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创新性实验设计报告实验项目名称 固硫灰制备600Kg/M3泡沫混凝土专 题 姓名 李密 学号 20080060 手机Email 718731793专 业 材料科学与工程班级 材料0802 指导教师及职称 严云（教授） 开课学期 2011 至2012 学年 1 学期提交时间 2012 年 4 月 16 日一、实验摘要随着人们环保意识的增强，火力发电对大气的严重污染已引起人们的高度重视，其主要污染物是向大气排放的SO2及NOx。循环流化床（CFB）燃烧技术是一项近20年发展起来的清洁煤燃烧技术，其主要特点是通过加入含有较高CaCO3的物质，对燃煤过程中产生的SO2进行吸收，降低烟气中SO2的含量，达到保护环境的目的。固硫灰是循环流化床燃煤产生的飞灰，固硫灰与煤粉炉粉煤灰同属烧黏土质掺合料，具有一定的火山灰活性，因此具有较大利用价值，但由于其煅烧工况不同于普通煤粉锅炉，故固硫灰的性质与普通粉煤灰完全不同。以往的粉煤灰综合利用技术不能应用于固硫灰。有必要进行研究。泡沫混凝土是一种多孔结构的人造材料，具有质轻，保温，隔热，吸声隔音，抗震防火，施工简便等优点。采用泡沫混凝土作墙体材料可以大大减轻建筑物自重，同时改善居住条件，节约冬季取暖用煤。因此，泡沫混凝土是绿色墙材。 本实验通过固硫灰-水泥-石灰基体基本性能探究和以此材料为主制备的泡沫混凝土的初步试配，为进一步研究固硫灰的性能及其综合利用提供依据。二、实验目的1.研究固硫灰的标准稠度用水量，凝结时间等基本性能。2.研究不同掺量固硫灰对水泥-固硫灰胶砂强度的影响，研究不同掺量固硫灰，加入生石灰激发剂对固硫灰-水泥-石灰胶砂强度的影响，以2天蒸养模拟固硫灰对水泥-固硫灰胶砂后期强度发展，以此研究固硫灰对系统后期强度的影响。3.研究不同固硫灰掺量对水泥-固硫灰-水系统泡沫混凝土性能的影响，研究石灰激发下的固硫灰-水泥-石灰-水基泡沫混凝土的性能变化。三、实验设计方案1、实验原理 固硫灰本身具有自硬性，水化活性也比粉煤灰强，这些特点决定固硫灰成为一种可以被广泛利用的材料的可能性非常大。固硫灰的主要矿物组成是-石英、型硬石膏、游离氧化钙、未分解的石灰石、钙矾石以及赤铁矿等，由于固硫剂的加入，固硫灰中的CaO和SO3的含量相比同样是燃煤产物的粉煤灰大得多，烧失量大，且由于煤质波动大，固硫剂掺量的波动亦很大，造成固硫灰的化学成分波动很大。固硫灰和粉煤灰相比表观差异较大。固硫灰颗粒表面疏松多孔，主要由形状不规则的球形颗粒组成，表面具有深入颗粒内部的裂纹。目前，利用固硫灰于混凝土中，粉磨到一定细度是改善其性能非常重要的方法，本实验利用粉磨20分钟的固硫灰进行试验，探究其各项性能。通过碱性激发剂（石灰）的作用，激发固硫灰的活性，通过不同石灰掺量，测试固硫灰-水泥-石灰的胶砂强度来确定石灰的最佳掺量，为固硫灰制备泡沫混凝土提供依据。通过正交试验来探究不同水灰比，不同固硫灰，石灰掺量下的泡沫混凝土的各项性能，为制备出符合国家标准的混凝土试块作尝试性的研究。2、实验内容（1）不同掺量固硫灰的固硫灰-水泥基体基本性能：标准稠度用水量、凝结时间（2）固硫灰-水泥-石灰基胶砂性能测试：未掺激发剂（石灰）下，固硫灰掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%时固硫灰-水泥的胶砂强度；固硫灰掺量为10%和20%，蒸养48小时的固硫灰-水泥体系的胶砂强度。因固硫灰的吸水性大于水泥，故此处将用水量定为0.54，而非0.5。不同生石灰掺量（等量取代水泥）（掺量分别为5%、10%、15），固硫灰掺量为20%和50%时固硫灰-水泥-石灰的胶砂强度。水灰比定为0.54。不同固硫灰掺量（50%、55%、60%、65%）对水泥-固硫灰-水系统泡沫混凝土性能的影响，研究石灰激发下（掺量为5%、10%、15%）的固硫灰（掺量为20%、30%、40%、50%、55%）-水泥-石灰-水基泡沫混凝土的性能变化。3、实验计划3.1不同掺量固硫灰的固硫灰-水泥基体基本性能：按照GB1346-2001水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法的要求测定标准稠度用水量、凝结时间。3.2固硫灰-水泥-石灰基胶砂性能测试：（1）通过万能压力机以水泥胶砂的参数为标准，测试在标准养护箱养护3d，大小为40x40x160mm未掺激发剂下的固硫灰-水泥胶砂试块强度，抗折强度以6000N为标准，按水泥胶砂测试方法测定。（2）通过万能压力机以水泥胶砂参数为标准，测试在标准养护箱养护龄期3d，大小为40x40x160mm的，生石灰掺量为5%、10%、15%，固硫灰掺量为20%和50%的固硫灰-生石灰-水泥体系试块的胶砂强度，抗折强度以6000N为标准，按水泥胶砂测试方法测定。（3）通过万能压力机以水泥胶砂的参数为标准，测试在60养护箱养护48小时，大小为40x40x160mm，固硫灰掺量为10%、20%的固硫灰-水泥体系试块的胶砂强度，与单掺水泥试块比较，以此模拟固硫灰对固硫灰-水泥体系后期强度的影响情况。（1） （4）通过万能压力机以水泥净浆的参数为标准，测试在60蒸养箱养护48小时，大小为70.7x70.7x70.7，不同固硫灰掺量（50%、55%、60%、65%）的水泥-固硫灰-水系统泡沫混凝土的抗压强度；测试在生石灰激发下（掺量为5%、10%、15%）的固硫灰（掺量为20%、30%、40%、50%、55%）-水泥-石灰-水基泡沫混凝土的抗压强度。4实验结果4.1.不同掺量固硫灰的固硫灰-水泥基体基本性能标准稠度用水量初凝时间终凝时间固硫灰43%/30%固硫灰+70%水泥36.50%/水泥26.50%177320分析：由于固硫灰的成型温度低，难以形成液相而使固硫灰的表面疏松多孔，吸水性比粉煤灰大很多，比水泥亦大，从数据上也可以看出，纯固硫灰的标准稠度用水量达到了43%，而纯水泥则为26.5%。通过磨细处理，固硫灰的多孔结构部分遭到破坏，使需水量降低，活性也得到一定的提高，膨胀能也能提前释放，对基体的膨胀影响相应的降低。由于时间关系，固硫灰的凝结时间未能测定，但是根据分析，固硫灰的凝结时间比水泥大很多，等量取代水泥后，凝结时间提前，磨细处理，凝结时间提前。4.2 固硫灰-水泥-石灰基胶砂性能测试4.2.1未掺激发剂（石灰）下固硫灰-水泥的胶砂强度其中固硫灰掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%，实验数据如下：固硫灰掺量龄期：3d123平均值10%抗折强度4.83抗压强度23.5224.723.7523.8523.7323.5923.8120%抗折强度3.523.93.883.77抗压强度20.5619.8820.2720.2720.4620.0620.3930%抗折强度2.612.522.472.53抗压强度12.7912.6412.9412.8512.9812.8712.8640%抗折强度1.712.021.891.87抗压强度7.727.727.967.87.767.647.9750%抗折强度1.51.561.661.57抗压强度6.997.167.077.137.267.137.1860%抗折强度1.131.311.171.2抗压强度65.125.074.825.2抗折强度关系如图： 抗压强度趋势如图：分析：随着固硫灰掺量的加大，体系的抗折强度成下降趋势，10%-30%基本上呈等差数列下降，而40%-60%下降趋势趋缓，而抗压强度在固硫灰掺量不大（20%以内）时，强度值下降很慢，超过20%，强度剧烈下降，40%至更大值时下降趋势又趋缓。故一般情况下，固硫灰利用的合理掺量不会很大（可能在20%以内），若考虑复掺其他掺合料和碱性激发剂来提高固硫灰的活性，则其利用的范围应该会更大。至于固硫灰对体系后期强度的贡献，则由下面的实验数据来一定程度的反映。4.2.2固硫灰掺量为10%和20%，蒸养48小时的固硫灰-水泥体系的胶砂强度实验数据4.2.3不同生石灰掺量（等量取代水泥）（掺量分别为5%、10%、15），固硫灰掺量为20%和50%时固硫灰-水泥-石灰的胶砂强度数据4.3.不同固硫灰、石灰掺量的固硫灰-水泥-石灰-水基泡沫混凝土的制备 介于对固硫灰-水泥-石灰基体的研究是为了应用于泡沫混凝土上，故有必要对泡沫混凝土的配合比设计要求及方法进行介绍，具体如下：配合比设计的基本原则：1) 按泡沫混凝土干密度要求, 确定水泥及固硫灰用量；2) 通过水泥及固硫灰用量, 确定泡沫混凝土用水量；3) 按照胶凝材料、用水量, 确定水泥净浆体积；4) 通过水泥净浆体积, 确定泡沫剂体积；5) 按泡沫体积、实测泡沫密度, 确定泡沫质量；6) 根据泡沫质量、泡沫剂稀释倍数, 确定泡沫剂的用量.在确定各物料配合比时, 应注意某些材料的缓凝性, 它们会对早期强度变化特别是料浆的初凝有重要影响, 加量较大时可能会降低浇筑的稳定性, 甚至引起塌模, 因此, 要控制他们的用量. 任何一种设计计算, 与生产实际之间总会存在一定的偏差, 还需要进行反复的调整, 然后才能在生产中应用, 并不断完善.下面以此进行具体的配合比设计（以水泥-固硫灰-水-泡沫为例）干 = Sa( Mc + Mg) , ( 1)Mw =( M c + M g) , ( 2)Sa为质量系数，取1.2计算，Mc为水泥Mg为固硫灰,Mw为水， 为水料比。1 m3泡沫混凝土中, 由水泥、固硫灰和水组成的浆体总体积为 V1, 按式( 3) 计算, 泡沫添加量 V2按式( 4) 计算. 即配制单位体积泡沫混凝土, 由水泥、固硫灰和水组成浆体体积剩余部分由泡沫填充.V 1 =M g/g+Mc/c+Mw/w, ( 3)V 2 = K ( 1- V 1 ) , ( 4)式中: g为固硫灰密度, 取 2 600 kg/ m3; c 为水泥密度, 取 3 100 kg / m3; w 为水的密度, 取 1 000 kg/ m3; V 1为加入泡沫前, 水泥、固硫灰和水组成的浆体总体积( m3) ; V 2 为泡沫添加量( m3) ; K 为富余系数, 通常大于1, 视泡沫剂质量和制泡时间而定, 主要应考虑泡沫加入到浆体中再混合时的损失, 对于稳定性较好的泡沫剂, 一般情况下取 1. 1 1. 3.泡沫剂的用量 Mp按下式计算：My =泡V 2 , ( 5)M p = M y / (+ 1) , ( 6)2式中: My 为形成的泡沫液质量( kg) ; 泡为实测泡沫密度( kg/ m3) ; Mp 为 1 m3泡沫混凝土的泡沫剂质量( kg) 。下面按照固硫灰：水泥=1：1，水料比为0. 5为例进行计算如下：水泥+固硫灰质量：600=1.2*（Mc+Mg），故Mc+Mg=600/1.2=500kg以此得出Mc=250kg,Mg=250kg用水量Mw=0.5*500=250kg净浆体积：V1=250/3100+250/2600+250/1000=0.427M3泡沫体积V2=k(1-V1)=1.2（1-0.427）=0.688M3按泡沫密度为23kg/m3，1：20稀释计算，故My=23*0.688=15.81kgMp=15.81/20+1=0.753kg故得出配比：水泥250kg,固硫灰250kg,水250kg,泡沫剂0.753kg。本实验采用70.7三联模，共需要1.06L体积，取一定的富余系数，按1.2L配置，需要干料600g,由于泡沫的破灭等因素，采用精确的泡沫体积加入很难操作，故实验时采用加入泡沫搅拌至1.2L体积为止，体积的测量以直尺的刻度来确定。值得一提的是，在以后的实验中应当按照称重的方式计算泡沫的准确加入量和由此增加的水料比。泡沫剂的好坏直接影响到试块能否较好的成型，不好的泡沫剂与基体的适应性差，容易破泡，导致塌模，加上固硫灰的凝结时间慢，加剧了试样的成型困难。实际操作中也出现了很多塌模的情况。实验中共测试了3种泡沫剂，第一种泡沫剂在加入料浆后，在表面可以看到明显泡沫快速破灭的现象，且小泡迅速的扩展聚集成大泡，上浮于表面破灭，浆体在几分钟的时间里就可以看到明显的凹陷，几个小时后随即塌陷，在改变泡沫剂稀释比和料浆稠度的情况下，状况仍没有得到明显的改善，可能的原因之一是此种泡沫剂与固硫灰的适应性不好。固硫灰表面疏松多孔，吸水性强，如果水料比过小，固硫灰会吸收泡沫的水分，导致其大量的破裂。如果料浆过稀，大量的水分存在也将导致泡沫的破灭，料浆过稠则由于其内摩擦力过大导致破泡的发生。故一个合适的水料比和合适的料浆稠度是成型成败的重要因素。在试配无果的情况下，改用另一种发泡剂，成型后表面破泡的情况大为改善，塌模的情况大大改观。另外，采用动物发泡剂成型效果明显，表面几乎看不到破泡的情况，显示出其优异的性能，从实际情况考虑，本实验采用第二种发泡剂进行试验，也取得了不错的效果。在设计之初，从强度方面考虑，W/C=0.35-0.5，过低的水料比和固硫灰吸水性的双重作用带来的料浆稠度大幅度增加只能以减水剂来调节至合适的流动度，但实验结果显示，效果出现了很大的差异。随着水料比的降低，减水剂的掺量加大，虽然改善了和易性，但浆体仍然较粘，料浆不易搅拌均匀，浆体结球很严重，试块出现凝结时间缓慢，塌模现象。W/C=0.35,固硫灰50%的一组，减水剂掺量为0.67%，成型的混凝土气孔明显下小上大，上部小孔聚集成大孔，呈现连通状态，下部孔洞扁圆，物料下沉严重，容重不均匀。W/C=0.35，固硫灰65%的一组，减水剂掺量达到了1.1%，此组试块完全塌陷，气泡几乎完全消失，物料浆体下沉成密实状态，顶部有泌水现象，分层明显。随着W/C的增大，气孔和容重逐渐均匀，形状规则，试块没有塌模现象。故在低水料比下浆体和泡沫的相容性问题，试块成型的问题必须得到解决，泡沫混凝土的强度才能有比较大的改观。在初期摸索阶段，采用较大的水料比和掺入碱性激发剂，促凝剂等来逐步探索。以下为实验部分的数据分析。4.3.1 不同W/C,不同固硫灰百分比下泡沫混凝土强度关系实验：正交试验部分设计如下：（W/C=0.45-0.6）W/CMc:Mg质量比Mw实验随机分组0.4550%:50%300:300270140.4545%:55%270:330270130.4540%:60%240:360270120.4535%65%210:39027010.545%55%270:33030070.550%:50%300:30030020.535%:65%210:39030030.540%:60%240:36030080.5540%:60%240:360330150.5535%:65%210:39033040.5550%:50%300:30033050.5545%:55%270:33033090.635%:65%210:390360100.640%:60%240:360360160.645%:55%270:330360110.650%:50%300:30036061-16组为实验组，第17组为较低掺量固硫灰（30%），0.55水料比对比组。测试数据如下：编号脱模重量（g）烘干后质量(g)抗压强度（MPa）均值(MPa)D112581992013.273.54D122662064.21D132571983.13D212311741711.51.53D222301731.7D232221671.4D3121716316621.87D322221681.8D332201671.8D412431811682.11.8D422281671.8D432161571.5D512201641652.12.4D522211652.4D532201642.7D612001461471.72.13D622021472.2D632021472.5D712171641662.372.39D722251701.7D732211682.4D812301731712.022.06D822281701.94D832281712.21D912041518D92188D931901400.85D1012181581561.512.35D1022191562.48D1032201562.21D1111991421421.11.64D1121991421.85D1131991421.42D121/D1222061481481.581.58D123/D131/D132/D1332281721721.651.65D1