺量是制备高质量泡沫混凝土的首要条件^[9]。角蛋白存在于各种动物体内。动物的蹄角、毛发及羽毛中含有大量的角蛋白，含量均在80%以上^[10]。对动物角蛋白进行水解，经过加工处理后可以制得蛋白质型发泡剂。而角蛋白市场价格比较贵，本研究选用另一种蛋白质（鸡蛋清）代替角蛋白来解决角蛋白价格贵的问题。采用第二种研究方法制取泡沫。

（2）混泡与成型

将制备好的发泡剂逐渐加入到搅拌好的混合浆体中，搅拌时间为1~3min，然后将泡沫混凝土浆体注入涂好油的试模中，应注意的是泡沫混凝土不能剧烈的振动以免气泡破裂，在流动度低的情况下，由于密度很轻很难通过自流平达到完全充满模具，需要在试模的外壁轻轻振捣；在大流动度的情况下，泡沫混凝土浆体可以完全自流平、自密实。泡沫混凝土注入试模后，用小铲刀及时刮平表面，在阴凉条件下，常温静止24小时后脱模。

（3）养护

本研究采用自然养护的方法：浇筑入模的泡沫混凝土，用小铲刀刮平后，置于阴凉处24小时后脱模。由于泡沫混凝土的强度较低，浇筑后24小时内要注意保护，禁止脚踩，更不允许将石块、木块或其它物品压在上面。24小时脱模后，将混凝土块置于阳台上盖上湿抹布，在湿度为80～90％条件下，常温静养7天。7天后在压力机上测试其抗压强度。

1.2.7抗压强度的测定

本研究采用TAPPI-T804型压力机进行混凝土块的抗压强度测试。

1.2.8探究粉煤灰粒度与混凝土抗压强度的关系

粉煤灰的粒度很大程度上影响着泡沫混凝土的抗压强度，故本研究从粒度着手试验，选择出制备泡沫混凝土的粉煤灰最佳粒度，其关系如表4：

由图2可以看出，粉煤灰粒度在200目时，用其制备的泡沫混凝土抗压强度最大，达到5.13KPa ，故以下其他试验所用粉煤灰粒度选200目的。

1.3正交试验

1.3.1正交试验设计

正交试验方法是在生产的各个领域中得到广泛应用的一种试验设计方法。它是使用一套规格化的“正交表”来安排和分析多因素试验的一种数理统计方法，排出最有代表性的试验次数，并能从仅做的少数试验中充分得到所需信息。本研究应用正交试验方法分析与讨论了泡沫混凝土制备时发泡剂对其的影响作用：抗压强度与发泡剂使用情况间关系，以进一步找到粉煤灰混凝土发泡剂最佳发泡条件及使用量。其详细步骤如下：

（1）因素及其水平的确定

由前期查阅文献得知，影响泡沫混凝土的性能主要是发泡剂的作用，制备蛋白质发泡剂时考虑水解温度、水解时间，这是首要因素，故本正交试验选取发泡剂的发泡温度、发泡时间、及其使用量为正交实验因子。各因素与水平的选择具体见表5。

（2）正交实验表头设计

由于选择了3水平3因素，故所选正交表列数不得少于5，通过查3水平3因素正交表，最后选择了L9（3³）正交表来设计实验。表5 是本正交试验的设计表。

1.3.3数据极差分析

通过极差分析方法对表6的实验数据进行分析，由结果可知：

(1)由正交试验，可直观看出泡沫混凝土的抗压强度相对较好的是发泡剂发泡温度100℃，发泡时间5h，使用量40mL，抗压强度6.56KPa。

(2)由极差分析可知，在本研究范围内，发泡剂的加入量对混凝土的抗压强度影响最显著，相对发泡时间和发泡温度对混凝土的抗压强度影响弱一些。

结  论

 根据水泥中各成分含量，陕西渭北矿区的粉煤灰中粉煤灰化学组成中硅铝比2:1，接近水泥中硅铝比，适合制备泡沫混凝土；经粒度实验测试，要制备出较好的粉煤灰泡沫混凝土，应选用粉煤灰的粒度在200目左右，这样使其制备的泡沫混凝土抗压强度达到最优值；由正交试验，泡沫混凝土的抗压强度相对较好的是发泡剂发泡温度100℃，发泡时间5h，使用量40mL，抗压强度达到6.56KPa。蛋白质发泡剂最佳制备条件在50℃下水解5h，制备出高性能泡沫混凝土。

参考文献

[1] 覃维祖. 粉煤灰在混凝土中的应用技术[J]. 商品混凝土, 2006(2): 13-18.

[2] 刘文永,李振伟,张长海,杨鹏.高掺量粉煤灰水泥制备方法及其力学性能分析[J].煤炭科学技术, 2009(11): 121-124.

[3]苏佳纯,孙洋洲.粉煤灰吸附二氧化碳在节能减排领域的应用[J].煤炭转化, 2012(1): 90-93.

[4]STENCEL J M, SONG H, FEDER ICO C. Automated foam index test: Quantifying airentraining agent addition and interactions with fly ash cement admixtures[J].Cement and Concrete Research, 2009, 39: 362 – 370.

[5]闰振甲, 何燕君. 泡沫混凝土实用生产技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006.

[6]王翠花, 潘志华. 混凝土发泡剂的泡沫稳定性研究[J]. 化学建材, 2006(3): 48-53.

[7]汪克进等. 高效粉煤灰改性掺合料的配制[J]. 重庆: 重庆大学材料学院, 2007(3): 27-39.

8]谢明辉. 大摻量粉煤灰泡沫混凝土的研究[D]. 吉林: 吉林大学硕士论文, 2006.

[9]STENCEL J M, SONG H, FEDER I CO C. Automated foam index test : Quantifying airentraining agent addition and interactions with fly ash-cement admixtures [J].Cement and Concrete Research, 2009, 39: 362-370.

[10]马志珺,李小云,马学雷,崔艳玲,贾永辉.蛋白质型混凝土发泡剂的研究[J].建筑科学,2009(5): 73-77. 

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