自燃煤矸石地质聚合物配体优化研究

自燃煤矸石地质聚合物配体优化研究

张晓帆

山东商务职业学院264670

摘要：地质聚合物作为一种新型绿色胶凝材料，由于其具有强度高、硬化快、耐酸碱腐蚀、耐高温等诸多特性，且多种富含活性硅铝成分的固体废弃物，如矿渣、粉煤灰和煤矸石等均可作为地质聚合物的主要原料，实现“灰色”水泥向“绿色”的转变，因此备受关注，已经成为研究热点。

本文以大宗固体废弃物煤矸石、矿渣和粉煤灰为主要原材料，采用碱激活的方式制备地质聚合物，重点研究碱激活配体的优化。首先进行激发剂品种、激发剂掺量和水玻璃模数三因素、四水平的正交试验，研究三因素对自燃煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物胶砂强度的影响及规律，以此确定激发剂品种、水玻璃模数以及较优的配体参数取值范围。试验结果表明：自燃煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物最优的配合比为水玻璃模数为1.0，配体掺量20%。激发剂品种对自燃煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物胶砂强度影响最大，水玻璃模数和配体掺量对胶砂强度的影响也比较显著。配体掺量对地质聚合物的工作性影响最大。

关键词：自燃煤矸石；地质聚合物；正交设计

一、试验方案

本试验采用机械和化学的激活方式对自燃煤矸石进行复合激活。选择正交试验设计，根据前期的试配结果最终选取三个影响因素，分别为水玻璃模数、激发剂掺量和激发剂种类。每个因素分别选取了四个水平，水玻璃模数分别为1.0、1.5、2.0和2.2；激发剂掺量分别选取10%、15%、20%和25%，其中激发剂掺量为占胶凝材料的百分比；激发剂种类选取水玻璃、水玻璃和氢氧化钾、水玻璃和碳酸钠、水玻璃和硫酸钠；因素水平表见表1。根据试验因素选用L16（45）正交表。

试验选取自燃煤矸石、矿渣、粉煤灰为主体材料，自燃煤矸石：矿渣：粉煤灰=50：30：20，灰质量为450g，试验灰砂比为1：3，液固比为0.5，标准砂质量为1350，液体为225g。试件尺寸为40mm×40mm×160mm。将制备的试块养护至龄期，分别测出16组水泥胶砂试块3d、28d的抗折和抗压强度，对所得数据进行极差、方差，判断出每个因素对强度的影响规律和显著性，选出最优范围。

二、试验结果

对正交试验中16组试件分别进行3d、28d两个龄期的抗折、抗压强度检测，试验中这些组试件出现了表面结晶、材料粘稠、成型困难、试件破碎等问题，试件基本无强度，经分析其原因可知：这些组试件中激发剂掺量较大导致水掺量少，材料粘稠成型困难，孔隙较多。其次激发剂为Na2CO3、Na2SO4的试件表现出的活性较低，并且表面晶体析出较多，说明这两种激发剂对于自燃煤矸石的激发效果非常差，致使自燃煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物活性较低，试件强度较低。水玻璃模数对于地质聚合物活性影响也较明显，具体体现为模数较大，活性较低。

三、正交试验的结果分析

1极差分析

对正交试验结果进行了极差分析，从极差分析中可知：

（1）3d抗折强度中影响最显著地因素为激发剂品种，其次是水玻璃模数，最后是激发剂掺量。激发剂品种中最优条件为水玻璃和氢氧化钾；水玻璃模数中最优条件为1.5；激发剂掺量中最优条件为25%（占胶凝材料）。

（2）3d抗压强度中影响最显著的因素为激发剂品种，其次是水玻璃模数，最后是激发剂掺量。激发剂品种中最优条件为水玻璃和氢氧化钾；水玻璃模数中最优条件为1.5；激发剂掺量中最优条件为10%（占胶凝材料）。

（3）28d抗折强度中三个影响因素中影响最显著的因素为激发剂品种，其次是水玻璃模数，最后是激发剂掺量。激发剂品种中最优条件为水玻璃和氢氧化钾；水玻璃模数中最优条件为1.5；激发剂掺量中最优条件为20%（占胶凝材料）。

（4）28d抗压强度中对强度影响最显著的是激发剂种类，其次是水玻璃模数，最后是激发剂掺量。其中激发剂种类中最优条件为水玻璃和氢氧化钾；水玻璃模数中最优条件为1.5；激发剂掺量中最优条件为20%（占胶凝材料）。

综上所知，各因素对胶砂强度影响程度大小顺序为激发剂品种>水玻璃模数>激发剂掺量。胶砂强度最大的最优配合比是C2A2B3，即激发剂品种选择为水玻璃和氢氧化钾复掺，水玻璃模数选择为1.5，激发剂掺量20%（占胶凝材料）。

2方差分析

对试验结果进行了方差分析，从方差分析中可知：水玻璃模数只有在3d抗压和28d抗压中表现较为显著，对于抗折强度中表现不显著；激发剂掺量同水玻璃模数一样只有在3d抗压强度和28d抗压强度中表现较为显著，对于抗折强度表现不显著。激发剂品种在不同龄期的抗折强度和抗压强度中表现的都较为显著，并且对3d抗折抗压强度、28d抗压强度表现的特别显著。

四.影响因素分析

1水玻璃模数对胶砂强度的影响

自燃煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物胶砂强度随着水玻璃模数变化而变化的趋势：不同龄期的抗折强度抗压强度都表现为随着水玻璃模数的增长而降低，抗压强度的降低趋势要明显于抗折强度，从方差分析中已知模数对抗压强度的影响要显著于抗折强度。

2激发剂掺量对胶砂强度的影响

胶砂强度随着激发剂掺量的增加呈现出递增的趋势，这是因为随着激发剂掺量的增加对煤矸石、矿渣、粉煤灰的激发能力增强，所以材料力学性能增强。但是在掺量超过20%的时候趋势明显减弱，3d与28d的抗折强度甚至出现细微降低。在试件成型的过程中发现，当激发剂掺量超过20%的时候，拌合物比较粘稠，成型困难，很难达到工作性对胶凝材料的要求。

3激发剂种类对胶砂强度的影响

从极差分析与方差分析中可知，激发剂种类对材料的性能影响最显著，不同的种类之间对材料强度影响效果相差很大，甚至出现无强度的情况。用硅酸钠钾（Na/K）溶液作为激发剂制备出的试件强度要明显高于硅酸钠溶液作为激发剂所制备出的试件，这说明了K+和Na+复合作用比Na+单独作用效果好，原因是与Na+相比，K+具有更强的进入基体相平衡电荷环境的倾向，且使溶液的聚合物硅酸盐具有更高的离子化速率和溶解速率，因而以K+为平衡电荷的离子时，材料的强度显著增高。K+能直接影响凝胶相的成分，从而影响制品的最终强度。

五、小结

（1）自燃煤矸石在激发剂的作用下具有一定的活性，将自燃煤矸石、矿渣、粉煤灰作为主体材料在碱金属硅酸盐的作用下可以制备出地质聚合物。

（2）激发剂是煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物制备过程中影响非常显著地因素之一，其中激发剂的种类对于试件强度的影响最为显著，其次为激发剂掺量和水玻璃模数。

（3）煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物材料强度随着水玻璃模数的升高而降低，当水玻璃模数低于1.0时，水玻璃溶液会非常不稳定，溶液中出现絮状物而影响试验的使用，故而水玻璃模数应该控制1.0以上。

（4）煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物材料强度随着激发剂掺量的增大而增大，但当激发剂掺量超过胶凝材料20%的时候，材料强度提高并不明显，并且材料的工作性出现显著降低，综合考虑材料强度、工作性与成本，将激发剂掺量选为胶凝材料的20%以下。

（5）激发剂品种是影响煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物材料强度的显著因素之一，激发剂品种中水玻璃与氢氧化钾共同作用效果明显好于水玻璃单独作用和水玻璃与其他盐类组合。这是由于K+具有更强的进入基体相平衡电荷环境的倾向，且使溶液的聚合物硅酸盐具有更高的离子化速率和溶解速率，因而以K+为平衡电荷的离子时，材料的强度显著增高。