恰当的 聚合物技术的进步 1098 - 2329 0730 - 6679 Hindawi 10.1155 / 2019/1098027 1098027 研究文章 粉煤灰粒径影响粉煤灰泡沫地质聚合物的孔隙结构和力量 熊 Luchang 1 2 https://orcid.org/0000 - 0003 - 2095 - 6336 王ydF4y2Ba 新 1 2 https://orcid.org/0000 - 0003 - 2347 - 1510 张 元 1 2 王 Fangtian 1 2 王 Junhui 1 2 康 Yanlei 3 蔡 表示 1 深部煤炭资源开采的重点实验室(CUMT) 中国的教育部 徐州221116 中国 moe.edu.cn 2 矿业学院 中国矿业大学&技术 徐州221116 中国 cumt.edu.cn 3 中文能源投资集团有限公司 Dananhu 1号煤矿 哈密839000 中国 2019年 29日 12 2019年 2019年 20. 08年 2019年 16 09年 2019年 29日 12 2019年 2019年 版权©2019 Luchang熊等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

本文的目的是研究粉煤灰的粒度效应(佛罗里达州)孔隙结构和强度的粉煤灰泡沫地质聚合物(FAFG)。信息macro-pores macro-pore大小和分布等FAFG捕获通过二值化处理。孔隙度和抗压强度FAFG分别由阿基米德密度测试方法进行测试和单轴抗压强度的测试方法。可以得出的结论是,佛罗里达州粒径会影响FAFG的孔隙结构和力量。更具体地说,佛罗里达州粒度的影响表现在宏观上中间的数量和大型macro-pores macro-pores分布的均匀性,和显微镜下的小孔数量和裂缝和硅酸钙(C-S-H)数量的早期阶段FAFG混合物。的所有属性FAFG遵循某种变化规律时除了在转折点佛罗里达州0.125 ~ 0.25毫米大小的粒子。解释清楚FAFG佛罗里达州粒度影响的根源,SEM, XRD用来探索佛罗里达州FAFG的微观结构和组成部分。原来是SiO无定形的阶段2内容在佛罗里达州的不同粒径可以确定FAFG混合物的反应程度。

 中国国家自然科学基金 51674242 51974297 1。介绍

燃烧煤或生物质和煤共燃的遇到某些操作问题,如火山灰沉积、结渣、污染和腐蚀,降低锅炉的热效率( 1, 2),导致固体废物处置中存在的问题,这是一个长期的研究热点。作为最大的数量的快速氧化产生的固体废物煤粉在热力发电( 3),粉煤灰(佛罗里达州)污染当地环境,增加治疗煤矿的成本。另一方面,因为它的优点像保温好,重量轻,成本低 4, 5佛罗里达州)已广泛应用于非承重墙等建筑领域建设,浴室回填和保温材料等功能材料,隔音材料,等等 6, 7]。除了用于传统的建筑领域,佛罗里达州已经应用于不同领域的良好原料制备地质聚合物( 8- - - - - - 12]。例如,证明现场资源利用率的佛罗里达州的可能性,有许多学者在这方面做了大量的基础研究( 13- - - - - - 15),其中有一个提议,粉煤灰泡沫地质聚合物(FAFG)作为回填材料可以是一个很好的结合粉煤灰消费和煤矿防火( 16, 17]。复杂的地下环境要求高一些FAFG的特定属性,主要关注其孔隙结构和力量。

至于FAFG的准备,最重要的一点是稳定合适的孔隙结构和生成适当的力量,它受到不同因素的影响,如温度、组件、活性材料,等等 18- - - - - - 21]。然而,很少有研究在佛罗里达州粒子尺寸效应FAFG的性质和根本原因尚未明确。但是许多FAFG制备实验明显,佛罗里达州的不同粒径对FAFG的性质有影响。本研究的主要目的是观察佛罗里达州FAFG的性质和粒径影响调查效果的根本原因。

泡沫的生成,FAFG可分为两类:机械foamed-FAFG [ 22, 23)和化学foamed-FAFG ( 24, 25),分别由特殊与发泡剂的发泡机和精细划分铝或过氧化氢( 26, 27]。在这个研究中,FAFG了不同粒径的佛罗里达州和其他原材料的化学发泡和过氧化氢。单反相机的高质量照片,macro-pore结构特征测量经过二值化处理分析。XRD和SEM是用来确定佛罗里达州的组件,分别观察FAFG的显微孔结构。单轴抗压强度是由万能试验机测试。我的研究首先在于调查的新奇的佛罗里达州粒子尺寸效应FAFG的性质,其次发现的根这种效果。佛罗里达州的组件与颗粒大小变化,导致不同性能和不同程度的宏观和微观的力量——规模相应的孔隙结构。原来水晶/非晶比率可能效果的根本原因。

 2。材料和方法 2.1。材料

如表所示 1,粉煤灰的六个尺寸范围是通过使用振动筛,他们分别−0.045毫米,0.045 ~ 0.075毫米,0.075 ~ 0.125毫米,0.125 ~ 0.25毫米,0.25 ~ 0.5毫米,+ 0.5毫米。粉煤灰的照片通过粒度分类Dananhu煤矿。1所示图 1。除了最大值大小(+ 0.5毫米)和最小值的大小(−0.045毫米),采用粉煤灰按大小分级作为FAFG原料。详细信息在表列出其他原材料和添加剂 2。

粉煤灰粒径分类从Dananhu没有。1煤矿。

尺寸/(毫米) 质量分数/ (%) 增加/ (%)
−0.045 47.03 47.03
0.045 - -0.075 10.60 57.63
0.075 - -0.125 20.02 77.65
0.125 - -0.25 15.00 92.65
0.25 - -0.5 6.60 99.25
+ 0.5 0.75 One hundred.

粉煤灰的照片通过粒度分类Dananhu煤矿。1。

FAFG原材料。

材料 化学公式 函数 纯度 起源
佛罗里达州 - - - - - - 胶结材料 - - - - - - Dananhu没有。1Coal Mine, Hami, Xinjiang, China
CC - - - - - - 胶结材料 - - - - - - Yanhang矿产贸易有限公司有限公司石家庄,河北省,中国
上海 氢氧化钠 碱催化剂 > 96% 分析精细化工有限公司,上海,中国
党卫军 Na2所以4 硫酸催化剂 > 96% 化学试剂国药控股有限公司,上海,中国
有限公司 曹 补强剂 > 98% 化学试剂国药控股有限公司,上海,中国
CS C36H70年曹4 泡沫稳定剂 98% 化学科技有限公司,有限公司,上海,中国
惠普 H2O2 发泡剂 质量分数= 30% 这次精细化工有限公司,上海,中国

佛罗里达州-粉煤灰;CC -水泥熟料;SH -氢氧化钠;有限公司-氧化钙;SS -硫酸钠;CS -硬脂酸钙;惠普-过氧化氢;W——水。

 2.2。实验的程序

基于经验的试验和错误的方法在早期阶段,获得FAFG的混合比例,如表所示 3。所有FAFG混合物准备根据统一的比率,唯一的区别是评分粉煤灰的大小。获得初始样品,混合物在钢立方模具(100毫米),发泡自然因为在过氧化氢的反应。泡沫时期持续了大约一刻钟,然后样品在100℃恒温加热2小时;完成了整合在一个房间里的温度22 - 24℃,直到一天测试。中央块(70.7毫米)雕刻的未经处理的样品(100毫米)的准备的微观结构观察,测量孔隙度和强度测试。中央数据集切割图所示 2。

混合比例的原材料FAFG(公斤/批)。

样品 佛罗里达州 CC 上海 有限公司 党卫军 CS 足总 W 佛罗里达州的颗粒大小(毫米)
FAFGs1 1 1 0.04 0.04 0.02 0.02 0.14 0.72 0.045 ~ 0.075
FAFGs2 1 1 0.04 0.04 0.02 0.02 0.14 0.72 0.075 ~ 0.125
FAFGs3 1 1 0.04 0.04 0.02 0.02 0.14 0.72 0.125 ~ 0.25
FAFGs4 1 1 0.04 0.04 0.02 0.02 0.14 0.72 0.25 ~ 0.5

有锯齿状边缘的中央FAFG立方体。

 2.3。测试方法

x射线衍射的衍射仪(XRD力量D8推进)是用来确定佛罗里达州的结晶相。孔隙形态的照片FAFG样本通过数字单镜头反射(尼康D5500)。开源软件的帮助下(Image-Pro +), FAFG样品的孔隙大小分布分析了通过采用图像二值化处理的孔隙形态的照片。FAFG强度测试的样品进行了使用万能试验机(wdw - 300)。FAFG样品的微观结构观察通过扫描电子显微镜(SEM,蔡司σ- 300)。FAFG样品的体积密度是衡量使用标准的阿基米德用本水方法。总孔隙度计算根据以下方程( 1): (1) P = ρ 0 − ρ ρ 0 ∗ One hundred. % ,

在哪里 ρ 和 ρ 0 分别代表了容重和粉末密度。

 3所示。结果和讨论 <斜体> 3.1。< /斜体> <斜体> < /斜体>孔隙结构分析

在某种程度上,雕刻的截面中心方块可以反映FAFG真正的内部孔隙结构,因此,尼康D5500被用来获得高分辨率图像立方体的边。分析了孔隙结构数据二值化处理后( 28使用开源软件”形象专业+”。原始图像和图像二值化处理后分别如图 3在孔隙结构及其分布清晰可见。

截面图(a)和(b)后二值化处理。

直径是孔隙结构的主要特征参数之一,但很少有完全合适的分类标准等多孔材料充气或泡沫地质聚合物(混凝土)的大规模的( μm ~毫米)。大部分的现有分类标准或方法( 29日)是基于标准的IUPAC只有分类的纳米孔,但没有更大规模的分类的(> 50 nm)。Zdravkov et al ( 30.)广义最常用的孔隙大小分类见表 4的分类前,et al。 31日毛孔更适合大规模的分类。根据前的分类标准,所有的毛孔中观察到FAFG在这项研究中,应归于macro-pores,毛孔( d > 10 6 海里)被排除在外。在这项研究中,macro-pore直径分为5年级四个区间,每个区间的长度是0.5毫米;然而,它不能反映孔隙大小视觉上的差异。因此,macro-pores I和II级可以定义为小的(0毫米 ≤ d < 1 毫米),macro-pores III和IV级的中间(1毫米 ≤ d < 2 毫米),macro-pores V级大的( d ≥ 2 毫米)。图 4显示FAFG的孔隙大小分布。很明显从图 4,几乎所有的孔隙大小分布集中在小孔隙,但仍有零星的孔隙大小在中等和大孔隙。与佛罗里达州的粒径增大,中间和大孔隙数量FAFGs1, FAFGs2, FAFGs3增加,但没有更多的增长,但减少FAFGs4时。同时,跟踪大孔隙很难发现前三种FAFG出现在FAFGs4截然不同。

最常用的孔隙大小分类的总结( 30.]。

分类 指定类型的毛孔, d (纳米)
宏观 中间 微 超微型计算机, 超微- 半微-
IUPAC > 50 2÷50 < 2 0.7÷2 < 0.7 < 0.4
杜比宁 > 200÷400 200÷400 > d > 3÷3.2 1.4 < 1.2÷ 3÷3.2 > d > 1.2÷1.4 - - - - - - - - - - - -
Cheremskoj > 2000 - - - - - - 2000年> d > 200 - - - - - - < 2÷4 < 200
前, 104÷106 - - - - - - 103÷3×104 25÷103 < 3÷4 - - - - - -

FAFG孔隙大小分布。

 <斜体> 3.2。< /斜体> <斜体> < /斜体>力量发展

图 5显示了抗压强度测试的结果和FAFG孔隙度测定。早期强度范围从0.097 MPa到0.3241 MPa(差异百分比:70%),这意味着力量佛罗里达州FAFG不同颗粒大小的差异很大。孔隙度范围从66.37%到73.15%,导致FAFG密度范围从300到500公斤/米3。我们可以看到在图 5,佛罗里达州的粒径增大,抗压强度(7 d)增加,孔隙度减少。FAFGs3仍然是一个转折点,抗压强度到达底部和孔隙度达到峰值,而孔隙度停止增长并开始降低,而抗压强度显示了相反的变化。有许多研究孔隙度和强度之间的关系,和几乎所有的他们的结论指出,大孔隙度意味着坏强度性能( 21, 32]。两个主要因素可以用来解释之间的连接强度和孔结构;一个是毛孔的自由体积(孔隙度),另一个是单一孔隙大小(不均匀分布的大毛孔)。他们都是佛罗里达州的粒径有关。与佛罗里达州的粒径增大,不均匀分布的数量大macro-pores和FAFG孔隙度的增加,然后下降,可以分别在数字 2和 5。因为这两个因素的负面影响FAFG强度,抗压强度FAFG显示变化趋势相反的两个因素。

孔隙度曲线和抗压强度大小分级。

 <斜体> 3.3。< /斜体> <斜体> < /斜体> XRD分析

“粉煤灰效应”指的是一系列的影响包括形态效应、、影响和积极作用。与佛罗里达州的粒径增大,形态效应和、效应削弱明显,这可能会导致一些不好的影响等FAFG更多相孔隙分布,较大的孔隙度和强度性能差。FAFGs1、FAFGs2 FAFGs3协议按预期这一变化规律,然而FAFGs4并不遵循这一变化规律。

找出为什么在FAFGs3总是导致一个转折点的出现这些奇怪的现象。进行了XRD分析不同粒径飞灰。图 6显示了XRD分析结果。图中可以看出 6、石英、莫来石的主要成分是佛罗里达州。一个大的“馒头峰”出现在20 ~ 30°的程度;同时,佛罗里达州的粒径增大,“面包与峰”成为大首先和小。“馒头峰”的大小反映了非晶相矿物的内容。更大的“馒头峰”的大小,越SiO无定形的阶段2有;泰勒和Matulis指出,峰值高度可以按比例特征峰地区时分明没有明显的峰宽( 33]。刘将铝硅酸盐的硅含量与不同来源通过比较峰值强度( 34]。衍射强度可以反映了矿物晶体阶段内容,因此,衍射峰强度SiO2有利于收购水晶阶段SiO吗2内容。我们可以看到在桌子上 5SiO的衍射峰强度2佛罗里达州的增大先增加然后减少粒子的大小。

XRD的模式与不同粒径飞灰。

SiO2峰值强度与不同粒径飞灰。

粒子大小/(毫米) 0.045 ~ 0.075 0.075 ~ 0.125 0.125 ~ 0.25 0.25 ~ 0.5
峰值强度 1269年 1373年 1887年 1758年

图 7代表了分子结构的平面模型SiO水晶阶段2和非晶阶段SiO2。在图中,可以看出SiO晶体的分子结构阶段2是更加紧凑有序的非晶相SiO吗2,这意味着Si-O债券前更坚定的结构比后者,后者是容易打破FAFG碱性催化剂的混合物。SiO Tennakoon推断无定形的阶段2是生产的关键活性SiO吗2在地质聚合物的形成 35]。因为水晶SiO阶段2惰性成分FAFG的水化反应,有一个负面影响孔隙的形成和分布。SiO分子结构的无定形的阶段2可以很容易在碱性环境中,以便激活SiO吗2可以重组和其他材料在FAFG混合物;例如,它可以与氢氧化钙反应氧化钙水化反应产生的。这有助于均匀空间和孔隙大小分布。

分子结构的SiO平面模型2。

 3.4。扫描电镜分析

图 8显示了SEM(测试条件:乙= 5 kV,预示着= SE2杂志= 5.00 KX) FAFG图。原始的原始外观粉煤灰是一个光滑的球体,但许多絮体出现在其表面在FAFG原料粉煤灰反应后混合物。由碱性激活,激活后SiO无定形的阶段2与Ca反应2 +CC和公司提供的,导致大量的形成C-S-H佛罗里达州(硅酸钙水合物)表面的粒子。通常会有相当数量的Cubilose-shaped或vermicular-shaped C-S-H飞ash-lime-water存在的硬体。从图 8,它可以清楚地看到,絮体先增加然后减少的数量与佛罗里达州的粒径增大,仍FAFGs3的转折点。C-S-H FAFG的主要产品,C-S-H的数量可以代表反应的程度。因此,FAFG混合物变化的反应程度与佛罗里达州粒径的增大。SiO非晶态的转变阶段2佛罗里达州的粒子大小的根源反应程度的变化,和力量的FAFG变得更强,由于C-S-H在早期阶段的形成。

SEM结果FAFG的反应程度。

微尺度裂缝和孔洞可以借助扫描电镜观察到。图 9显示扫描电镜(测试条件:乙= 5 kV,预示着= InLens杂志= 5.00 KX) FAFG图。在图中,我们可以看到有大量的微裂纹和FAFG小孔。很明显,裂纹和孔的数量先增加然后减少佛罗里达州粒径增大。在反应过程中,中共SiO2很容易与钙反应吗2 +并形成硬体早期的微小泡沫不能合并成大的。同时合并的微小泡沫可以增加的内部空气preasure泡沫,导致微裂纹的出现。可以得出的结论是,佛罗里达州的粒径有间接影响微观裂纹和微孔的形成FAFG由于无定形SiO阶段的内容2。存在的微裂缝和小孔FAFG对FAFG的强度可能有负面影响,因为他们可能会削弱硬化体结构。佛罗里达州SiO更多的无定形的阶段2可能导致更均匀分布的孔隙的形成和FAFG更好的强度性能。

SEM结果FAFG的微裂缝和小孔。

 4所示。结论

一般来说,与佛罗里达州的粒径增大,FAFGs UCS的降低,然后增加,孔隙度和中间的数量和大型macro-pores增加,然后降低。此外,0.125 ~ 0.25毫米是他们两人的转折点。孔隙分布均匀性恶化为佛罗里达州的粒径增大,但事实上更好的在0.25 ~ 0.5毫米。根据微观分析,佛罗里达州的粒径增大,C-S-H的内容(FAFG混合物的反应产物)先降低,然后增加,和微孔隙和裂缝的数量增加,然后降低和他们的转折点也0.125 ~ 0.25毫米。

在这个研究结果显示,佛罗里达州粒径会影响FAFG的孔隙结构和强度,效果的根本原因是内容不同的活性物质(SiO无定形的阶段2),不同的是由粒度筛分后的变化。XRD结果表明,SiO无定形的阶段2佛罗里达州的含量降低,然后增加与佛罗里达州粒径增大一个转折点为0.125 ~ 0.25毫米,这意味着佛罗里达州的粒径0.125 ~ 0.25毫米的活性物质的含量最少。活性物质的含量可以确定FAFG混合物的反应程度。简而言之,更全面的反应混合物将会产生更多的C-S-H和更少的小孔和缝隙,带来更好的强度性能和更均匀的FAFG毛孔。

 数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作是支持的中国国家自然科学基金重大项目(51674242,51674242)。

 补充材料

的图形抽象介绍制备过程(飞已经有泡沫地质聚合物)FAFG FAFG和一些皮料的测试。整个制备过程包括原料混合、干燥alkali-activator添加、发泡和养护。然后FAFG样本将被切割成方块(70.7毫米)。最后FAFG将测试相关仪器的特点和方法。

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