胶结喷雾干燥器Ash-Tire纤维材料最大化废物转移

文摘

喷雾干燥器吸收器(SDA)材料,也被称为喷雾干燥器灰,是煤炭燃烧和烟气洗涤过程的副产品,self-cementing属性类似于C类粉煤灰。SDA材料通常不会满足现有标准使用的火山灰硅酸盐水泥混凝土由于其典型含硫量高,因此与粉煤灰不同,它很少是有益的使用。本文研究结果的客观发展有益的用途SDA纤维增强材料在建筑材料结合轮胎来自一个循环的过程。具体来说,喷雾干燥器灰是追究使用作为主要甚至唯一绑定组件在砂浆或混凝土。本研究与以往研究的不同之处在于,它聚焦于高内容的喷雾干燥器灰(80 - 100%)在一个硬的产品。通常的总体目标是将产品发送到垃圾填埋场,并提供有利于社会有益的应用程序。

1。介绍

波特兰水泥混凝土和迫击炮是广泛用于建造建筑,桥梁,和其他基础设施从低威力人行道到高性能的机场跑道。尽管最近生产的进步,波特兰水泥仍然是一个能源密集型产品,需要挖掘的原材料以及重大能源输入和处理。掺入粉煤灰的混凝土混合物是现在被广泛接受的考虑到生产能力同等甚至改善硬化混凝土产品以更少的硅酸盐水泥,因此,减少原材料开采和碳排放1]。然而,很大一部分闲置,每年产生的飞灰和灰的很大一部分材料被认为是无用的,因为它是参与喷雾干燥器内的烟气脱硫过程吸收利用在很多美国的煤炭发电厂(2]。它是植物的材料从这个子集,或者叫做喷雾干燥器吸收材料,SDA材料,或喷雾干燥器灰,是本研究的主题。

喷雾干燥器灰比粉煤灰生产数量小得多。ACCA美国煤灰协会估计,140万吨干法烟气脱硫产品、喷雾干燥器的灰占很大一部分(3]。而近42%的粉煤灰生产在美国(每年约7200万吨3])实益,只有约25%的干燥脱硫产品使用在2008年(3]。此外,电力研究院(EPRI) (2)估计为SDA材料年生产利率远高于ACAA: 3.3至380万吨,这一数字将增长到2017年1400万吨,随着越来越多的工厂被要求减少空气中的硫磺排放。因此,需要更多的有益的应用这种材料是至关重要的。

而粉煤灰在混凝土使用和性能已经被很好地记录下来了(1),水化SDA材料的力学性能没有被充分研究,在一定程度上由于担心硫酸硫水平升高会导致攻击在硬的产品2]。最近的文献综述EPRI (2)调查了当前使用SDA和发现应用程序从农业到胶结材料墙板;然而,指出本文的大部分应用程序被发现在欧洲,SDA的构成不同于美国电力生产工厂。在欧洲的过程中,粉煤灰和喷雾干燥器产品单独收集。我们结合粉煤灰的来源和喷雾干燥器产品不仅意味着产生的材料更多的变量,而且可以利用粉煤灰的有益的属性。

这里描述的项目旨在利用这种材料的自然self-cementing创建一个与尽可能少的波特兰水泥胶结的产品。因此,这项工作的重点不是实现尽可能高的强度,但在将尽可能多的废物变成有用的产品,保持适当的属性。在目前的研究中,较低的强度需求的应用程序(例如,非结构化组件)与巩固了SDA目标结合在汽车轮胎回收过程中收集到的纤维加固。结果表明,良好的抗压和抗拉强度是可行的。虽然这些结果为一个特定的SDA材料来源,他们认为有用的材料可能产生这个目前充分利用工业副产品。他们还指出进一步研究SDA材料来源的价值和长期的材料性能。

2。材料和标本

两种不同的材料进行了研究。第一个是喷雾干燥器的材料由单纯灰和水,与一些标本还包括回收聚合物纤维的使用汽车轮胎(后面将更详细地描述)。第二,砂浆标本以喷雾干燥器灰、砂符合ASTM C33 [4),不同数量的硅酸盐水泥,回收聚合物纤维被认为是。

表1显示的三个样品的化学成分的细节SDA生皮发电厂产生的物质在科罗拉多州北部。表的数量1显示的变化出现在SDA材料从单一来源,因此强调需要特定场地研究确保SDA材料的质量控制作为输入。需要特别注意的是非常高的石灰含量曹(超过20%),导致的self-cementing能力的材料。所以的₃内容,限制通常是略超过5%粉煤灰用于混凝土按照ASTM C618 [5),也是值得注意的。这种过量的硫防止材料在混凝土中的应用,而是因为过度的数量仍然相当温和,个人研究材料的优点。

本研究中使用的聚合物纤维获得从一个汽车轮胎回收设备和代表聚合物常用的组合等轮胎强化尼龙、聚酯纤维、芳纶长度随机分布的约2毫米到30毫米。在场的钢丝在大多数汽车轮胎被磁回收过程的早期阶段。聚合物纤维点缀着橡胶粒子不同从粉尘较大的块不到5毫米尺寸以及原始碎纤维绳索,还扭在一起。这些回收的纤维为他们选择兼容废物转移和可持续建筑的主题,这是一个主要的动力发展胶结材料工业的副产品。由于纤维的变化大小和宪法,纤维分数都是按重量,没有密度确定体积分数是不可能的。然而,考虑到潜在的增强纤维的具体特点,体积分数几乎等于重量分率是合理的。

标本的混合比例如表所示2。混合编号1喷雾干燥器灰贴,而这些编号2是喷雾干燥器的有机迫击炮。集1通过1 d仅仅由喷雾干燥器灰和水组成,旨在研究water-to-ash比率的影响抗压强度的硬化粘贴。集1 e通过1 g包括不同回收聚合物纤维的百分比,以调查影响水化灰贴。

砂浆混合物有恒定的水/胶结材料比为0.40,但不同数量的波特兰水泥和回收聚合物纤维以提高喷雾干燥器中观察到的属性灰贴。两种类型的硅酸盐水泥。类型I / II是使用,因为它是非常常见的。类型III水泥也因为在粉煤灰的情况下使用,通常有一个减少的速度力量获得当混合物包括粉煤灰混合物用硅酸盐水泥相比,预期,用喷雾干燥器灰可能发生同样的情况。Malhotra [Bilodeau的研究和6]表示III型水泥的早期强度高特性会带来的力量和时间特征水化灰(类F粉煤灰在Bilodeau Malhotra)和接近传统的混凝土。这是很重要的对于建筑结构应用程序的调度和运输/货运调度站等非结构建筑材料或屋顶瓦片。

混合物的抗压强度表2研究了使用5.08厘米立方体在ASTM C109维度提出后(7]。砂浆测试还包括弯曲标本:梁近似尺寸5.08厘米,5.08厘米,20.3厘米测试根据ASTM C78 [8)15.2厘米明确跨度。

贴和迫击炮,组成材料混合大约根据ASTM C 305 (9),以确保均匀的混合物,这是特别重要的糊状混合物与低水灰比。唯一偏离ASTM C 305年混合装置。混合,使用手钻代替一个行星旋转搅拌机。粘贴标本在大约80%湿度和治愈26至32摄氏度(华氏79 - 90度)。这是为了加速固化温度轻微升高,会发现在工厂预制建筑材料。砂浆标本被放置在一个更传统的养护室,保持大约90%的相对湿度和温度约为22摄氏度(72华氏度)。贴和迫击炮、标本放置在养护环境后直接铸造,并返回到养护环境后大约一天后的模具。粘贴测试进行每隔七天,五个数据集从每个混合测试。迫击炮、三立方体测试每隔七天到28天,而三梁在其14、28天的九个混合物。

3所示。讨论

3.1。水喷雾干燥器灰贴

回想一下,本研究的目的是把尽可能多的喷雾干燥器灰从掩埋。因此,第一个实验评估潜在的水化喷雾干燥器灰独自在生产结构和非结构建筑产品。早期强度增益是一个重要的项目考虑这些材料,因为商业产品制造商需要尽快装运,通常在七天。图1结果显示7、14和56天1通过1 d测试集。这些设置是由喷雾干燥器灰与水贴/灰比率从0.40设置1到0.25组1 d。图1显示了平均强度以及高和低的值。尽管抗压强度显示相当大的变化,一般来说,有抗压强度的增加,线性与水灰比成反比。

图2显示了抗压强度结果集1 d通过1 g的高,低,平均优势包括在内。这些集都有一个固定的水灰比0.25和演示的效果包含聚合物纤维来自轮胎回收。组1 d没有纤维,集1 e, 1 f, 1 g增加纤维分数如表所示2。基于结果如图2,纤维增强似乎有利于抗压强度的最佳纤维比例1%左右。设置1 e纤维为0.5%(重量)记得,显示了一个明确的增加强度/组1 d没有纤维。看来,增加更多的纤维(组1 f的1%,1 g的2%)对强度的影响不大,或者甚至可能稍微削弱混合物,将在创建一个大的困难均匀混合。强度的增加可能是由于纤维的桥裂缝和作为强化相对薄弱和脆弱的基质材料。如图所示的图片3是典型的多维数据集的出现的例子有或没有测试失败后纤维。一般而言,多维数据集没有纤维断裂成无数块,而方块纤维显示开裂和变形,但维护他们的一般形状甚至在最初的开裂和相关显著减少产能。包含少量的纤维会导致一个重要的(20 - 70%)抗压强度增加,但这似乎在相当低的峰值增加纤维重量分数。

水化喷雾干燥器的极限抗压强度灰将取决于特定化学成分的火山灰和长期的养护条件。然而,知道感兴趣的近似的抗压强度值对整洁和纤维增强喷雾干燥器灰。表3显示了平均56-day抗压强度和模实现。多维数据集的计算弹性模量测试使用一个线性适合应力-应变曲线的初始部分,和应变计算从测试机十字头位移在抗压强度测试期间收集的数据。在大多数情况下,这一趋势在早期的优势继续在后来的优点:降低水灰比导致强度增加,和适度使用轮胎纤维(大约1%)额外增加收益率下降和增加更多的纤维。

最高水化喷雾干燥器的平均优势观察灰有或没有纤维15.3 MPa和7.5 MPa,分别。这些优势是实现一个56天的时代,表明水化喷雾干燥器灰单独不可能适用于许多结构工程使用。从美学上讲,完成的方块电阻有限划伤或磨损和高水比率尤其是似乎有白垩finish。材料也观察到很容易吸收水分。一个立方体蘸水出现干在不到一分钟,因为水被吸收到多维数据集。基于这些结果,砂浆混合物是开发和测试研究潜在的实现手段增强属性,同时还利用大量的喷雾干燥器灰。

3.2。水喷雾干燥器灰沙地的迫击炮

寻求提高喷雾干燥器灰贴的属性,研究人员考虑的沙子和少量的硅酸盐水泥。最大化使用喷雾干燥器灰、水泥量的只有五个,十,十五岁,被认为是百分之二十。这可以被认为是典型的逆粉煤灰应用,少量的粉煤灰作为添加剂对传统混凝土混合物。正如前面指出的,这两种类型的I / II和III型水泥进行了测试。

表4总结测试结果7点14、21、28天标本与不同水泥分数。从这个表中,很明显,甚至百分之五的硅酸盐水泥(类型)的抗压强度有显著影响。28天,包括百分之五的I / II型水泥混合物的抗压强度增加只有喷雾干燥器灰混合粘结剂约3.4倍,从8.0到27.4 MPa,和III型水泥抗压强度提高了近2.7倍,从8.0到22.9 MPa。数据4和5比较不同类型的水泥的影响在7岁和28天,分别。图4显示类型III水泥表现类型I / II水泥在7天的早期时代,正如所预期的那样从水泥早期制定给高的优势。然而,图5表明,长期强度高出一般的I / II型水泥。这些数据还表明,增加强度的水泥不是线性关系,因为只有相对温和的力量增长发生在水泥的比例从5个增加到百分之二十。固有的可变性组成材料和可疑的同质性导致一些混合材料的抗压强度的变化结果。然而,three-specimen集的变异系数一般在10%,很少超过15%。在所有情况下,戏剧性的抗压强度是非常温和的(5 - 10%)添加水泥。

试样的弹性模量计算是基于压缩测试的结果。这些结果如表所示5。因为使用了试件的应变计算的位移加载滚筒,应该考虑这些刚度结果估计。然而,他们可以用来观察产生的相对效应的硅酸盐水泥。添加水泥显然增加了刚度,价值观的两到三倍的标本用SDA材料作为唯一的粘合剂。然而,与抗压强度结果,似乎没有相关的数据一致的趋势增加水泥的比例进一步提高刚度。从本质上讲,波特兰水泥的加入显著加强效果没有对水泥的数量。

聚合物纤维的抗压强度的影响也考虑水泥的加入。迫击炮准备百分之十的I / II型水泥和不同纤维含量。图6显示了不同纤维含量的结果在整个测试期间的抗压强度。在早期的年龄,似乎添加了一些纤维是有益的,但随着时间的推移,纤维的强度好处是迷路了。此外,似乎有一个最佳的纤维比例1%左右。混合物纤维为1%(按重量)比1.5%的混合纤维最多的年龄,和超过2%纤维的混合物。这个结果符合SDA粘贴结果添加1%纤维明显提高了抗压强度,和2%的纤维添加了有害的影响。结果表明纤维添加量的影响弹性模量如表所示6并表明,纤维的加入已经包含水泥混合物的刚度。可能会有一些轻微的优势纤维在早期的年龄,而是由28天标本与纤维的刚度不足的标本没有纤维。

鉴于失败的脆性材料的力学压缩(剪切破坏45度飞机和分裂沿轴加载),添加增强纤维硬和脆矩阵可能没有显著影响抗压强度或刚度。因此,加强观察到SDA粘贴标本可能更弱的、更硬的结果矩阵被纤维钢筋相对较硬,从而能够加强开裂前矩阵。一旦矩阵本身是越来越硬,在迫击炮一样添加水泥、纤维可以产生不利影响(可能由于损失和易性),直到发生了开裂,纤维变形充分携带重要负载。这些结果是一致的纤维增强混凝土的高度可变的结果报告和其他作者的总结约翰斯顿(11]。定性,与纤维砂浆立方体表现类似于简洁的喷雾干燥器灰立方体(如图3保持完整),即使失去承载力。

弯曲测试是由14至28天的砂浆试件的水泥和纤维。表7介绍了断裂的模(铁道部)从这些测试。添加水泥似乎增加挠曲强度,虽然不是程度目睹了抗压强度。添加5%的I / II型水泥提高了铁道部在28天的1.98倍,以及5%的III型水泥提高了铁道部的1.68倍在28天cement-free砂浆相比标本。图7比较不同百分比的影响的两种不同类型的水泥在铁道部实现28天。这图显示添加比例的增加I / II型水泥铁道部继续增加;然而,持续的III型水泥超过10%似乎没有多大好处。

添加纤维混凝土通常提供能力添加到试样的地区紧张,可能会增加整个试样的抗弯强度。图8显示了不同纤维含量对弯曲强度的影响在14日和28天。添加1%的纤维明显提高了铁道部标本没有任何纤维相比,增加10 - 30%。然而,类似于压缩,结果观察到的更大比例的纤维不是有益的。1.5%的混合纤维平均铁道部约等于没有纤维的混合物,和2%的混合纤维有铁道部低于混合物没有纤维。因此,存在一个最佳的纤维含量对弯曲和压缩对这些特殊材料重量1%左右。

总的来说,水泥的混合物与添加测试和轮胎纤维显示重要的承诺作为一个潜在的工程材料。强度和刚度有明显改善5%波特兰水泥和大约1%的纤维。这两种类型的I / II和III型水泥被发现是有效的,III型水泥早期强度增加,而I / II型水泥生产高后的优势。美学和可加工性,添加水泥还取消了白垩完成相关的担忧SDA-only混合物。添加水泥也改善了纯粹的喷雾干燥器灰砂浆的和易性,为喷雾干燥器ash-only混合物往往是粘性的完成困难。

4所示。摘要和结论

两个阶段的测试被用来研究喷雾干燥器的使用灰作为胶结材料工程使用。喷雾干燥器灰单独与水混合被发现太弱压缩提供福利作为一个实际工程材料甚至适度屋顶瓦片等结构组成。添加回收聚合物纤维强度增加了大量(10 - 50百分比),但由此产生的优势还是相当低。其他属性,如白垩完成,还表示,喷雾干燥器灰就不适合作为大多数的矩阵结构工程应用。

改进在沙地的迫击炮的特性被发现通过添加少量的硅酸盐水泥的ash-tire纤维混合物。抗压强度在低端的范围通常被认为是传统的混凝土(MPa) 27日是波特兰水泥的实现只有5%的增加。回收聚合物纤维被证明有利于抗压和抗弯强度增加1%左右的重量,而更大的纤维分数有限或有害影响的优点。纤维非常有效地防止剥落和损失的材料由于骨折和导致增加韧性和延展性。对于某些应用程序这个属性可能是可取的。

这初步测试了迫击炮,因此,测试与大骨料混凝土是一种必要的下一步。如果要追求结构的应用程序,这些实际应用还需要测试,以确保产品的耐用性和它的兼容性与焊接和钢筋腐蚀的视角。此处研究的结果表明这种材料高潜在有用的应用程序,并提供理由进一步的研究专注于特定的应用程序。重大浪费转移有益利用喷雾干燥器灰似乎是一个可行的目标。

确认

作者欣然承认科罗拉多高等教育委员会(孕妇)支持本研究通过合同编号。00018年07棉酚。喷雾代尔火山灰和回收轮胎纤维是由普拉特河为本研究提供的权力权威和洁轮胎,分别。作者也承认学生的援助工作在这个项目包括杰夫•Eulberg Mahalingam巴拉吉,斯蒂芬妮•托马斯弗莱德里克Busch,恋人Rechan。

引用

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