文摘
粉煤灰(FA)显示低反应性时准备粘合剂用于巩固了粘贴回填(CPB)。在目前的工作中,湿磨法治疗被用于增加FA的火山灰活性,促进其可持续利用。结果表明,湿磨法可以适当和有效的FA预处理技术。湿法粉碎强烈修改FA减少结晶阶段的结构内容和Si 2 p的结合能和2 p,导致FA的火山灰反应性增加。体性能的样品由潮湿的地面足总被优化。这也反映出了加速度在示例设置和增加强度的发展。体抗压强度的样品由潮湿的地面FA 120分钟增加了约40%固化后28 d与控制样本。
1。介绍
煤炭是地球上最丰富的自然矿产资源,也是所有国家使用的主要能源之一(1- - - - - -3]。煤的主要用途之一是烧煤发电,占中国总发电量的72%(2015年2]。粉煤灰(FA)是燃煤电厂产生的固体废物4- - - - - -6]。这是细灰收集了从煤燃烧的烟气。足总可以对生态环境和人类健康产生极大危害7,8]。一方面,大量的FA粒子静电除尘器收集的存储在露天,占据大量的土地。另一方面,英足总包含V,铬、镍、Cd, Pb,,锌、钼和铜等重金属,这可能会导致严重的污染,土地,水,和空气环境并危害人类健康9- - - - - -11]。此外,细足总粒子很难被尘埃收集器和直接排放到大气中,成为大气污染的主要来源之一。罚款FA亚微米粒子浓度很大,通常含有大量的有毒金属物质,它在大气中停留很长时间。一旦被人体吸入,它能穿透人的肺泡,对人类健康造成严重危害。因此,资源利用率的足总可以减轻其危害环境和人类的身体和平衡资源和环境之间的关系。
足总已经广泛应用。目前,其主要技术包括制造建筑材料(包括水泥(12),具体13),地质聚合物(14,15)、道路材料(16,17,工程回填材料(18,19],土壤改良[20.),合成的多孔材料21,22),提取贵重金属(23]。考虑FA的潜在火山灰反应,利用粉煤灰火山灰材料替代部分水泥已经被证明是一种有效的方式的处理(24]。的足总可以修改新鲜泥浆的流变特性由于“球效应”产生的飞灰颗粒的球形(25]。此外,细粒子的足总可以填充水泥颗粒之间的空隙,然后增加存储密度和机械强度26]。耐久性FA水泥贴和迫击炮在积极的条件下也被报道。高容量的FA水泥贴和迫击炮袭击时被监控,HCl, Na2所以4解决方案,和海水24]。英足总水泥粘结剂显示令人满意的耐商用的激进的解决方案比较抗硫酸盐水泥文献[24]。
尽管一些受益于利用FA作为水泥添加剂已报告,一些负面影响,如设置的延迟时间,也已产生的不良反应的报道FA (27,28),虽然足总高度依赖其特点的影响。据曾et al。27),英足总反应程度仍处于低水平甚至三个月后。此外,负面影响的强度发展(尤其是在早期年龄)和FA水泥的耐久性也报道。明显减少抗压强度28 d之前注意到即使低FA更换(29日]。迫击炮的机械和物理性能,没有粉煤灰添加氯化钠和MgSO的攻击后进行调查4解决方案由Yildirim和苏美尔(30.]。结果表明,英足总含量的增加似乎有负面影响砂浆标本。例如,抗弯和抗压强度20%的FA取代砂浆标本在水中治愈,氯化钠和MgSO4解决高50% FA取代了砂浆的标本。对于这方面,FA的更替水平混凝土通常是限制在15 - 25%的范围31日),这限制了大规模利用。因此,人们普遍认为,减少飞灰的粒径和改善反应可以促进FA在胶结材料的回收。
巩固了粘贴回填(CPB)是一种工业废弃物的综合利用策略32]。体外循环过程中,普通硅酸盐水泥(OPC)是主要的胶结材料,占大约70%的总成本的心脏(33]。OPC的高成本明显增加矿山生产的总成本。另一方面,OPC生产被认为是一个能源密集型的过程的能耗大,导致排放大量的有限公司2占总数的大约5 - 8%股份有限公司2世界上排放(34,35]。因此,它是必要的准备成本和较低的替代绑定有限公司2排放。使用辅助胶结材料似乎是一个常用的方法来降低OPC利用率。
足总已经报道用于体外循环。刘等人。36)研究温度的影响的物理和力学性能和微观结构CGFB当使用FA在CPB质量比水泥:煤矸石,粉煤灰的1:2:5。固化温度的增加促进粉煤灰的火山灰效应的早期出现。较高的固化温度使心脏标本的早期抗压强度增加,但后来抗压强度下降由于减少焊接的内部结构由于热损伤(36]。Cavusoglu et al。18]研究了硅酸钠作为加速器的影响在早期机械和巩固了粉煤灰回填的微结构特性(建行)。硅酸钠发现建行的加速凝结时间和强度。在另一项研究[37),建行的减外加剂对性能的影响进行了研究。掺合料增强短期和长期建行优势,降低孔隙度33%。然而,我们所知,很少有研究关注的影响进行预处理FA CPB样本的属性。机械优化是一种最有效的治疗技术为工业固体废物处置(38]。机械活化后,矿物粒子的反应性增加由于物理和化学变化(39]。机械活化可以降低粒径,增加比表面积,然后增加活性物质之间的接触面积(40]。因此,在目前的工作中,湿磨法被用来预处理FA,目的是增加其火山灰反应。湿法粉碎的效果是通过物理结构评估,矿物学的修改和溶解行为。潮湿的地面FA是用于体外循环。反应动力学,凝结时间、抗压强度发展,体的孔隙结构与样本调查。
2。材料和方法
2.1。材料
两种类型的粉煤灰(FA)研究在当下工作收集从辽宁、河北、中国,分别。接收到的FA在105°C下烤箱干24小时。普通硅酸盐水泥(42.5 r)由CR水泥有限公司在目前的工作。水泥的化学成分表中列出1衡量,通过x射线荧光光谱仪。水泥的比表面积是334米2/公斤,使用布莱恩方法测量。
2.2。实验
2.2.1。机械处理的粉煤灰
的机械治疗足总进行了使用立式搅拌磨湿法粉碎方法。氧化锆球被用作研磨剂的重量比10 mm: 8毫米,6毫米:2毫米= 1:4:6:2。氧化锆球、FA、polycarboxylate-based强塑剂(PCE)和水被注入机与水的比例分别加权后/ FA = 0.5, FA /研磨介质= 0.5,PCE / FA = 0.3%。英足总当时地面10、30、60、120分钟使用450 rpm的电机速度。在达到设计磨削时间,球分离。英足总浆被用于以下测试不需要干。FA wet-milled 10、30、60和120分钟,贴上FA10 FA30, FA60和FA120分别。原始的足总没有被任命为FA0机械治疗。
2.2.2。溶解行为
地面干足总样本放入氢氧化钠溶液(0.10 mol / L)的液体/固体比100 ml / g和搅了36小时。然后通过preweighed 0.2过滤解决方案μ米尼龙注射器过滤器在设计时间间隔。溶解残渣可以计算如下: 在哪里米是不溶解的固体颗粒的重量。
2.2.3。火山灰反应
使用的方法(41,42)进行调查FA的火山灰反应。首先,FA、石灰石和氢氧钙石地在氢氧化钠溶液被注入混合物。H2阿灰比0.5被用于这项工作。搅拌2分钟后,粘贴涌入20毫升离心管和治愈20°C到有针对性的年龄。表2显示了混合比例。
2.2.4。潮湿的地面利用粉煤灰在水泥粘贴回填
体准备样品,OPC被足总40 wt %所取代。OPC、FA和尾矿地1分钟前加水。在目前的工作,粘结剂/尾矿比率是1/6,固体含量是72 wt %。混合物被涌入圆柱形塑料模具尺寸直径50毫米和100毫米高度混合后2分钟。样本然后密封,治愈20°C /有一天95%的相对湿度。之后,样本demolded和治愈20°C / 95%相对湿度,直到指定的治疗年龄。研究反应动力学,粘贴无尾矿添加使用,类似上面像心脏的准备样品说明制备过程。
2.3。表征方法
FA的粒度分布测试通过莫尔文Mastersizer范围从0.02 2000μm - 2000μ使用酒精作为分散介质。
x射线衍射(XRD)被用来确定样品的组装阶段通过日本岛津公司XRD - 7000。水化样品,硬化样本碎< 74μm。之后,他们与异丙醇冲洗(境,99。7%) and stirred for 1 h for the reaction stopping. Next, they were filtered and used for XRD analysis after dried for 24 h under vacuum condition. The samples were scanned in the range between 5° and 50° with a rate of 2° per minute.
热重测试进行了使用热重量分析法(TG)和差热分析系统(STA409PC)。加热温度范围从室温到1000°C使用加热速度15°C /分钟。测试高纯氮的氛围下进行。
显微组织观察的样品用扫描电子显微镜系统(蔡司双子座300)。未水化的足总样本,足总粒子均匀分散在双面胶带,涂上金膜增加导电性。显微镜是在高真空模式下操作,加速20千伏的电压。
进行了x射线光电子能谱(XPS)分析使用一个热ESCALAB 250 xi XPS系统单色Al Kαx射线束(高压= 1486.68 eV)有一个直径为500μm。
TAM航空等温量热计(TA / TAM AIR-8)被用来测试在水化热释放。泥浆制备的方法是类似于所示部分2。2。准备后,泥浆立即被转移到等温量热计测试。录音时间约为72 h在20°C。
复合材料的凝结时间的深度测量的维卡软化点进针方法后的复合材料(43]。复合材料的抗压强度测定ASTM C39使用标准的方法。在测试之前,顶部和底部表面的圆柱样品与探针接触地面持平。最终的数据是来源于至少三个样本的平均值。
孔隙结构分析了汞入侵porosimetry (MIP, 9500年Autopore IV)。压碎的样品大小的1 - 2毫米。在测试之前,碎样本与异丙醇冲洗(境99.7%),说明。
布鲁克菲尔德RSR-SST流变仪是用来测量流变参数(即。体、屈服应力和塑性粘度)新鲜的混合物。转子是一个四叶叶轮的直径和长度20和40毫米,分别。流变测试投入准备新鲜CPB后执行测试杯后,流变学协议如图1。首先,新鲜CPB浆均质通过preshear阶段在100年代−1持久的60年代。这是紧随其后的是一个过渡(0100年代−1)和斜降(1000−1后120年代内)过程进行休息15 s。数据收集从下行阶段。
3所示。结果与讨论
3.1。对原始的粉煤灰
两个研究FA的化学成分如表所示3。这显然是两足总都是铝的主要成分2O3和SiO2,占总含量的80%以上。这是符合先前的报道(44,45]。然而,FA1显然含有更多2O3与FA2相比,含有较高数量的SiO2。曹在FA1检测,而FA1包含更多的采用。化学成分的差异可能导致被用来准备绑定时的各种行为。
图2显示了两个FA的微观结构。FA1的形状是不规则的,主要是靠海绵中空玻璃颗粒松散结构如图2(一个)。FA2主要是球形粒子。粒子的形状被报道高度影响泥浆的流变特性。
(一)
(b)
3.2。粉煤灰的机械转换
3.2.1之上。粒度分布
粒度分布的FA机械活化前后10分钟,30分钟、60分钟、120分钟呈现在图3。湿法粉碎强烈修改了粒度分布。如图所示的数据3(一个)和3 (b),只有一个主要是注意到的粒度分布曲线峰值FA1和FA2无论磨时间。这是我们以前的工作不同于机械活化煤矸石的粒度分布,观察一个典型的双峰分布(38]。此外,粒度分布的峰值随着研磨时间的增加变得更窄了,表明一个更均匀的粒子(46]。数据3 (c)和3 (d)表明d10, d50 d90值两足总随着研磨时间的增加减少。这些值变化不显著研磨后60分钟。同时,从获得的比表面积(SSA)粒度分析数据与研磨时间逐渐增加:增加从113722614 m / g2FA1 / g, 1331米22608 m / g2分别为FA2 / g,。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.2.2。x射线衍射、x射线光电子能谱分析
FA的矿物结构的变化产生的湿磨法如图所示4。XRD结果表明,主晶相的是莫来石和石英。没有新的阶段被确定湿法粉碎后,即使磨了120分钟。然而,湿法粉碎后石英和莫来石的强度降低。这主要是由于力量和谷物和研磨介质之间的摩擦,导致塑性变形的粒子和晶体结构的崩溃47]。FA的原因提出了低反应性的攻击下碱性物种是晶体含量高;因此,石英和莫来石的还原反应的强度可以有利于增强。
(一)
(b)
x射线光电子能谱(XPS)分析是用来研究FA湿法粉碎后的表面特征,和结果如图所示5。发现两者的结合能Si 2 p和Al 2 p两足总与研磨时间减少。发现类似的现象(46,47]。硅和铝的结合能降低有利于提高火山灰反应,因为它见证了一个简单的中化学键的断裂反应(46]。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.2.3。溶解行为的机械处理粉煤灰在碱性溶液
FA的反应在碱性激活开始溶解的固体颗粒,这被认为是固体颗粒的关键程序转换成可用的源材料(48]。解散的行为也控制了反应和OPC / FA复合材料的性质38]。因此,有必要理解机械活化后的溶解行为足总。足总在碱性环境下的溶解行为是显示在图6。测试结果显示一个抛物线趋势,解散的解散FA增加时间大约20 h在远离平衡的条件。在那之后,仅有少量溶解的溶解达到平衡。这是符合先前的报道关于其他矿物粒子的溶解行为48,49]。一个区别是,更多的时间是在这个实验中需要达到溶解平衡。这可能是由于低反应性的FA与其他材料相比,如煅烧粘土(48]。FA1和FA2显示湿法粉碎后溶解率的增加趋势。越快解散了FA湿法粉碎后的反应性增强。另一方面,FA2显然比FA1显示更高的溶解率。
(一)
(b)
3.2.4。火山灰的性能
图7显示了火山灰的量热法测试结果测试。热释放的火山灰是由于解散FA在碱性环境下与水合凝胶的形成。热流曲线,如图7(一)和7 (b),是水泥基粘结剂的不同,主要是造成低碱激活过程中反应速率。一般来说,湿磨法的热释放率增加FA1和FA2表明火山灰反应性与湿法粉碎时间增加。这是符合解散测试的结果表明,与机械研磨溶解FA增加持续时间。此外,FA2提出热流率高于FA1,表明更高的火山灰反应。
(一)
(b)
(c)
(d)
数据7 (c)和7 (d)显示的总热流在火山灰反应,与湿法粉碎和累积热流增加时间。原始足总提出低反应性和见证了低总热释放,达到大约只有23.19 J / g和39.04 g / FA1和FA2分别。湿法粉碎120分钟后,总热释放显著增加,达到76.77 J / g和117.51 J / g FA1和FA2分别。这直接证明湿加工过程的影响,在湿法粉碎后FA的火山灰反应性增强。这可能会导致更多的FA溶解(图7)和参加火山灰反应,导致更多的水化热释放。
热重量分析法(TG)分析是用来研究水化产物的组成部分的火山灰反应,结果如图所示8。峰值位于50°C和200°C之间是C-S-H分解造成的。这意味着机械研磨没有修改的组装阶段水化产物。此外,很明显,这个峰值强度与研磨时间增加。这一现象表明,更多的FA参与到火山灰反应,符合解散测试的结果。另一方面,FA2提出这个峰值强度高于FA1,表明FA2显示比FA1更高的火山灰反应。
(一)
(b)
3.3。利用机械处理粉煤灰在水泥粘贴回填
3.3.1。贴的反应动力学
绑定用于体外循环的早期反应动力学研究了等温量热分析。图9显示了量热法测试结果粘贴绑定的FA-OPC用于巩固了粘贴回填。一般来说,四个阶段被发现在所有的热流率曲线(数据9(一个)和9 (b)),也就是说,最初的感应,加速,减速阶段。湿磨法明显促进了粘结剂水合作用,反映在缩短诱导期和热流率在主峰。表4总结了动态数据绑定。FA1,诱导期的结束时间(t1从8.22 h)下降到7.68 h, 7.32 h, h, 7.04和6.86 h时,湿磨法10分钟,30分钟、60分钟、120分钟,分别。这是伴随着的进步主要水化峰值的出现,从19.29 h到17.93 h, 16.84 h, h, 15.76和14.58 h,湿法粉碎后10分钟,30分钟、60分钟、120分钟,分别。与此同时,最大热释放速率增加了约10.89%,12.50%,5.56%,和6.02%,FA1-10, FA1-30, FA1-60,分别和fa1 - 120。所有这些建议的加速水泥水化。类似的趋势发生在FA2样本。数据9 (c)和9 (d)显示累计在绑定的水化热释放72 h。很明显,机械研磨增加总热释放FA1和FA2,表中列出4。
(一)
(b)
(c)
(d)
加速度是归因于两个因素。首先,FA的火山灰反应增加说明部分3.2。4在机械活化。更多的FA参与反应的激活下氢氧钙石水泥水化。另一方面,FA的微粒可以作为晶核,减少诱导期,加快水化过程中,这被称为“核效应”(50]。这与先前的报道是相一致的,这表明,超细添加剂的应用可能会加速水泥水化,包括合成C-S-H [51- - - - - -53),水铁矿纳米颗粒(54],SiO2,TiO2,菲2O3纳米粒子(55]。“核效应”明显增加随着研磨时间的增加,随着越来越多的细足总粒子会产生机械铣,如图3。这导致了一个更明显的加速水化过程的影响。
3.3.2。流变特性
流变特性是新鲜心脏的重要的性能(56),影响了泵的效率和矿山生产(57]。因此,新鲜的巩固了粘贴回填的流变特性进行了测试,结果如图所示10。如图10 ()与湿法粉碎时间,屈服应力增加,表明高阈值所需的压力是发起流程。与对照样品相比,湿法粉碎后10分钟,30分钟、60分钟、120分钟,屈服应力的增加了48.01%,38.94%,26.91%,和4.49%,分别。这种负面影响机械磨削的屈服应力的综合效应可以归因于以下机制:粒子的耦合效应包装密度和比表面积的屈服应力和塑性粘度的关键。一方面,包装密度的增加会增加额外的水形成水膜量;另一方面,比表面积的增加将减少水膜的厚度。因此,尽管包装密度颗粒系统的增加由于细颗粒的填充效果,比表面积也增加,这两个因素导致的净效应现象本文;机械活化后火山灰反应性增加,如部分所示3.2。4。这导致促进水化过程,在更短的时间内更多的水合凝胶的形成与控制样本相比,导致屈服应力增加。这可以证实的促进水化率量热法测试结果,如图9。事实上,水化产物的增加和降低自由水提高了interfrictional电阻体粒子组装的,进而增加了屈服应力(58]。
(一)
(b)
体的流动性新鲜如图10 (b),很明显,流动性的样品准备FA1和FA2与研磨时间减少。与原始样品FA1,新鲜的流动性缅共约25.6厘米。湿法粉碎后10分钟,30分钟、60分钟、120分钟,流动性下降到23.7厘米,22.1厘米,20.2厘米,18.2厘米,分别。流动性的减少是由于增加的屈服应力,如图10 ()。一般来说,为了满足运输的要求泵或用斯特普,新鲜的体外循环泥浆的流动性应该19-27厘米(59]。泥浆的流动性略低于最低要求缅共当添加FA1在湿漉漉的地上120分钟。
如图2,FA2由球形颗粒。FA2粒子的“球效应”导致更高的流动性。尽管FA2显示更高的火山灰反应,可以形成水合凝胶在更短的时间比FA1和减少流动性,很明显这个因素有轻微影响。因此,足总显示更高的物理性质对流动性的影响比化学性质的绑定。
3.3.3。设置时间和抗压强度
设置时间和抗压强度,确定开采过程和安全,是另一个两个影响因素的实际应用胶结绑定在心脏60- - - - - -62年]。初凝时间,抗压强度在养护28 d所示的数据(11日)和11 (b)。体样品使用原始FA1和FA2显示初凝时间相对较长,分别达到约8.1 10.2 h, h(图(11日))。湿磨法显著促进了缅共样品的初始设置。初凝时间的减少约39.2%和33.3%时英足总为120 h。这种现象是符合量热法测试结果,湿磨法的反应被提升,导致更快的水合凝胶的形成。这将促进样品设置。比FA1 FA2显示速度设置,造成其更高的火山灰反应,如部分3.2。4。
(一)
(b)
图11 (b)显示了缅共固化后样品的抗压强度28 d。体样品的抗压强度较低时使用原始的FA,达到0.87 MPa和0.98 MPa左右,分别治疗后28 d。这是归因于原始FA的火山灰反应活性相对较低,符合之前的报道FA-doped水泥(63年]。湿法粉碎后,抗压强度增加研磨时间,达到1.21 MPa和1.36 MPa左右FA1和FA2研磨后分别为120分钟。见3.2.6部分,机械研磨后火山灰反应性增加,从而导致更多的FA参与反应。除此之外,更多的微粒产生磨削后,这导致了反应过程由于更多的“成核的网站。“此外,细粒子可以填补空洞在水泥硬化,导致更紧凑的矩阵。所有这些可以支持的力量发展样本。FA-cement的反应期间,英足总将溶解在碱性氢氧钙石的活化。FA2清晰显示更高的溶解率,如图6。这将导致更多的水合凝胶的形成,有利于强度的发展。
3.3.4。孔隙结构
硬体样品的孔隙结构固化后28 d如图12。根据以前的报告(64年),硬体样品的孔隙可分为微孔隙(< 20 nm),中孔(20 - 500 nm),和大孔隙(> 500海里)65年]。中孔是占主导地位的毛孔在所有调查样本。此外,中孔和大孔隙减少湿磨时间,伴随着微孔隙的增加。这导致了减少总孔隙度。一般来说,从水泥水化凝胶反应填充颗粒间的空隙,导致孔隙度降低。原始的FA显示更少的反应,导致水合凝胶的含量较低,因此高孔隙度(66年,67年]。这的原因之一是控制强度最低。湿法粉碎的影响可以三元:细足总粒子可以填补空白的水泥颗粒。这可以改善硬化的孔隙特征矩阵。第二,机械治疗足总提出更高的反应性,导致小得多的水合凝胶的生成。此外,超细粒子也可以作为水化成核网站,促进水泥的反应。
(一)
(b)
4所示。结论
FA的低反应性限制了它的广泛应用于制备胶结充填体粘结剂粘贴回填(CPB)。在目前的工作,FA是通过湿法粉碎机械激活,目的是增加其火山灰反应。湿法粉碎的效果也调查了解散和火山灰测试。之后,缅共样本的属性使用潮湿的地面足总调查准备。结果会导致以下的结论。(1)湿磨法可以减少FA的粒度更均匀分布、比表面积的增加。这是在足总伴随着结晶阶段的内容。(2)潮湿的地面的火山灰反应足总根据解散和火山灰增加测试。湿磨法促进了FA在碱性条件下的溶解;同时,有更多的水凝胶中形成火山灰测试。(3)机械活化的体外循环泥浆的屈服应力增加然后减少followability。FA的显微结构显示一个伟大的对体外循环泥浆的流变性能的影响。(4)机械活化的FA提升的快凝CPB样本。初凝时间的减少约39.2%和33.3%时英足总为120 h。(5)体抗压强度的样品养护28天后增加了约62.5%和38.8%时添加机械地面FA1和FA2 120分钟。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是财务支持的关键特征变量的识别研究洞室群在地下集中器的稳定性,02 - 1922。