粉煤灰基地聚物的抗壓強度及分形維數研究

劉鳴明+羅浩

摘 要：本文簡要介紹了粉煤灰作為地聚物材料的研究背景，介紹了分形理論的研究方法以及在研究地聚物材料時的優勢。對不同Si/Al比下的粉煤灰地聚物材料的抗壓強度及分形維數進行了研究。通過調整原材料Si/Al比，對地聚物材料的抗壓強度、顆粒表面起伏分維做定量分析得出兩者隨Si/Al比變化的規律。

關鍵詞：粉煤灰地聚物 分形維數 抗壓強度

中圖分類號：TB528 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0103-02

粉煤灰是一種工業生產排放的硅鋁酸鹽殘渣，是具有一定火山灰活性的固體廢料，主要收集于煤燃燒后的煙氣管道中，常見于冶煉廠、化工廠及燃煤電廠等。粉煤灰作為一種具有高度分散特點的顆粒集合體，顆粒直徑細至約1～50μm，形狀多為多孔型蜂窩。粉煤灰也有著較大的比表面積，吸附活性較高，色度跨越從乳白至灰黑，外觀特征與水泥十分相似。

粉煤灰作為我國排放量最多的工業廢渣，如何妥善處置以及將它回收再利用，一直是各個研究機構與學者的研究中心。除了少量MgO、TiO2、SO3、FeO、Fe2O3、Na2O和CaO外，粉煤灰的化學組成主要由SiO2與Al2O3構成。因為粉煤灰的成分中含有大量的硅鋁成分，而硅鋁成分是制備地聚物材料時的主要構成成分，所以在過去的研究中，大量學者將粉煤灰作為一種合適的原料制備地聚物材料，實現粉煤灰的回收再利用。

然而由于粉煤灰地聚物材料中發生的聚合反應十分復雜，最終產物中存在著各種形式的物相，包括固體、液體和氣體（不同位置、不同環境條件下形成），所以其組成和結構都比較復雜，導致材料結構的非線性，因此用傳統的方法研究材料的結構非常困難。而分形理論是一種研究自然界中無規則變化現象的新方法，國內外許多學者基于該理論對材料的微觀結構進行了大量的研究并獲得了相應的成果，為材料結構的研究提供了一個新的途徑。

1 不同硅鋁比的粉煤灰地聚物材料分形維數分析

1.1 粉煤灰地聚物材料顆粒表面起伏分維的計算

顆粒表面起伏分維Dpr求解時，用不同測尺長度對顆粒邊緣輪廓線進行測量，將不同長度測尺下得到的顆粒表面數據運用線性關系式在雙對數坐標系中對其進行擬合，該直線斜率的負值即為粒度分維值Dps。其中G2組Si/Al比為1，G3組Si/Al比為1.2，G4組Si/Al比為1.5。三組材料顆粒表面起伏分維值與抗壓強度的關系如表1。

1.2 粉煤灰地聚物材料硅鋁比與材料顆粒表面起伏分維關系

從圖1中可以看出，本組粉煤灰基地聚物的顆粒表面起伏度在1.20左右變化。隨著材料中Si/Al比的增大，顆粒表面起伏分維數值愈發減小。當原材料的Si/Al比由G2的1提高到G3的1.2時，顆粒表面起伏度數值降低的比例很大，為1.6%。當原材料的Si/Al比由G3的1.2提高到G4的1.5時，顆粒表面起伏度數值降低的比例較小，只有0.14%。

1.3 粉煤灰地聚物材料顆粒表面起伏分維與材料抗壓強度的關系

從圖2中可以看出，當顆粒表面起伏分維由1.1906L高至1.1924，地聚物材料抗壓強度提升數值小，提升速率較大。此時對應著材料硅鋁比的降低，由G4的Si/Al比1.5降低至G3的Si/Al比1.2。當顆粒表面起伏分維由1.1924L高至1.2121時，地聚物材料抗壓強度數值提升大，上升速率有所放緩。此時對應著材料硅鋁比的降低，由G3的Si/Al比1.2降低至G2的Si/Al比1.0。

2 結論

（1）當原材料Si/Al比上升時，高濃度的可溶性硅阻礙了Si、Al鍵的結合，從而導致地聚物聚合時骨骼密度的降低，結構越發松散，進而導致材料的顆粒表面起伏分維下降以及材料的抗壓強度降低。

（2）當顆粒表面起伏分維升高時，材料的抗壓強度數值也在升高。這是因為當材料內部凝結緊密時，材料內部會生成顆粒表面起伏較大的集團粒，這個時候顆粒表面起伏分維也將偏大。而當材料內部結構松散時，顆粒表面起伏較小，則顆粒表面起伏分維數值也較小。

參考文獻

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