堿激發固硫灰地聚物制備透水磚的工藝研究*

趙耀芳

（山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 036800）

堿激發固硫灰地聚物制備透水磚的工藝研究*

趙耀芳

（山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 036800）

本文研究在不使用水泥情況下，利用工業廢堿液激發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。經過試驗表明：使用地聚物膠凝材料 26%～30%，天然骨料70%～74% 時，在常溫常壓下振動成型，經過5小時 100℃ 干熱養護，所制備固硫灰透水磚的抗壓強度和透水系數分別為 26.2MPa 和1.38×10-1cm/s。

路面透水磚；固硫灰；堿激發；地聚物膠凝材料

0 引言

循環流化床（CFB）燃燒技術是一項近二十年發展起來的清潔煤燃燒技術。它具有燃料適應性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內脫硫、負荷調節比大和負荷調節快等突出優點。隨著清潔能源技術的推動，循環流化床技術在電廠已日漸普及，產生了大量的固硫灰。固硫灰是煤在循環流化床鍋爐里燃燒后的副產物，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，嚴重影響城市生態環境。透水磚是一種新型的綠色環保建材，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”，有利于保持城市水平衡[5]。因此將固硫灰應用于透水磚制備，將是固硫灰利用的又一新途徑，具有很高的環保效益和生態效益。

1 試驗

1.1 原料

本試驗所用原料主要有超細固硫灰、磨細礦渣粉、玄武巖碎石、砂子、纖維素醚以及自制堿性溶液。其中，超細固硫灰來源于山西平朔煤矸石發電有限責任公司的超細固硫灰，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。超細固硫灰和磨細礦渣粉化學成分如表1 所示，玄武巖碎石與砂子的級配如表2 所示。

表1 各原料主要化學成分 %

表2 骨料篩分結果

1.2 試驗方法

本試驗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、礦粉在砂漿攪拌機中充分攪拌3分鐘，制備成地聚物膠凝材料；其次在混凝土攪拌機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，置于震動臺振動壓實，包裹了新拌膠凝材料的石子顆粒在模具中密實成型，最后放入養護室養護。試樣經養護 24h 后脫模，測定試樣的即時抗壓強度及透水率。本次試驗的流程如圖1所示。具體技術指標參考 GB/T 25993－2010《透水路面磚和透水路面板》。

試樣抗壓強度的測定參照 JC/T 945—2005《透水磚》標準要求進行，所用設備為 TYE—2000型壓力試驗機；透水系數的測試按照國標 JC/T 945—2005 標準要求進行，所用設備為透水系數測試儀，如圖2所示。

圖1 試驗流程圖

圖2 透水系數測定儀

2 試驗結果及分析

2.1 骨料粒徑對磚的強度和透水率的影響

按照骨膠比7:1、水灰比.6:1的固定比例進行骨料粒徑的影響試驗。不同骨料粒徑情況下，透水磚的即時抗壓強度和透水率測定結果如表3 所示。利用表3 中的數據繪制不同骨料粒徑對透水磚的即時抗壓強度和透水率的影響曲線，如圖3所示。

表3 骨料粒徑對磚的強度和透水率的影響

圖3 骨料粒徑對磚的強度和透水率的影響

分析結果：骨料粒徑較小，則其比表面積較高，地聚物完全包裹骨料，結構緊密，因而強度較高，孔隙率低，透水率也降低。反之，骨料粒徑較大，強度較低，孔隙率高，透水率也升高。

試驗發現采用連續級配的骨料透水好，且范圍越窄，性能越好。本試驗采用粒徑為2.5～10mm 石子作為骨料。

2.2 地聚物膠凝材料對透水磚的強度和透水率的影響

固硫灰地聚物的成分對其力學性能和膠凝能力有非常重要的影響，進而影響透水磚的即時抗壓強度和透水率。本試驗測定了不同配比制成的地聚物膠凝材料對透水磚的強度和透水率，結果如表4 所示。

從表4 不難發現，透水磚的強度隨著超細固硫灰量的增加而提高，但水量增加會影響骨料之間的粘合性，進而降低透水磚的強度。因此，綜合而言，當固硫灰:堿液:水玻璃:水=52:15:21:12時，透水磚的性能相對最優。

表4 地聚物膠凝材料對透水磚的強度和透水率的影響

2.3 地聚物膠凝材料與骨料的配比對磚的強度和透水率的影響

本試驗測定了地聚物膠凝材料與骨料不同配比的情況下，透水磚的即時抗壓強度和透水率，結果如表5 所示。利用表5 中的數據繪制不同地聚物膠凝材料與骨料的配比對透水磚即時抗壓強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度和透水率的影響

從表5 和圖4不難發現，隨著地聚物膠凝材料含量的增加，透水磚即時抗壓強度增大，但透水率降低。膠凝材料的增加會提高透水磚的強度，但是量太大會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，透水磚的性能相對最優。

圖4 地聚物膠凝材料與骨料的配比對磚的強度和透水率的影響

2.4 最佳方案結果

從以上試驗可以看出，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，可以制作出符合標準的透水磚。在本試驗條件下，通過驗證獲得的最優化條件為：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。測試結果為：即時抗壓強度為 26.2MPa，透水率1.38mm/s。

3 結論

固硫灰在國內產量較大，固硫灰的綜合利用研究具有十分重要的意義。本試驗利用堿液激發超細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，在強度和透水率上能夠達到透水磚相關標準的性能要求，使固硫灰變廢為寶、變害為利，而且還能產生較好的經濟效益。試驗中發現堿液激發固硫灰活性反應較快，因此透水磚制作過程操作需相對規范迅速，原料用量需控制精確。

[1]王福元，吳正嚴．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“高摻量高強度粉煤灰水泥的制備”（2014年度山西省煤基重點科技攻關項目）

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。

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