粉煤灰制備礦物聚合材料正交實驗研究*

李 帥，武文芳，孫瓊會，連明磊，雷以柱，石開儀

（六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州六盤水553004）

粉煤灰主要來源于火電廠生產用的煤粉爐或沸騰爐，它是煤燃燒后產生的細粒狀殘渣，主要成分是硅、鋁、鐵、鈣、鎂的氧化物。大量堆放的粉煤灰不僅占用土地，而且污染環境。而礦物聚合材料的制備就是粉煤灰資源化利用的方向之一［1-3］。

礦物聚合材料屬于一種堿激發膠凝材料。所謂堿激發就是用堿使粉煤灰中的Si—O鍵、Al—O鍵發生斷裂，引發其活性。激活后的粉煤灰能與水泥、偏高嶺土、砂子等硅鋁酸鹽在攪拌混合條件下發生聚合，通過成型與養護等過程生成一種新型非金屬材料。王剛等［4］以粉煤灰和偏高嶺石為主要原料合成礦物聚合材料，3 d抗壓強度達到39.27 MPa，電鏡分析表明材料內部玻璃體結合程度較高，因此強度也很高。賈屹海等［5］用粉煤灰制備了礦物聚合物，28 d 抗壓強度達到 70 MPa。 Haque［6］使用 F 類粉煤灰替代部分水泥制成了高性能的混凝土，28 d抗壓強度可達111 MPa，比未加粉煤灰的混凝土強度提高了20%。因為粉煤灰基礦物聚合材料具有良好的力學性能和穩定的化學性能，而六盤水地區又具有豐富的粉煤灰固廢資源，因此利用粉煤灰制備礦物聚合材料具有一定的經濟價值和社會價值［7-8］。

1 實驗部分

1.1 粉煤灰性質

粉煤灰取自六盤水市野馬寨大唐發電有限公司，其主要化學成分見表1。由表1看出，粉煤灰主要成分為鋁、硅、鐵的氧化物，其質量分數之和為83.58%，CaO質量分數為3.12%（＜5%），屬于低鈣灰。

表1 粉煤灰化學成分及含量

采用Winner2005A激光粒度儀測試粉煤灰的粒度分布，結果見圖1。由圖1看出，粉煤灰D50=24.132μm、D90=76.516 μm，平均粒徑為 33.122 μm。

圖1 粉煤灰粒徑分布圖

1.2 實驗流程

以粉煤灰、水泥、偏高嶺土（800℃高溫煅燒）、砂子為固體原料 （其中水泥和砂子為普通建筑用料），以氫氧化鈉和硅酸鈉的混合溶液為液體原料（堿激發劑）。先稱取固體原料，4種原料按照相應比例置于水泥膠砂攪拌機中混合均勻。再準備液體原料，按照固液比、氫氧化鈉溶液濃度、硅酸鈉占液相比等3個比例配好混合溶液。將混合溶液倒入固體混料中，在攪拌機中攪拌3 min。把混合膠砂裝入鋼質試模（40 mm×40 mm×40 mm）中，振動4 min 成型，在室溫下24 h脫模，繼續室溫養護7 d，制得礦物聚合材料［9-11］。

2 實驗結果與討論

根據前期多因素逐項探索實驗結果分析，當原料中加入水泥時聚合材料的強度提高明顯，而不加水泥時材料的強度很小。此次實驗為了考察水泥和粉煤灰與其他因素作用程度的關系，參照前期單因素實驗結果，按照實驗流程設計了A～F 6個因素及3水平，見表2。其中摻比指某原料占整個固體混料的質量比，而偏高嶺土用量由固體混料總質量減去水泥、粉煤灰和砂子的質量。對這6因素3水平的實驗進行正交設計，并且考慮A×B、B×C、B×E的交互作用，根據正交實驗設計原則選擇L27（313）表。6個因素及3個交互作用安排見表3，其中第6列為空白列，故沒有顯示［12-13］。

表2 正交實驗因素及水平

根據表3的極差結果得出，較優方案可能為A3B3C2D1E2F1，因素影響順序為 A＞F＞（B×C）2＞（B×C）1＞（B×E）2＞（A×B）2＞B＞（B×E）1＞（A×B）1＞D＞C＞E。因為交互作用比較多，所以還需要通過方差分析來全面分析實驗結果，見表4。從表4看出，因素A、F對實驗結果的影響是高度顯著的，因素B和交互作用A×B、B×C、B×E的影響是顯著的，而因素D有一定的影響作用。但是，由于每個交互作用各占兩列，因此需要單獨分析各個組合，見表5。從表5看出，A×B作用表，當A取第3水平、B取第1水平時，實驗結果為組合中的最大值32.18，因此可取A3B1，而表3中單獨分析因素B時得到的較優水平是B3。B×C作用表，當B取第3水平、C取第1水平時，實驗結果為組合中的最大值36.59，因此可取B3C1，而表3中單獨分析因素C時得到的較優水平是C2。由于因素C對實驗的影響很小，所以也是可能的。B×E作用表，當B取第3水平、E取第3水平時，實驗結果為組合中的最大值32.06，因此可取B3E3，而表3中單獨分析因素E時得到的較優水平是E2。由于因素E對實驗的影響也很小，所以這也正常。根據表5得到的較優組合為 A3B1、B3C1、B3E3， 其中 B3C1的實驗結果值最大，再加上表3中單獨分析因素B時得到的較優水平是B3，所以確定因素B的較優水平為B3。

綜上分析，實驗較優的組合可能為兩個：A3B3C2D1E2F1、A3B3C1D1E3F1。但是，這兩組均沒有在表3的27次實驗中出現過。因此還要根據兩個較優組合再進行實驗，最后測得兩組結果抗壓強度分別為17.84、18.29 MPa， 抗拉強度分別為 1.29、1.33 MPa。根據《混凝土結構設計規范》，可知這兩組均達到了混凝土C15級別。

表3 正交實驗方案及結果

表4 方差分析結果

表 5 A×B、B×C、B×E 作用表

3 結語

1）粉煤灰制備礦物聚合材料是其資源化利用的方向之一，針對六盤水地區豐富的粉煤灰資源，實驗研究了以粉煤灰、水泥、偏高嶺土和砂子為原料，在堿激發劑作用下生產聚合材料的可行性，證明了這種膠凝材料具有一定的強度，達到了混凝土C15級別，可應用于建材等方面。2）采用正交實驗，根據需要考察的因素、水平及交互作用，設計了L27（313）正交表，初步達到了預期的實驗結果，即在最優組合A3B3C1D1E3F1條件下，礦物聚合材料的抗壓強度達到 18.29 MPa、抗拉強度達到 1.33 MPa。3）本次實驗設計顯示了正交實驗在多因素多水平實驗中的優越性，不僅考察了主要因素對實驗結果的影響程度，如得出水泥和硅酸鈉用量對實驗結果的影響是高度顯著的，還考察了粉煤灰與水泥、砂子、氫氧化鈉的交互作用，得出這3個交互作用對實驗的影響都是顯著的。但是，依然還有很多交互作用沒有考察到，下一步需要根據分析，繼續用正交實驗來驗證。