堿激發(fā)固硫灰地聚物制備透水磚的工藝研究*

趙耀芳

（山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036800）

堿激發(fā)固硫灰地聚物制備透水磚的工藝研究*

趙耀芳

（山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036800）

本文研究在不使用水泥情況下，利用工業(yè)廢堿液激發(fā)固硫灰制備地聚物膠凝材料，使其與一定粒徑的天然骨料拌和，制備新型的免蒸免燒路面透水磚。經(jīng)過試驗(yàn)表明：使用地聚物膠凝材料 26%～30%，天然骨料70%～74% 時(shí)，在常溫常壓下振動(dòng)成型，經(jīng)過5小時(shí) 100℃ 干熱養(yǎng)護(hù)，所制備固硫灰透水磚的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)分別為 26.2MPa 和1.38×10-1cm/s。

路面透水磚；固硫灰；堿激發(fā)；地聚物膠凝材料

0 引言

循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)是一項(xiàng)近二十年發(fā)展起來的清潔煤燃燒技術(shù)。它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內(nèi)脫硫、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和負(fù)荷調(diào)節(jié)快等突出優(yōu)點(diǎn)。隨著清潔能源技術(shù)的推動(dòng)，循環(huán)流化床技術(shù)在電廠已日漸普及，產(chǎn)生了大量的固硫灰。固硫灰是煤在循環(huán)流化床鍋爐里燃燒后的副產(chǎn)物，其生成溫度在 700～900℃，比普通粉煤灰（PC 灰）生成溫度（1200～1400℃）低得多，所以其化學(xué)組成、礦物組成、顆粒形貌和物化性能都有很大的不同[1-4]。隨著固硫灰日益增多，其研究和利用變得必要和急迫。

目前城市路面大多是水泥路面，水泥路面易硬化而難滲水，造成雨水難以滲透到地下，阻礙了地下水循環(huán)，嚴(yán)重影響城市生態(tài)環(huán)境。透水磚是一種新型的綠色環(huán)保建材，它具有良好滲水性及保濕性，能很好地緩解城市因被不透水地面鋪裝覆蓋所帶來的“城市荒漠化”及“熱島效應(yīng)”，有利于保持城市水平衡[5]。因此將固硫灰應(yīng)用于透水磚制備，將是固硫灰利用的又一新途徑，具有很高的環(huán)保效益和生態(tài)效益。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

本試驗(yàn)所用原料主要有超細(xì)固硫灰、磨細(xì)礦渣粉、玄武巖碎石、砂子、纖維素醚以及自制堿性溶液。其中，超細(xì)固硫灰來源于山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司的超細(xì)固硫灰，其中位徑為3～5μm，灰色粉末狀；玄武巖碎石為制備透水磚的粗骨料；堿性溶液由濃度約為 30% 工業(yè)廢堿溶液與濃度約為 40% 廢棄水玻璃按照一定比例配制而成。超細(xì)固硫灰和磨細(xì)礦渣粉化學(xué)成分如表1 所示，玄武巖碎石與砂子的級(jí)配如表2 所示。

表1 各原料主要化學(xué)成分 %

表2 骨料篩分結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)所采取的透水磚制備過程為：首先將自制堿性溶液與粉煤灰、礦粉在砂漿攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢?分鐘，制備成地聚物膠凝材料；其次在混凝土攪拌機(jī)中與碎石砂子骨料混合，加入一定量纖維素醚，攪拌3分鐘，使地聚物膠凝材料均勻包裹于骨料周圍，形成混合均勻的混合物料；再次將混合物料在放入100mm×100mm×100mm 模具內(nèi)，置于震動(dòng)臺(tái)振動(dòng)壓實(shí)，包裹了新拌膠凝材料的石子顆粒在模具中密實(shí)成型，最后放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。試樣經(jīng)養(yǎng)護(hù) 24h 后脫模，測定試樣的即時(shí)抗壓強(qiáng)度及透水率。本次試驗(yàn)的流程如圖1所示。具體技術(shù)指標(biāo)參考 GB/T 25993－2010《透水路面磚和透水路面板》。

試樣抗壓強(qiáng)度的測定參照 JC/T 945—2005《透水磚》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，所用設(shè)備為 TYE—2000型壓力試驗(yàn)機(jī)；透水系數(shù)的測試按照國標(biāo) JC/T 945—2005 標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，所用設(shè)備為透水系數(shù)測試儀，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

圖2 透水系數(shù)測定儀

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 骨料粒徑對磚的強(qiáng)度和透水率的影響

按照骨膠比7:1、水灰比.6:1的固定比例進(jìn)行骨料粒徑的影響試驗(yàn)。不同骨料粒徑情況下，透水磚的即時(shí)抗壓強(qiáng)度和透水率測定結(jié)果如表3 所示。利用表3 中的數(shù)據(jù)繪制不同骨料粒徑對透水磚的即時(shí)抗壓強(qiáng)度和透水率的影響曲線，如圖3所示。

表3 骨料粒徑對磚的強(qiáng)度和透水率的影響

圖3 骨料粒徑對磚的強(qiáng)度和透水率的影響

分析結(jié)果：骨料粒徑較小，則其比表面積較高，地聚物完全包裹骨料，結(jié)構(gòu)緊密，因而強(qiáng)度較高，孔隙率低，透水率也降低。反之，骨料粒徑較大，強(qiáng)度較低，孔隙率高，透水率也升高。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)級(jí)配的骨料透水好，且范圍越窄，性能越好。本試驗(yàn)采用粒徑為2.5～10mm 石子作為骨料。

2.2 地聚物膠凝材料對透水磚的強(qiáng)度和透水率的影響

固硫灰地聚物的成分對其力學(xué)性能和膠凝能力有非常重要的影響，進(jìn)而影響透水磚的即時(shí)抗壓強(qiáng)度和透水率。本試驗(yàn)測定了不同配比制成的地聚物膠凝材料對透水磚的強(qiáng)度和透水率，結(jié)果如表4 所示。

從表4 不難發(fā)現(xiàn)，透水磚的強(qiáng)度隨著超細(xì)固硫灰量的增加而提高，但水量增加會(huì)影響骨料之間的粘合性，進(jìn)而降低透水磚的強(qiáng)度。因此，綜合而言，當(dāng)固硫灰:堿液:水玻璃:水=52:15:21:12時(shí)，透水磚的性能相對最優(yōu)。

表4 地聚物膠凝材料對透水磚的強(qiáng)度和透水率的影響

2.3 地聚物膠凝材料與骨料的配比對磚的強(qiáng)度和透水率的影響

本試驗(yàn)測定了地聚物膠凝材料與骨料不同配比的情況下，透水磚的即時(shí)抗壓強(qiáng)度和透水率，結(jié)果如表5 所示。利用表5 中的數(shù)據(jù)繪制不同地聚物膠凝材料與骨料的配比對透水磚即時(shí)抗壓強(qiáng)度和透水率的影響曲線，如圖4所示。

表5 地聚物膠凝材料與骨料的配比對磚的強(qiáng)度和透水率的影響

從表5 和圖4不難發(fā)現(xiàn)，隨著地聚物膠凝材料含量的增加，透水磚即時(shí)抗壓強(qiáng)度增大，但透水率降低。膠凝材料的增加會(huì)提高透水磚的強(qiáng)度，但是量太大會(huì)填充到骨料的縫隙從而影響透水率。

因此，綜合而言，地聚物:骨料=26:74 時(shí)，透水磚的性能相對最優(yōu)。

圖4 地聚物膠凝材料與骨料的配比對磚的強(qiáng)度和透水率的影響

2.4 最佳方案結(jié)果

從以上試驗(yàn)可以看出，尋找合適的骨料粒徑、膠凝材料配比以及膠凝材料和骨料的配比，可以制作出符合標(biāo)準(zhǔn)的透水磚。在本試驗(yàn)條件下，通過驗(yàn)證獲得的最優(yōu)化條件為：骨料粒徑為2.5～10mm；固硫灰:堿液:水玻璃:水=52:15:21:12；地聚物:骨料=26:74。測試結(jié)果為：即時(shí)抗壓強(qiáng)度為 26.2MPa，透水率1.38mm/s。

3 結(jié)論

固硫灰在國內(nèi)產(chǎn)量較大，固硫灰的綜合利用研究具有十分重要的意義。本試驗(yàn)利用堿液激發(fā)超細(xì)固硫灰活性制作固硫灰透水磚，具有免燒免蒸的雙免除特點(diǎn)，在強(qiáng)度和透水率上能夠達(dá)到透水磚相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的性能要求，使固硫灰變廢為寶、變害為利，而且還能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)堿液激發(fā)固硫灰活性反應(yīng)較快，因此透水磚制作過程操作需相對規(guī)范迅速，原料用量需控制精確。

[1]王福元，吳正嚴(yán)．粉煤灰利用手冊（第二版）[M]．北京：中國電力出版社，1997: 62-64,122-124．

[2]HuiXu, Qin Li, LifengShen. Synthesis of thermostablegeopolymer from circulating fluidized bed combustion (CFBC) bottom ashes [J]. CemConcr Res 2010;175: 198-204.

[3]Qian JS, Zheng HW, Song YM, Wang Z, Ji XK. Special properties of fy ash and slag of fuidized bed coal combustion[J]. J China Ceram Soc 2008;36: 1396–400.

[4]Lu JF, Zhang JS, Zhang H, Liu Q, Yue GX. Performance evaluation ofa 220 t/h CFB boiler with water-cooled square cyclones[J]. Fuel Process Technol 2007;88: 129–35.

[5]何天馳，胡志華．循環(huán)流化床固硫灰制備透水磚的研究[J]．粉煤灰綜合利用，2014(2): 21-27．

[6]王萍萍，徐向舟．砂基透水磚的制備及性能優(yōu)化研究[J]．新型建筑材料，2013(8): 44-47．

The process of preparation of permeable brick by using alkali-activated fy ash gel

Zhao Yaofang
(Shanxi Pingshuo Coal Gangue Power Generation Co., Ltd., Shuozhou 036800)

The permeable pavement bricks of free steaming unburned is made by which the material of polymer gel was made by fy ash of activating industrial slag without the use of any Portland cement as binder and by using natural gravel as the coarse aggregate. Following the procedures recommended by the test ,the results showed that permeable pavement bricks that is made by material of polymer gel of 26%-30% and natural gravel of 70%-74% under normal temperature and pressure will obtain compressive strength of 26.2MPa and permeability coeffcient of 1.38×10-1cm/s.

permeable pavement bricks; fy ash; alkali activated; the material of polymer gel

MC2014-04“高摻量高強(qiáng)度粉煤灰水泥的制備”（2014年度山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目）

趙耀芳（1985—），女，碩士，工程師，主要研究固廢綜合利用以及除塵技術(shù)。

［通訊地址］山西省朔州市平魯區(qū)安太堡工業(yè)廣場山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司（036800）