固硫灰渣泡沫混凝土制备与性能研究 - 图文

Material Sciences 材料科学, 2024, 10(9), 750-758

Published Online September 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ms https://doi.org/10.12677/ms.2024.109090

固硫灰渣泡沫混凝土制备与性能研究

王 路，杨赞中，山传龙

山东理工大学材料科学与工程学院，山东 淄博

收稿日期：2024年9月2日；录用日期：2024年9月15日；发布日期：2024年9月22日

摘 要

以水泥、固硫灰、渣为主要原料，采用物理发泡的方式制备泡沫混凝土。通过正交试验研究了固硫渣掺量、水泥掺量、水料比、泡沫添量对制品干密度及抗压强度的影响，确定了最优的配合比方案。基于正交试验确定的配合比方案，研究了固硫渣颗粒集配、养护制度对制品抗压强度的影响。通过优化固硫渣颗粒集配、采用40℃恒温养护的方式，对制品抗压强度分别提升72%与59%。在实验室条件下，按照固硫渣：水泥：固硫灰 = 50:35:15、水料比0.36、泡沫添加量1.6L进行配合比设计，调整固硫渣颗粒集配为(6~0.3 mm):(0.3~0.125 mm):(<0.125 mm) = 65:25:15，选用40℃恒温养护、养护14 d，制备出A06级泡沫混凝土，抗压强度达3.83 MPa，固废利用率高达65%。

关键词

固硫灰渣，泡沫混凝土，正交试验，物理发泡

Preparation and Properties Study of Foamed Concrete with CFBC Ash/Slag

Lu Wang, Zanzhong Yang, Chuanlong Shan

School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong

Received: Sep. 2, 2024; accepted: Sep. 15, 2024; published: Sep. 22, 2024

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Abstract

Using cement, CFBC ash and slag as the main raw materials, foam concrete was prepared by phys-ical foaming. Through orthogonal experiments, the effects of CFBC slag content, cement content, water-to-material ratio and foam content on the dry density and compressive strength of the

文章引用: 王路, 杨赞中, 山传龙. 固硫灰渣泡沫混凝土制备与性能研究[J]. 材料科学, 2024, 10(9): 750-758. DOI: 10.12677/ms.2024.109090

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product were studied, and the optimal mix ratio scheme was determined. Based on the mix ratio scheme determined by the orthogonal experiment, the influence of the combination and curing system of sulfur-fixing slag particles on the compressive strength of the product was studied. By optimizing the distribution of solid sulfur slag particles and adopting the method of 40?C constant temperature curing, the compressive strength of the products is increased by 72% and 59% re-spectively. Under laboratory conditions, we design the mix ratio according to the CFBC slag: ce-ment: CFBC ash = 50:35:15, the water to material ratio 0.36 and the foam addition amount 1.6 L, and adjust the concentration of CFBC slag particles to (6 - 0.3 mm):(0.3 - 0.125 mm):(<0.125 mm) = 65:25:15, choose 40?C constant temperature curing for 14 d, prepare A06 foam concrete. The compressive strength is 3.83 MPa, and the solid waste utilization rate is as high as 65%.

Keywords

CFBC Ash/Slag, Foam Concrete, Orthogonal Test, Physical Foaming

Copyright ? 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Open Access 1. 引言

随着我国墙体材料改革与建筑节能政策的推行，泡沫混凝土作为一种节能型建筑材料，其开发和应用受到广泛的重视[1] [2] [3]。尽管目前国内外对现浇泡沫混凝土的研究已经取得了一些进展，但依然存在诸多问题[4] [5] [6]。诸如：原材料选用大量消耗水泥和矿产资源不仅造成制备成本提高、资源浪费，而且对制品性能也有不好的影响，主要表现在开裂、体重大等问题；以固废为生产原料，能够有效降低成本，但是制品性能不佳；生产制备工艺受环境影响，导致制品性能浮动较大，不利于工艺的推广使用。因此，亟需研发容重低、强度高、使用性能好、成本低的泡沫混凝土制备技术。

随着能源资源紧张以及环保排放标准越来越严苛，循环硫化床燃煤技术得到普及，固硫灰渣的排放量也越来越大，但是其资源化利进程缓慢[7]-[12]。固硫渣经过高温煅烧具有优异的力学性能，其酥松多孔的结构，使得炉渣相较于砂石具有更低的密度，采用固硫渣代替砂石应用于泡沫混凝土的制备能够显著降低材料的密度。固硫灰应用与传统混凝土的制备易造成制品体积安定性不良的问题。泡沫混凝土多孔的结构能够有效的克服固硫灰体积膨胀造成的制品安定性不良的问题，固硫灰代替部分水泥，能够有效的降低生产成本，同时对制品的性能影响不大[13] [14]。

基于目前行业发展现状，本论文以固硫渣代替砂石起骨料的作用，固硫灰部分代替水泥起胶凝材料的作用，采用物理发泡的方式制备A06级泡沫混凝土。通过多因素正交试验确定最优的配合比方案，在此基础上对制备工艺进行改进，研究关键共性技术，解决制备过程中的科学及工艺问题；由此，既可为低成本制备高性能泡沫混凝土材料提供理论和技术支持，又可为固硫灰渣资源的材料化高附加值利用探寻一条有效的途径。

2. 试验

2.1. 原料与试剂

固硫灰、渣来自淄博周边电厂，水泥为山东铝业集团生产42.5#普通硅酸盐水泥，自配复合外加剂，减水剂选用市售聚羧酸高效减水剂；自配动物蛋白类发泡剂，稀释倍数40倍、发泡倍数20倍，泌水量

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5.6 g/(L?h)，泡沫密度50 g/L。材料的具体信息如表1~4所示。

Table 1. 42.5# cement physical properties 表1. 42.5#水泥物理性能

比重/(g/cm3)

3.18

比表面积/(m2/g)

0.66

凝结时间/min

水泥安定性

初凝 205

终凝 280

良

抗折/MPa 3 d 4.6

28 d 7.8

强度/MPa 3 d 28.9

28 d 47.9

Table 2. Physical properties of sulfur-fixing ash 表2. 固硫灰物理性能

比重(g/cm3) 比表面积/(m2/g)

2.2

1.41

含水率/w%

3

烧失量/w% 3.52

粒度分布

D10 (μm) 5.56

D50 (μm) 28.5

D90 (μm) 90.3

离散度 2.97

Table 3. Physical properties of sulfur-fixing slag 表3. 固硫渣物理性能

比重(g/cm)

1.1

3

固硫渣原始粒度集配/w%

>6 mm 3.90

6~2 mm 19.25

2~0.3 mm 31.08

0.3~0.125 mm

21.76

0.125~0.088 mm

7.31

<0.088 mm 16.7

Table 4. Chemical composition of cement and sulfur-fixing ash 表4. 水泥与固硫灰化学组成

化学组成/w% 固硫灰 42.4#水泥

SiO2 32.1 21.5

Al2O3 28.7 10.3

Fe2O3 12.2 2.66

MgO 1.29 3.16

CaO 18.2 52.6

Na2O 0.658 0.328

K2O 0.795 0.674

SO3 3.55 3.22

Loss 3.52 2.35

2.2. 正交试验配合比设计

以固硫渣代替砂石起到骨料的作用，以固硫灰代替水泥起到辅助胶凝材料的作用，通过自配外加剂改性，采用物理发泡的方式制备泡沫混凝土。控制外加剂添量不变，改变固硫渣、水泥的配比，用固硫灰的添加量控制干基料的总质量不变。改变泡沫的添加量得到不同容重的泡沫混凝土制品。以固硫渣用量、水泥用量、水料比、泡沫添加量为4个因素，每个因素取四个水平设计L16 (44)正交试验表，正交试验因素与水平如表5所示。

Table 5. Orthogonal test factors and levels 表5. 正交试验因素与水平

因素

水平 1 2 3 4

A (固硫渣用量/w%)

44 46 48 50

B (水泥用量/w%)

33 35 37 39

C (水料比) 0.341 0.349 0.357 0.365

D (泡沫添加量/L)

1.6 1.7 1.8 1.9

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2.3. 泡沫混凝土制备工艺

为了保证料浆的流动性成功制备出泡沫混凝土制品，通过添加减水剂调整料浆的流动度，以等稠度的标准配置泡沫混凝土料浆。将固硫渣、水泥、固硫灰、添加剂，加入搅拌机干拌1 min，之后加入自来水、减水剂低速搅拌1 min，后改为高速搅拌3 min得到水泥料浆；采用真空发泡机将泡沫剂水溶液制备成细腻均匀的泡沫，称取一定体积的泡沫加入到搅拌罐内，高速搅拌40 s后，得到混合均匀的泡沫混凝土料浆，之后浇筑成型，标准养护28 d后测试材料性能。制备流程图，如图1所示。

Figure 1. Foam concrete process flow chart 图1. 泡沫混凝土工艺流程图

2.4. 测试方法

a) 粒度与比表面积分析

使用Mastersizer3000型激光粒度分析仪对1~4#固硫灰粒度进行分析，数据采集速度10 kHz、重复性：≤0.5%、精确度：≤±1%；使用ASAP2460比表面分析仪对1~4#粉煤灰比表面积进行分析。

b) 强度测试

泡沫混凝土力学性能按照《泡沫混凝土制品性能试验方法》(JC/T2357-2016)的要求进行操作。设备：水泥强度试验机，加压速度0.8 KN/s。

c) 化学成分分析

仪器：X射线荧光光谱仪，型号：日本理学ZSX-100e

3. 试验结果与讨论

3.1. 正交试验结果与讨论

正交试验设计与试验结果如表6所示，通过极差分析研究四因素及其不同水平对制品干密度与抗压强度影响程度，极差分析如表7所示。通过极差分析，得到各因素对制品性能影响的显著程度。通过正交试验结果确定制备泡沫混凝土的最优方案。

Table 6. Orthogonal experimental design and results 表6. 正交试验设计与试验结果

试验编号

1

因素

A 48

B 37

C 0.34

D 1.7

制品性能

干密度/(kg/m3)

597

抗压强度/(MPa)

0.84

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Continued

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

46 48 50 50 46 50 46 44 44 46 44 44 48 50 48

35 35 39 33 33 37 39 39 33 37 37 35 33 35 39

0.35 0.36 0.36 0.34 0.36 0.35 0.34 0.35 0.37 0.37 0.36 0.34 0.35 0.37 0.37

1.9 1.6 1.8 1.9 1.7 1.6 1.6 1.7 1.6 1.8 1.9 1.8 1.8 1.7 1.9

564 620 621 578 611 615 570 590 587 555 526 534 514 544 489

0.81 1.36 1.31 0.81 0.77 0.85 0.63 0.92 1.03 0.68 0.90 0.82 0.47 0.73 0.46

Table 7. Orthogonal test range analysis table 表7. 正交试验极差分析表

因素

k1 k2 k3

抗压强度 排秩 最优水平 最优组合 k1 k2 k3

干密度 k4 R 排秩 最优水平 优组合

559 575 555 590 35 3 A4

573 566 573 568 7 4 B2

A4B2C3D1

3 A4

4 B2

A4B2C3D1

570 571 595 544 51 2 C3

598 586 556 539 59 1 D1

1 C3

2 D1

k4 R

A固硫渣 0.92 0.72 0.78 0.93 0.21

B水泥 0.77 0.93 0.82 0.83 0.16

C水料比 0.78 0.76 1.09 0.73 0.37

D泡沫 0.97 0.82 0.82 0.75 0.22

将制品的干密度与抗压强度以柱状图的方式展示出来，如图2所示，以各因素为横坐标，各因素的极差分析结果为纵坐标，画出极差分析图如图3所示。

DOI: 10.12677/ms.2024.109090

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