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粉煤灰陶粒制备试验研究

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/15     浏览次数:    

  李亮(攀枝花学院材料工程学院,攀枝花617000)


  摘要:粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物,粉煤灰主要用于混凝土添加剂,附加值较低。为了提高粉煤灰的利用价值,本研究利用粉煤灰制备轻质高强陶粒。在1100℃煅烧时,粉煤灰陶粒烧结出现新物相钙长石,在1200℃煅烧时,石英相溶解到烧结物相中,粉煤灰陶粒烧结出现新物相普通辉石,煅烧温度控制在1100~1200℃范围较适宜。煅烧温度增加到1200℃时,筒压强度达到6.3MPa左右,体积密度达到1.6g/cm3左右。当P值较低时,粉煤灰陶粒的烧成温度降低,陶粒容易烧胀,当P值超过10时,粉煤灰陶粒的烧成温度过高,粉煤灰陶粒不易发生膨胀。


  关键词:粉煤灰;烧成;陶粒中


  图分类号:X757文献标识码:A文章编号:1001-1625(2017)05-1577-051


1.引言

  粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰,是燃煤电厂排出的主要固体废物。随着电力工业的发展,燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理,就会产生扬尘,污染大气。若排入水系会造成河流淤塞,其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。粉煤灰的主要氧化物组成为:SiO2、Al2O3及少量的FeO、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2等,SiO2和Al2O3含量可占总含量的60%以上。目前,粉煤灰的利用方式主要作为混凝土的掺合料,利用附加值较低,利用量有限,急需开发利用附加值较高,应用范围广的产品[1]。本研究根据粉煤灰的化学成份特点,主要成分为SiO2和Al2O3,在烧结过程中可以形成莫来石相,具有烧结成瓷的特点,FeO、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2可以作为烧结过程中的助熔剂,降低粉煤灰的烧结温度。利用粉煤灰的以上化学成份特点,本研究利用粉煤灰开发陶粒产品,开发产品具有轻质、强度高、隔热保温、抗冻耐腐蚀等特点,可以用于配制高层建筑结构砼、屋面找坡、保温隔热、污水处理、园林绿化、无土栽培等领域。先将粉煤灰与结合剂、造孔剂等混合磨制到一定的细度并混合均匀,利用圆盘成球机滚动成球,边滚动边喷水,通过控制转速、成球时间可以得到粉煤灰陶粒半成品,粉煤灰陶粒半成品经过烧制可以得到粉煤灰陶粒成品。


2.实验
  2.1原料本实验主要采用的主要原料为粉煤灰、石灰石、粘土[2],石灰石起到助熔和发泡的作用,粘土起到结合剂作用,提高成球的初始强度,增加滚动成球的成品率和烧后强度。原料化学成分见表1。主原原料XRD分析见图1、图2。
  从表1可以看出,粉煤灰陶粒主要含有SiO2和Al2O3,石灰石主要含有CaO,粘土主要成为SiO2。从图1可以看出,粉煤灰主要矿物组成为石英、钡镁钙云母、石灰、硬石膏,其中石英峰值最为明显,含量最多。从图2可以看出,粘土主要矿物组成为石英、高岭土、蒙脱石。
  2.2方案制定粉煤灰陶粒实验流程见图3先将原料进行烘干处理,按配比称量粉煤灰、石灰石和黏土,用球磨机混合磨细,磨制细度控制在大于200目≥90%。采用圆盘成球机进行造球,圆盘转速保持在60r/min,边转动边喷水,原料在圆盘造球机中成球后,将粉煤灰生料小球放入干燥箱干燥,干燥的温度控制为100℃左右,干燥的时间控制在60~90min。

  将烘干后的生料小球装入高温电炉中烧成,升温速度控制为10℃/min,升温至烧成温度保温一定时间,停止供电,待陶粒冷却至室温后取出检测陶粒的性能。


3.结果与讨论
  3.1粘土配入量粉煤灰陶粒筒压强度的影响从表1可以看出,粉煤灰的化学成分有SiO2,Al2O3,CaO,Fe2O3与MgO。其中SiO2与Al2O3在烧成过程中可以形成莫来石相,促进成瓷。CaO,Fe2O3与MgO为杂质相,影响到粉煤灰的烧结。单独采用粉煤灰成球制备粉煤灰陶粒,会影响到粉煤灰陶粒的烧结强度。为了提高粉煤灰陶粒的烧结强度,添加粘土增加粉煤灰陶粒的烧结强度,在1100℃烧成,实验结果见图4。
  从图4可以看出,随着粘土添加量的增加,粉煤灰陶粒的筒压强度增加,当粘土的添加量达到10%时,粉煤灰陶粒的筒压强度增加不明显,从经济成本考虑,在本次试验条件下,粘土的配入量选择10%左右较适宜。
  3.2石灰石配入量粉煤灰陶粒筒压强度的影响为了制备轻质高强的粉煤灰陶粒,在设计粉煤灰陶粒的配方时,应该添加能在烧结过程中可以让粉煤灰陶粒膨胀的物料。从经济性上考虑,本次试验选石灰石作为膨胀剂,石灰石的分解温度与粉煤灰陶粒的烧结温度接近。石灰石在800~1100℃时,可以发生分解反应放出CO2气体,放出的CO2气体在粉煤灰陶粒烧制过程中,起到了微膨胀剂作用,分解产生的CaO可以起到助熔作用,对提高粉煤灰陶粒的强度有利。添加10%的粘土,在1100℃烧成,石灰石添加量对粉煤灰陶粒筒压强度的影响见图5。
  从图5可以看出,随着石灰石添加量的增加,粉煤灰陶粒的筒压强度增加,当石灰石的添加量达到3%时,粉煤灰陶粒过度膨胀,表面出现裂纹,粉煤灰陶粒的筒压强度降低。在本次试验条件下,石灰石的配入量选择低于3%较适宜。
  以上修改增加石灰石、粘土对粉煤灰陶粒筒压强度的影响,目的为找到适合的石灰石和粘土添加量。
  3.3不同煅烧温度粉煤灰陶粒的形貌与物相设计粉煤灰陶粒的配方:粉煤灰的配入量选择87%,粘土的配入比例选择10%,石灰石的配入比例选择3%。磨制细度控制大于200目≥90%。烧成高温点保温时间控制在1h。研究1000℃、1100℃、1200℃粉煤灰陶粒的物相与形貌[3-4],不同温度下的粉煤灰陶粒XRD检测见图6、图7、图8。在1100℃煅烧时,粉煤灰陶粒烧结出现新物相钙长石(CaAl2Si2O8),在1200℃煅烧时,石英相溶解到烧结物相中,粉煤灰陶粒烧结出现新物相普通辉石,粉煤灰陶瓷的烧结程度越来越充分。从XRD图像分析可知,粉煤灰陶粒的烧结温度控制在1000~1200℃范围较适宜。
  3.4煅烧温度对粉煤灰陶粒筒压强度的影响设计粉煤灰陶粒的配方:粉煤灰的配入量选择87%,粘土的配入比例选择10%,石灰石的配入比例选择3%。磨制细度控制大于200目≥90%。烧成高温点保温时间控制在1h。研究煅烧温度对陶粒筒压强度的影响,试验结果见图12。由图12可知,随着煅烧温度的增加,粉煤灰陶瓷粒筒压强度增加,煅烧温度增加到1200℃时,粉煤灰陶粒的筒压强度增加到6.3MPa。
  3.5煅烧温度对粉煤灰陶粒体积密度的影响设计粉煤灰陶粒的配方:粉煤灰的配入量选择87%,粘土的配入比例选择10%,石灰石的配入比例选择3%。磨制细度控制大于200目≥90%。烧成高温点保温时间控制在1h。研究煅烧温度对粉煤灰陶粒体积密度的影响,试验结果见图13。由图13可知,随着煅烧温度的增加,粉煤灰陶粒的体积密度增加,煅烧温度增加到1200℃时,粉煤灰陶粒的体积密度增加到1.6g/cm3。
  3.6助熔系数P对粉煤灰陶粒筒压强度的影响图14不同P值对粉煤灰陶粒筒压强度的影响Fig.14EffectofdifferentPvalueonthecompressivestrengthofflyashceramsite从表1可以看出,用粉煤灰、粘土和石灰作原料配制陶粒的配方,化学成分为SiO2、Al2O3、CaO、MgO和Fe2O3,SiO2和Al2O3为主要成分,CaO、MgO和Fe2O3为少量成份,少量成分起到助熔作用,可以影响到粉煤灰陶粒的烧胀效果和强度[5-7]。为了解少量成分对粉煤灰陶粒性能的影响,考察助熔系数P对粉煤灰陶粒性能的影响,P=(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO+Fe2O3)。通常P值控制在3.5~10,可以获得性能指标令人满意的粉煤灰陶粒。当P值较低时,粉煤灰陶粒的烧成温度降低,陶粒容易烧胀。当P值超过10时,粉煤灰陶粒的烧成温度过高,粉煤灰陶粒不易发生膨胀。
  最高烧成温度控制1100℃,烧成高温点保温时间控制在1h,磨制细度控制大于200目≥90%,改变助熔系数P,考察助熔系数P对粉煤灰陶粒筒压强度的影响。试验结果见图14。从图14可以看出粉煤灰陶粒筒压强度随P值的增加而增加,在P值为5时,粉煤灰陶粒的筒压强度为6MPa左右,可以达到轻质高强陶粒的性能要求。

  4结论(1)粉煤灰主要矿物组成为石英、钡镁钙云母、石灰、硬石膏,粉煤灰与粘土、石灰配合制成陶粒,在1100℃煅烧时,粉煤灰陶粒烧结出现新物相钙长石(CaAl2Si2O8),在1200℃煅烧时,石英相溶解到烧结物相中,粉煤灰陶粒烧结出现新物相普通辉石。煅烧温度控制在1100~1200℃范围较适宜;(2)随着煅烧温度的增加,粉煤灰陶瓷粒筒压强度增加,煅烧温度增加到1200℃时,粉煤灰陶粒的筒压强度增加到6.3MPa。随着煅烧温度的增加,粉煤灰陶粒的体积密度增加,煅烧温度增加到1200℃时,粉煤灰陶粒的体积密度增加到1.6g/cm3;(3)粉煤灰陶粒筒压强度随P值的增加而增加,在P值为5时,粉煤灰陶粒的筒压强度为6MPa左右。


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本文由武汉陶粒厂家编辑整理。

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