粉煤灰粒度对毛灰泡沫泡沫泡沫泡沫结构的影响

摘要

研究了粉煤灰粒径对粉煤灰泡沫地质聚合物孔隙结构和强度的影响。通过二值化处理获取宏观孔隙信息，如宏观孔隙尺寸和FAFG分布。采用阿基米德密度试验法和单轴抗压强度试验法分别测试了FAFG的孔隙度和抗压强度。可见，FLA粒径对FAFG的孔隙结构和强度均有影响。从宏观上看，FLA粒径对FAFG混合物早期的中、大孔数量和大孔分布均匀性有影响;从微观上看，FLA粒径对FAFG混合物早期的微孔、裂纹数量和硅酸钙(C-S-H)数量有影响。除粒径在0.125~0.25 mm的转折点外，FAFG的各项性能均遵循一定的变化规律。为了解释粉体粒径对FAFG影响的根本原因，采用扫描电镜(SEM)和x射线衍射(XRD)等手段对FAFG的微观结构和粉体组成进行了研究。结果证明它是无定形相SiO₂不同粒径的FLA中的含量可决定FAFG混合物的反应程度。

1.导言

煤炭燃烧或生物质与煤炭共烧遇到了一定的操作问题，如灰垢、结渣、污垢和腐蚀，降低锅炉热效率[1，2]，并导致固体废物处理中的问题，这是一个长立的研究热点。作为在热发电期间通过快速氧化煤粉产生的最大固体废物[3.]粉煤灰（FLA）污染当地环境，提高煤矿治疗成本。另一方面，由于其优点如良好的保温，重量轻，低成本[4，5]FLA已广泛应用于非承重墙建筑、卫生间回填等建筑领域，并作为保温材料、隔声材料等功能材料[6，7］.除用于传统建筑领域外，FLA作为制备地聚合物的良好原料已在不同领域得到应用[8- - - - - -12]例如，为了证明FLA资源就地利用的可能性，有很多学者在这方面做了大量的基础研究[13- - - - - -15]，其中提出粉煤灰泡沫地质聚合物(FAFG)作为充填材料可以是粉煤灰消耗与煤矿防火的优良结合[16，17]复杂的地下环境对FAFG的某些特性有很高的要求，主要集中在其孔隙结构和强度上。

至于FAFG的制备，最显着的点是稳定合适的孔隙结构并产生适当的强度，这受不同因素的影响，例如温度，组分，活性材料等[18- - - - - -21］.然而，关于FAFG的性质的FLA粒度效应甚至仍有很少的研究，并且效果的根本原因尚未明确。但大量的FAFG制备实验使其明显使得不同的FLA粒度尺寸确实对FAFG的性质产生了一些影响。本研究的主要目标是观察FAFG性质的FLA粒度效应，并研究其效果的根本原因。

按泡沫产生方式，FAFG可分为两类:机械发泡-FAFG [22，23]和化学发泡FAFG[24，25]，分别由专用发泡机加某种发泡剂和细分铝或过氧化氢生产[26，27］.本研究以不同粒径的FLA和其他原料为原料，以过氧化氢化学发泡的形式制成FAFG。利用单反相机拍摄的高质量图像，通过二值化处理分析，测量宏观孔隙结构特征。利用x射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)分别测定FLA的组分，观察FAFG的微孔结构。采用万能试验机进行单轴抗压强度测试。我的研究的新颖之处在于首先研究了FLA粒径对FAFG性能的影响，其次找到了这种影响的根源。FLA的组成随粒径的变化而变化，导致宏、微观孔隙结构性能不同，强度也不同。结果表明，晶体/非晶比率可能是造成这种效果的根本原因。

2.材料和方法

2.1.材料

如表所示1采用振动筛得到6个粒径范围的粉煤灰，分别为−0.045 mm、0.045~0.075 mm、0.075~0.125 mm、0.125~0.25 mm、0.25~0.5 mm、+0.5 mm。大南湖煤矿飞灰粒度分级照片。如图1所示1.除了最大尺寸（+0.5 mm）和最小尺寸(−0.045 mm），按粒径分级的粉煤灰用作FAFG的原料。表中列出了其他原料和添加剂的详细信息2．

2.2。实验程序

根据早期试验和错误方法的经验，得出FAFG的混合比例，如表所示3.。所有FAFG混合物均按照均匀比例制备，其中唯一的区别是粉煤灰的级配尺寸。为了获得初始样品，将混合物浇铸在钢立方模具（100 mm），由于过氧化氢的内部反应，自然发泡。发泡期持续约四分之一小时，然后将样品置于100℃恒温加热器中2小时 小时；固结在温度为22–24℃的房间中完成，直至试验当天。中央立方体（70.7 mm）从未经处理的样品（100 mm）进行微观结构观察、孔隙率测量和强度测试。切割的中央立方体如图所示2．

2．3.测试方法

使用X射线衍射仪（XRD Bruker D8 Advance）测定FLA的晶相。借助开源软件（Image Pro Plus），通过数字单透镜反射（Nikon D5500）获得FAFG样品的孔形态图片，通过对孔形态图片进行图像二值化处理，分析了FAFG样品的孔径分布。使用通用试验机（WDW-300）对FAFG样品进行了强度测试。通过扫描电子显微镜（SEM、蔡司SIGMA-300）观察了FAFG样品的微观结构使用蒸馏水，采用标准阿基米德法测量FAFG样品的体积密度。根据以下方程式计算总孔隙度(1):

哪里和分别表示体积密度和粉末密度。

3.结果和讨论

3.1.孔隙结构分析

在一定程度上，切割的中央立方体的横截面能够反映FAFG的真实内部孔隙结构，因此，使用Nikon D5500获得立方体侧面的高分辨率图像。对孔隙结构数据进行二值化处理后进行分析[28]使用开源软件“Image Pro Plus”。原始图像和二值化处理后的图像分别如图所示3.在这里可以清楚地看到孔隙结构及其分布。

直径是孔隙结构的主要特征参数之一，但对于这种多孔材料，少量的可充气或泡沫泡沫状地质（混凝土）的完全合适的分类标准（μm ~毫米)。大部分现行的分类标准或方法[29]基于IUPAC标准，该标准仅对纳米级孔隙进行了分类，而没有对大型孔隙进行分类（>50 Zdravkov等人[30]概括了表中所示的最常用孔径分类4其中Kodikara等人进行了分类[31]根据Kodikara的分类标准，本研究中在FAFG中观察到的所有孔隙均应归类为大孔隙，具有孔隙( nm）被排除在外。在本研究中，宏观孔径在四个层段分为5个等级，每个层段为0.5 毫米长；然而，它不能直观地反映孔隙大小的差异。因此，I级和II级的大孔隙可定义为小孔隙（0 嗯 ⅲ、ⅳ级大孔为中间孔(1 mm) mm), and macro-pores of grade V as large ones ( 嗯）。图形4显示了FAFG的孔径分布。从图中可以看出4几乎所有的孔径分布都集中在小孔中，但在中孔和大孔中仍有零星的孔径分布。随着FLA粒径的增大，FAFGs1、FAFGs2和FAFGs3的中孔和大孔数量增加，而FAFGs4的中孔和大孔数量没有增加，而是减少。同时，随着FLA粒径的增大，FAFGs1、FAFGs2和FAFGs3的中孔和大孔数量增加在前三种FAFG中几乎找不到的大孔隙在FAFGs4中表现得非常明显。

3.2.力量发展

图形5给出了FAFG的抗压强度试验和孔隙率测定结果。早期强度范围为0.097 MPa ~ 0.3241 MPa(百分比差为70%)，说明不同粒径FAFG的强度差较大。孔隙率为66.37% ~ 73.15%，FAFG密度为300 ~ 500 kg/m^3.．如图所示5随着FLA粒度的扩大，压缩强度（7d）降低，孔隙率增加。FAFGS3仍然是一个转折点，其中压缩强度到达底部，孔隙率到达峰值，并且孔隙率停止升高并开始减小，而抗压强度表示逆变变化。有很多关于孔隙度和力量之间的关系的研究，他们的几乎所有结论都指出，大孔隙率意味着不良的强度性能[21，32］.可以用两个主要因素来解释强度与孔隙结构之间的关系;一个是孔隙的自由体积(孔隙度)，另一个是单个孔径(分布不均的大孔隙)。两者都与FLA粒径有关。随着FLA粒径的增大，分布不均匀的大孔数量和FAFG孔隙率先增大后减小，分别如图所示2和5.由于这两个因素对FAFG强度的负面影响，FAFG的抗压强度呈现出与这两个因素相反的变化趋势。

3.3.XRD分析

“粉煤灰效应”是指形态效应、微集料效应和活性效应等一系列效应。随着FLA粒径的增大，形态效应和微集料效应明显减弱，这可能会导致FAFG孔隙分布更加不均匀，孔隙率增大，强度性能变差。FAFGs1、FAFGs2、FAFGs3与预期的变化规则一致，而fafg4不符合此变化规则。

为了弄清楚为什么FAFGs3总是有一个转折点，导致所有这些奇怪现象的出现。对不同粒径的粉煤灰进行了XRD分析。图6显示了XRD分析结果。如图所示6，石英和莫来石是FLA的主要成分。在20~30°的角度出现一个大的“馒头峰”；同时，随着FLA粒度的增大，“馒头峰”先大后小。“馒头峰”的大小反映了非晶态矿物的含量。“馒头峰”的尺寸越大“馒头峰”是，较多的非晶相SiO₂有;Taylor和Matulis指出，当有明确的峰而没有显著的峰宽时，峰高可以成比例地表征峰面积[33]Liu.通过比较不同来源的硅铝酸盐的峰值强度，比较了硅铝酸盐的二氧化硅含量[34］.衍射强度可以反映晶相矿物质含量，因此，SiO的峰值衍射强度₂有利于获得晶相SiO₂内容。如图所示5，sio2的衍射峰强度₂随着FLA粒径的增大先增大后减小。

图形7表示晶相SiO分子结构的平面模型₂和非晶相SiO₂．从图中可以看出，SiO晶相的分子结构₂比非晶态sio2更致密有序₂，这意味着前者的Si-O键比后者的Si-O键更牢固地构成，并且后者更容易被FAFG混合物中的碱性活化剂断裂。Tennakoon推出了非晶相SiO₂反应性SiO的关键是什么₂在地聚合物地层中[35］.因为晶相SiO₂是FAFG水化反应的惰性组分，对孔隙的形成和分布有负面影响。非晶相sio2的分子结构₂在碱性环境中容易破碎，使活化的SiO₂可以使用FAFG混合物中的其他材料进行重组;例如，它可以与氧化钙的水化反应产生的氢氧化钙反应。这有助于孔隙的均匀空间和尺寸分布。

3．4．扫描电镜分析

图形8显示SEM（试验条件：ETH = 5. 千伏，信号A = SE2，Mag = 5 KX）FAFG图。原始飞灰的外观是一个光滑的球体，但当原始飞灰在FAFG混合物中反应后，其表面会出现许多絮状物。经碱性活化剂活化后，非晶相SiO₂与Ca反应²⁺由CC和CO提供，导致FLA颗粒表面形成大量的C-S-H（水合硅酸钙）。粉煤灰-石灰水淬硬岩中通常存在大量立方形或蠕虫状C-S-H。从数字8可以清楚地看到，随着FLA粒度的增大，絮体的数量先减少后增加，其转折点仍然是FAFGs3。C-S-H是FAFG的主要产物，C-S-H的数量可以代表反应的程度。因此，FAFG混合物的反应程度随F的增大而变化LA颗粒大小。非晶相SiO的变化₂随着FLA粒度的变化是反应程度变化的根本原因，FAFG的强度因早期C-S-H的形成而增强。

借助SEM可以观察到微尺度的裂纹和孔洞9为FAFG的SEM(测试条件:ETH = 5 kV, Signal A = InLens, Mag = 5.00 KX)图。从图中可以看出，FAFG中存在大量的微裂纹和微孔。随着粒径的增大，裂纹和孔洞的数量先增大后减小。在反应过程中，活化sio2₂很容易与钙发生反应²⁺并及早形成硬体，使微小的泡沫无法融合成大泡沫。同时，微小泡沫的合并会增加泡沫内部的空气压力，导致微裂纹的出现。结果表明，由于非晶相SiO的含量，FLA粒径对FAFG微裂纹和微孔的形成有间接影响₂．微裂纹和微孔的存在可能会对FAFG的强度产生负面影响，因为它们会削弱硬体组织。FLA具有更多的非晶相SiO₂可能有助于形成更均匀分布的孔隙和更好的FAFG强度性能。

4.结论

一般来说，随着FLA粒径的增大，FAFGs的UCS先减小后增大，孔隙率和中、大孔数量先增大后减小。此外，0.125~0.25 mm是他们两人的转折点。随着FLA粒径的增大，孔径分布的均匀性变差，但当FLA粒径达到0.25～0.5时，孔径分布的均匀性变好 嗯。微观分析表明，随着FLA粒径的增大，FAFG混合物反应产物C-S-H含量先减小后增大，微孔和裂纹数量先增大后减小，转折点也在0.125~0.25之间 嗯。

本研究结果表明，FLA粒径对FAFG的孔隙结构和强度有影响，其根本原因是活性物质(非晶相SiO)的含量差异₂)XRD结果表明，非晶相SiO₂随着粒径的增大，FLA含量先减小后增加，出现拐点为0.125~0.25 mm，即粒径为0.125~0.25 mm的FLA中活性物质含量最少。活性物质的含量可以决定FAFG混合物的反应程度。总之，混合反应越充分，产生的C-S-H越多，微孔和裂纹越少，FAFG的强度性能越好，孔隙越均匀。

数据可用性

没有数据支持这项研究。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作得到中国国家自然科学基金重大项目（51674242, 51974297）的支持。

补充材料

图形摘要介绍了（飞行AHS发泡地质聚合物）FAFG的制备过程和一些特征对FAFG测试。整个制备方法包括干原料混合，碱活化剂加入，发泡和固化。然后将FAFG样品切割成立方体（70.7毫米）。最后，FAFG的特征将通过相关仪器和方法进行测试。（补充材料）

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