利用粉煤灰制备土聚水泥的探索研究.doc

湖南科技大学本科生毕业设计 论文 0 目目 录录 标题及中英文摘要 1 1 前言 2 2 土聚水泥的研究现状 3 2 1 土聚水泥的发展历史 3 2 2 土聚水泥的发展前景和研究前景和发展意义 3 2 2 1 发展前景 3 2 2 2 研究和开发土聚水泥的重要意义在于 3 2 3 粉煤灰基土聚水泥的研究及其意义 4 2 3 1 粉煤灰基土聚水泥的研究 4 2 3 2 粉煤灰基土聚水泥的意义 4 3 利用粉煤灰制备土聚水泥的实验方法 4 3 1 土聚水泥的水合反应机理 4 3 2 粉煤灰基土聚水泥实验方案设计和配料计算 5 3 2 1 试验方案设计 5 3 2 2 配料计算 6 3 3 粉煤灰基土聚水泥的制备实验过程 7 3 3 1 粉煤灰基土聚水泥胶砂制备 7 3 3 2 粉煤灰基土聚水泥胶砂试样的实验制备 9 3 4 粉煤灰基土聚水泥胶砂的养护和性能检测 9 3 4 1 粉煤灰基土聚水泥胶砂的养护 9 3 4 2 粉煤灰基土聚水泥胶砂的性能检测 10 4 实验结果讨论 10 4 1 实验结果 10 4 2 影响因素分析 12 4 2 1 粉煤灰掺量 15 4 2 2 碱铝比 16 4 2 3 碱激发剂的模数 16 4 2 4 水铝比 16 4 3 进一步工作设想及前景展望 17 5 结论 17 参考文献 18 致谢词 19 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 1 利用粉煤灰制备土聚水泥的探索研究 作者 周果 指导老师 彭美勋 湖南科技大学 化学化工学院 无机非金属材料工程 摘要 土聚水泥是一种新型的环保节能的硅铝质无机胶凝材料 本实验采用粉煤灰为主要原料通过碱激发作用制 备土聚水泥胶砂试块 并对试样进行力学性能测试 在本次实验中当粉煤灰 高岭土的量为 270 180 碱铝比为 0 35 碱激发剂的模数为 1 5 水铝比为 5 时的试样的抗折 抗压强度可分别达到 10 9Mpa 45 3Mpa 关键词 粉煤灰 高岭土 土聚水泥 Rsearch and exploration on utilizing fly ash to prepare Geopolymeric cement Author Zhou Guo Instructor Peng Meixun Hunan University of Science and Technology School of Chemistry and Chemical Engineering Inorganic nonmetallic material project Abstract Geopolymeric cement is a new kind and environmental energy saving inorganic polymer This paper made the test block of geopolymeric cement of glue sand which use fly ash for the main raw material and is motivated by alkali And then test the performance of the test block In this experiment when the capacity of fly ash and kaolin is 270 180 the ratio of alkali and aluminum is 0 35 modulus of alkali activator is 1 5 and the Ratio of water and aluminum is 5 the bending strength of the test block is 10 9Mpa and compression strength of the test block is 45 3Mpa Key word Fly ash Kaolin Geopolymeric Cement 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 2 1 前言 以工业固体废物粉煤灰为主要原料制备的土聚水泥 是一种新型绿色建筑结构材料 可作为普通 粘土砖和部分水泥制品的更新换代材料 其生产过程符合高效节能和 清洁生产 的环保要求 同时 又可大量消耗已堆存的粉煤灰等工业固体废物 消除这类固体废物造成的大气浮尘污染源 固封其中 的有毒金属和化合物 还可显著减轻生产粘土砖和水泥过程因燃煤而造成的温室气体排放 酸雨污染 和土地资源浪费 因此 研究开发此类材料并使之产业化 具有 一石三鸟之 功效 本课题探索研究利用粉煤灰制备节能环保低资源消耗的新型硅铝质无机胶凝材料 土聚水泥 研 究该种土聚水泥胶砂的抗折和抗压强度等力学性能 探讨影响粉煤灰基土聚水泥胶砂强度的因素 并探讨进一步优化土聚水泥性能的工艺条件 预测其发展前景和进一步工作思路 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 3 2 土聚水泥的研究现状 2 1 土聚水泥的发展历史 土聚水泥材料属于碱激发胶凝材料 这类材料的应用可追溯到古代 即以高岭土 白云岩或石灰 岩与盐湖成分 Na2CO3 草木灰成分 K2CO3以及硅石的混合物 加水拌和后产生强碱 NaOH 和 KOH 与其它组分发生反应 生成矿物聚合粘结剂而制成人造石 20 世纪 30 年代末 Purdon 研究了硅铝矿物和玻璃与 NaOH 溶液的反应 提出了碱激发铝硅酸盐 粘结剂的硬化机理 即硅铝组分溶解于 NaOH 溶液中 然后沉淀出水化硅酸钙和铝酸铝 再产生 NaOH 使反应不断进行 70 年代 Davidovits 等通过对古建筑的研究发现 其所用胶凝材料的耐久性 抗酸 性和抗融冻能力极强 其中不仅含有波特兰水泥所具有的 C S H 凝胶组分 而且含大量的沸石相 80 年代 Malone 等的研究发现 碱激发炉渣水泥的硬化机理为 碱金属 碱土金属离子进入溶液 在炉 渣颗粒表面形成胶状硅酸钠层 铝氧化物直接溶解于硅酸钠中 形成半晶态托贝莫来石 水化铝酸钙 生成并排出水分 最后形成不同组成的沸石及类沸石相 Geopolymer 一词最早由 Joseph Davidovits 1978 提出 其原意指由地球化学作用形成的铝硅酸盐 矿物聚合物 此后 Davidovits 不断改进矿物聚合材料形成的化学机理和力学性能表征 并证实了这类 材料在许多工业领域的应用 Davidovits 最初使用高岭石和煅烧高岭石作为制备矿物聚合材料的铝硅 酸盐原料 1980 年 Mahler 以含水碱金属铝酸盐和硅酸为反应物 取代固体铝硅酸盐 制备了类似的铝 硅酸盐聚合物材料也即土聚水泥 此后 Helferich 和 Shook Neuschaeffer 等先后取得了制备非晶质 铝硅酸盐聚合材料的专利 其制备工艺和材料的化学性能 力学性能等与 Davidovits 的实验相似 Palomo 等以煅烧高岭石为原料 加入硅砂作为增强组分 制备了抗压强度高达 84 3MPa 的土聚水泥 而材料的固化时间仅 24h 20 世纪 90 年代后期 Van Jaarsveld 和 Van Deventer 等致力于由粉煤灰等 工业固体废物制备土聚水泥 土聚水泥及其应用的研究 包括固化有毒金属及化合物等 土聚水泥的 制备工艺简单 能耗低 性能 价格比高 因而引起了国际上的广泛关注 1 然而 迄今国内对土聚水 泥的研究却基本为空白 仅清华大学和苏州混凝土水泥制品研究所做过少量研究 2 但未见发表研究成 果 2 2 土聚水泥的发展前景和研究前景和发展意义 2 2 1 发展前景 现今以工业废渣制备高性能土聚水泥是其国际上的研究主流 其原因是此类材料极有可能成为目 前广泛使用的混凝土潜在的 绿色 替代品 3 大量研究集中于矿物聚合基增强复合材料 通过添 加增强纤维 碳纤维 碳化硅纤维 钢筋 耐碱玻璃纤维 矿棉 有机纤维 和超细粉体 石英 硅灰 氧化锆 纳米粉体等 来改善材料的抗压 抗折强度等力学性能 而具硅铝二硅氧链的聚合物可拉伸 硬化成高硅聚合物薄膜材料 2 2 2 研究和开发土聚水泥的重要意义在于 土聚水泥是一种较好的新型建筑材料 与普通硅酸盐水泥相比它的水化热较低 收缩小 早期 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 4 强度高 且它的各种性能 如抗渗性 耐化学腐蚀性 耐高温性 耐水热作用 可自调温调湿 耐 久性等 都比普通硅酸盐水泥要好 而且相比之下土聚水泥也有较好的资源优势在我国高岭土资源 十分丰富 开发与利用偏高岭土有着很好的条件 我国非含煤高岭土 1996 年探明的储量为 14 32 亿 吨 而含煤高岭土是我国特有的非金属矿 所以在石灰石资源逐渐消耗的今天 土聚水泥有着它独 特的资源优势 再者土聚水泥生产能耗低 其消耗只有陶瓷的 1 20 钢的 1 70 对于我国这样一个能 源比较紧张的国家有着特殊重要的意义 最后在环境污染方面高耗能会带来严重的污染 生产一吨 水泥熟料要放出大约一吨的 CO2而生产土聚水泥相对硅酸盐水泥能减少约 50 60 的 CO2排放 所 以综合上面的情况可知研究和开发土聚水泥有着重要意义 2 3 粉煤灰基土聚水泥的研究及其意义 2 3 1 粉煤灰基土聚水泥的研究 西方发达国家粉煤灰的综合利用率基本达 50 以上 个别国家达 90 以上 国内目前对粉煤灰的 综合利用率只有约 30 左右 与西方发达国家相比利用率较低 大量的粉煤灰得不到有效利用 采 用堆放处理不仅占用了大量的土地 而且还污染环境 因此研究利用粉煤灰制备矿物聚合材料具有 重要的意义 本项拟研究以粉煤灰为主要原料 制备土聚水泥的可行性 确定优化工艺条件 讨论 材料制备过程中的铝硅酸盐聚合反应机理 进而分析影响材料力学性能的主要因素 以期为粉煤灰 废物资源化探索新的技术途径 2 3 2 粉煤灰基土聚水泥的意义 粉煤灰是一种铝硅玻璃质材料 其SiO2和A12O3 的含量之和一般在70 以上 过去利用粉煤灰一 般是利用其潜在的火山灰活性 即在激发剂作用下粉煤灰中活性SiO2 和A1203与CaO反应形成C S H 凝胶与水化铝酸钙产生强度 而采用粉煤灰制备土聚水泥是利用粉煤灰具有活性的铝硅酸盐的特点 选择特定的激发剂对其进行激发 使其中的铝硅玻璃体发生解聚 然后在一定条件下再聚合生成无 机聚合物 从而制备出一种新的无机胶凝材料 这种对粉煤灰的利用 完全不同于在水泥和混凝土 中简单掺人粉煤灰 而是对粉煤灰一种全新的高级利用 由于粉煤灰基矿物聚合物所生成的无机聚 合物与天然矿物材料的组成相似 具有许多硅酸盐水泥所没 有的优异性能 如耐久性好 抗腐蚀能 力强等 所以它不但可以替代水泥 而且可以应用在更多需要胶凝材料的领域 3 利用粉煤灰制备土聚水泥的实验方法 3 1 土聚水泥的水合反应机理 在土聚水泥固化过程中 粉煤灰原料中的铝硅酸盐玻璃相 4 和提钾滤渣的硅铝质胶体颗粒在碱性 条件下发生溶解 形成富含羟基的硅铝酸低聚体 这些低聚体经脱羟基而相互聚合 形成硅铝溶胶相 形成类沸石前驱体 进而生成土聚水泥的硅氧骨架 5 OH OH OH OH O Si OH HO Si O O Si O Si O H2O 1 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 5 OH OH OH OH O O O O O O O Si O Si OH HO Al O Si O Si O Al H2O 2 O O O O O O n Si2O5 Al2O3 2nSiO2 4n H2O NaOH 硅铝质原料 Na n OH 3 Si O Al Si OH 3 3 OH 2 前驱物 在强碱条件下 粉煤灰玻璃相中的硅铝组分大量溶出 在碱硅酸盐液相成分确定的条件下 固 液质量比不影响硅铝主份的溶出速度 而只影响粉煤灰中硅铝组分的溶出量 若固液质量比较低 则溶解出来的硅铝地聚物回迅速发生聚合反应 只是材料的固化时间缩短 颗粒之间的结合性变差 6 在相同的碱性条件下 由于铝原子相对于硅原子具有较高的荷电性因而前者更容易吸引 OH 而形成 Al OH 4 四次配位的铝与硅低聚体之间发生脱羟基聚合反应 形成 Si O Al O Si 在此反应过程中产生水分 在有水气养护条件下不利于反应的进行 而大量的 Al 代替 Si 进入基体 能提高基体相的强度 对土聚水泥的力学性能产生显著影响 液相中的硅酸钠含有大量的硅酸单体 和低聚体 有利于硅铝酸盐聚合反应发生 而 NaoH 含量过高会降低材料基本相中铝硅酸盐的聚合 程度 固提高夜相中硅酸钠含量有利于改善产品的力学性能 3 2 粉煤灰基土聚水泥实验方案设计和配料计算 3 2 1 试验方案设计 本次试验设计的目的是为了找出最优的粉煤灰基土聚水泥的配方 本次正交实验设计是按照三水平四因素设计的 因素既指作试验研究过程的自变量 常常是造 成试验指标按某种规律发生变化的那些原因 水平即指试验中因素所处的具体状态或情况 又称为 等级 运用这样设计主要是因为这样设计完成试验要求所需的实验次数少 数据点的分布很均匀 可用相应的极差分析方法 方差分析方法 回归分析方法等对试验结果进行分析 引出许多有价值 的结论 第一轮实验的设计方案如下 见表 1 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 6 表 1 粉煤灰基土聚水泥正交实验设计 方案一 实验号 粉煤灰 煅烧高岭土 g nR2O nAl2O nSiO2 nR2O nH2O nAl2O3 F1 1450 00 12 05 0 F1 2450 00 23 06 5 F1 3450 00 34 08 0 F1 4360 900 13 08 0 F1 5360 900 24 05 0 F1 6360 900 31 06 5 F1 7270 1800 14 06 5 F1 8270 1800 22 08 0 F1 9270 1800 33 05 0 实验设计的四个因素是粉煤灰和煅烧高岭土 碱铝比 碱激发剂模数 水铝比都是按照 3 个水 平设计的 通过这组方案做出的样品 只有 F1 4 F1 5 F1 9 的强度基本达到要求而在这 3 组里面 F1 9 的 强度又是最高的 具体测试结果见表 10 其余 6 组配方的强度都不能达到实验所需要的结果 所 以必须根据这三组的方案再调整其中的碱铝比 碱激发剂模数 水铝比的数据来设计第二轮实验方 案以达到实验预期的目的 由于第一轮的方案中 F1 9 的强度最高所以第二轮实验的方案应该按照 F1 9 的碱铝比 碱激发剂的模数 水铝比的数据为基础再将其范围扩大 也就得到以下的第二组的 实验设计方案 见表 2 表 2 粉煤灰基土聚水泥实验 方案二 实验号 粉煤灰 锻烧高岭土 g nR2O nAl2OnSiO2 nR2OnH2O nAl2O3 F2 1450 00 251 25 F2 2450 00 31 55 5 F2 3450 00 351 86 F2 4360 900 251 56 F2 5360 900 31 85 F2 6360 900 351 25 5 F2 7270 1800 251 85 5 F2 8270 1800 31 26 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 7 F2 9270 1800 351 55 3 2 2 配料计算 影响用纯偏高岭土制备土聚水泥的 4 因素 A n Na2O Al2O3 0 25 0 3 0 35 B n SiO2 Na2O 激发剂中的比值 1 2 1 5 1 8 C n H2O Al2O3 5 5 5 6 D 粉煤灰 高岭土 450 0 360 90 270 180 假定水玻璃的模数为 Ms 质量浓度 即 Na2O SiO2 的浓度 为 a 比重为 ds NaOH 溶液的摩 尔浓度为 Mnmol L 比重为 dn 将偏高岭土视为理想的 2 SiO2 Al2O3 规定每次试验中偏高岭土用量为 450 克 对各个因素的水平用 ABC 表示 求解 NaOH 溶液所加质量 克 mn或体积 VNa 水玻璃 加量 ms 克 或 Vs 毫升 和水加量 mw 克 若直接加入未溶的苛性碱 质量分别为 mNa 单位 g 则 2 03A mNa 80 0 00193VS 4 B mNa 80 0 00193VS 0 00554VS 5 36 54C VW 0 907VS 6 式中 A B C 是已知的 3 3 粉煤灰基土聚水泥的制备实验过程 3 3 1 粉煤灰基土聚水泥胶砂制备 1 实验仪器 见表 3 表 3 实验仪器及产地 序号实验仪器和设备仪器型号产地 1水泥胶砂搅拌机JJ 5无锡建材议器机械有限公司 2水泥胶砂振实台ZS 15无锡建材仪器机械有限公司 3电动抗折试验机KZJ 500无锡市华南实验仪器有限公司 4水泥抗压夹具40X40无锡市中科建材仪器有限公司 5压力试验机SYE 600无锡市中科建材仪器有限公司 6烧杯 玻棒 量筒等 2 原料 1 粉煤灰成分和产地 见表 4 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 8 表 4 粉煤灰 实验药剂产地主要成分 粉煤灰 湖南湘潭发电有限责任 公司 wt SiO257 94 Al2O324 73 Fe2O32 24 TiO21 00 CaO0 94 MgO1 45 K2O1 63 Na2O0 13 其他 9 94 对粉煤灰进行粒径分布实验 实验结果见表 5 表 5 称取粉煤灰 100g 进行筛分试验 方孔边长 mm粒径范围 mm含量 wt 大于 0 150 0 150 15 0 0761 22 0 076小于 0 07698 10 损失 0 68g 2 石英砂 本实验采用的石英砂参考标准砂的粒径分布进行配制 由于实验条件和周边砂子粒度的限制 实际砂子配比见表 6 表 6 实际用砂的配比 粒径 mm标准砂应有量 kg 实配量 kg 2 0以上00 2 0 1 03318 5 1 0 0 53448 5 0 5 0 152029 8 0 15 0 076122 20 0 076以下11 总和100100 抽样 1kg 进行筛分称量质量得出回收率为 96 97 3 高岭土成分见表 7 表 7 高岭土成分 试验药剂组成 高岭土Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 高岭土结构是由一层 Si O 四面体片和一层 O OH 八面体片组成 所以其晶体结构牢固 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 9 此次实验所用高岭土是商业高岭土 但在实验过程中将其看作为纯高石 且实验所用高岭土的粒度 都小于 0 076mm 4 NaOH 的相关资料见表 8 表 8 NaoH 的相关资料 试验药剂产地标准品牌含量 氢氧化钠 NaOH 固体焦作化电集团红津化工有限公司GB209 93 红三 津 大于 96 高浓度的氢氧化钠溶液是铝硅酸盐聚合反应的激活剂 能够与硅铝质原料反应生成胶体相 5 水玻璃的相关资料见表 9 表 9 水玻璃的相关资料 试验药剂产地模数SiO2含量Na2O 含量比重 水玻璃湘潭玻璃厂3 3 422 27 8 9 1 36g cm3 3 3 2 粉煤灰基土聚水泥胶砂试样的实验制备 实验流程和实验步骤 实验流程见图 1 常温 养护 固化 蒸养 转入 固体反应物料混合水玻璃 碱溶液 搅拌 胶砂 成型脱模检测 图 1 实验流程 配料 按实验设计方案分别称取煅烧高岭土 粉煤灰 石英砂等固相物料 水玻璃和 NaOH 溶 液液相物料 液相物料混合过程搅拌 5min 以促使液相混合均匀 物料混合 将固体物料置于 JJ 5 水泥胶砂搅拌机中混合均匀 然后加入配制好 NaOH 和水玻璃 混合液相并继续搅拌 5min 装模成型 将混合砂浆搅和物置于 40mm 40mm 160mm 涂抹脱模剂 三联模具中 放在 ZS 15 水泥胶砂振实台上振动成型 刮去表层多余砂浆 并将其表面弄平整 即粉煤灰基土聚水泥 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 10 胶砂试样制备完全 3 4 粉煤灰基土聚水泥胶砂的养护和性能检测 3 4 1 粉煤灰基土聚水泥胶砂的养护 将已刮平并仍装于试模内的试块和试模一起用垃圾袋密封 放于烘箱内调到合适温度即 60OC 蒸 养 24h 然后将已固化的试块从烘箱拿出并脱模后对试件进行标号 于室温保湿养护 具体方法是 将脱模后的试件放入塑料袋中保水密封养护 早晚各向试件上洒水以保证试件处于保水状态 6 天 将每组三个试块中的一个试块泡入水中继续养护 将另两个试块拭干表面水分 在半个小时内检测 抗折强度和抗压强度 3 4 2 粉煤灰基土聚水泥胶砂的性能检测 1 抗折强度的检测 将试样擦干净 然后将试样的一个侧面放入型号为 KZJ 500 清除干净的电动 抗折试验机的支撑圆柱上 通过加荷柱以 50 10 N S 1速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面 上 直至断裂再记录数据 注意 接受负荷的两个面应该是试样最光滑的两个面 2 抗压强度测定 将抗折后的两个断块再立即进行抗压实验 将要进行测量的断块放入型号为 40X40 的水泥抗压夹具中 再对其加荷直至被破坏再记录数据 而半截棱柱体中心与抗压机压板受压 中心差应在 0 5mm 内 整个加荷过程中应以 2400 200 N S 1的速率均匀地加荷直至破坏 注意 接 受负荷的两个面应该是试样最光滑的两个面 4 实验结果讨论 4 1 实验结果 试块强度检测结果见表 10 和 11 表 10 第一轮实验的结果 实验号 粉煤灰 煅烧 高岭土 g nR2O nAl2O nSiO2 nR2O nH2O nAl2O3 抗折强度 Mpa 抗压强度 Kn F1 1450 00 12 05 0 F1 2450 00 23 06 5 F1 3450 00 34 08 0 F1 4360 900 13 08 0 F1 5360 900 24 05 02 1915 75 F1 6360 900 31 06 52 8321 81 F1 7270 1800 14 06 5 F1 8270 1800 22 08 0 F1 9270 1800 33 05 07 4163 51 本轮实验由于只有三组配方做出的试样基本符合实验要求 所以无法对实验数据进行分析而达 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 11 到预期的效果 必需在此基础上设计第二轮正交实验 以达到预期的目的 第二轮实验的设计主要 根据第一轮实验中强度最高的第九组数据为根据 将其碱铝比 碱性激发剂模数 水铝比的范围扩 大即得到第二轮的实验设计表 第二轮的实验设计见表 11 表 11 第二轮实验的结果 实验号 粉煤灰 锻烧高岭土 g nR2O nAl2O nSiO2 nR2O nH2O nAl2O3 抗折强度 Mpa 抗压强度 MPa F2 1450 00 251 254 220 2 F2 2450 00 31 55 55 731 3 F2 3450 00 351 863 520 3 F2 4360 900 251 562 07 3 F2 5360 900 31 855 928 F2 6360 900 351 25 59 831 4 F2 7270 1800 251 85 55 319 5 F2 8270 1800 31 264 720 8 F2 9270 1800 351 55 10 945 3 实验数据处理见表 12 和表 13 表 12 煤灰基土聚水泥正交实验抗压强度直观分析表 所在列1234 因素粉煤灰 高岭土碱铝比碱激发剂的模数水铝比抗压强度 KN 实验 1450 00 251 2520 2 实验 2450 00 31 55 531 3 实验 3450 00 351 8620 3 实验 4360 900 251 567 3 实验 5360 900 31 8528 实验 6360 900 351 25 531 4 实验 7270 1800 251 85 519 5 实验 8270 1800 31 2620 8 实验 9270 1800 351 5545 3 均值 123 93315 66724 13331 167 均值 222 23326 70027 96727 400 均值 328 53332 33322 60016 133 极差6 30016 6665 36715 034 均值即是指正交表中的某列中相同水平所对应的试验指标的数字之和的平均值 试验指标 指 作为试验研究过程的因变量 常为试验结果特征的量 极差即是极差指的是各列中各水平对应的试 验指标平均值的最大值与最小值之差 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 12 表 13 粉煤灰基土聚水泥正交实验抗折强度直观分析表 所在列1234 因素粉煤灰 高岭土碱铝比碱激发剂的模数水铝比抗折强度 MP 实验 1450 00 251 254 2 实验 2450 00 31 55 55 7 实验 3450 00 351 863 5 实验 4360 900 251 562 025 实验 5360 900 31 855 975 实验 6360 900 351 25 59 75 实验 7270 1800 251 85 55 325 实验 8270 1800 31 264 725 实验 9270 1800 351 5510 9 均值 14 4673 8506 2087 025 均值 25 9175 4676 2256 925 均值 36 9838 0504 9333 417 极差2 5164 2001 2923 608 相关结果分析 由表 12 和 13 煤灰基土聚水泥正交实验抗折 抗压强度直观分析表可见表中 的第二列的极差是最大的所以碱铝比的数值在实验范围内变化时 使试样的抗折 抗压强度的数值 的变化最大 也就是碱铝比对试样抗折 抗压强度的影响也就最大 由正交试验数据分析表可知第 1 列均值最大的为第 3 水平的均值 第 2 列中均值最大的是第 3 水平的均值 第 3 列均值最大的是第 2 水平的均值 第 4 列均值最大的是第 1 水平的均值 所以表 明当方案中的粉煤灰 高岭土的量为 270 180 碱铝比为0 35 碱激发剂的模数为 1 5 水铝比为 5 时 的试样的抗折 抗压强度是最高的也即为配方中的第九组的方案 所以最优的试样配方为第九组的 配方也即后面表格 14 所示方案 表 14 实验设计最优方案 实验号 粉煤灰 g 锻烧高 g nR2O nAl2O3 nSiO2 nR2O nH2O nAl2O3 烧碱 g 水玻璃 ml 水 ml F2 92701800 351 5528 31928 4 2 影响因素分析 图 2 5 中 纵坐标为粉煤灰基土聚水泥正交实验表中每列中各相同水平的抗压强度的平均值 单位 MPa 横坐标为影响强度大小的 4 个因素 比值无单位 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 13 图 2 粉煤灰量对试样抗压强度的影响 图 3 碱铝比对试样抗压强度的影响 图 4 碱激发剂的模数对试样抗压强度的影响 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 14 图 5 水铝比对试样抗压强度的影响 图 6 9 中 纵坐标为粉煤灰基土聚水泥正交实验表中每列中各相同水平的抗折强度的平均值 单位 MPa 横坐标为影响强度大小的 4 个因素 比值无单位 图 6 粉煤灰量对试样抗折强度的影响 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 15 图 7 碱铝比对试样抗折强度的影响 图 8 碱激发剂的模数对试样抗折强度的影响 图 9 水铝比对试样抗折强度的影响 4 2 1 粉煤灰掺量 由图 2 可知 抗压强度随粉煤灰的掺入量发生变化 在掺入量为 60 100 时 抗压强度逐渐 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 16 发生变化 在掺入量为 60 时 取得最大值 在掺入量为 60 80 之间时抗压强度呈正态分布 随 着粉煤灰的掺入量的增加其抗压强度逐渐变小 在掺入量为 80 时出现最小值 在掺入量为 80 100 之间时抗压强度呈正态分布 随着粉煤灰的掺入量的增加其抗压强度逐渐变大 由图 6 可知 抗折强度随粉煤灰的掺入量发生变化 在掺入量为 60 100 时 抗折强度逐渐 变小 且在粉煤灰的掺入量为 80 时出现一个拐点 土聚水泥中的骨料粉煤灰和煅烧高岭土从结构上讲都属于无定形体 但粉煤灰是在较高温度下 的煅烧产物 其稳定性及表面活性都比煅烧高岭土差 在碱性激发机及煅烧高岭土的联合作用下 粉煤灰颗粒表面可和煅烧高岭土表面发生聚合作用 从而产生强度 而单纯粉煤灰在碱性激发机的 作用下 短时间的养护 所产生的聚合反应有限 颗粒间的强度低 随着粉煤灰的掺入量的增加 出现大量的粉煤灰颗粒 粉煤灰颗粒接触时 这种粉煤灰 粉煤灰间的接触 实际上相当于在试样中 形成了一个微裂纹腔 其强度就会降低 4 2 2 碱铝比 由图 3 可知 抗压强度随碱铝比的变法发生变化 当碱铝比在 0 25 0 35 之间逐渐变化时 抗压 强度逐渐增加 在碱铝比为 0 35 时抗压强度取得最大值 当碱铝比为 0 3 的时候出现一个拐点 而 当碱铝比分别在 0 25 0 3 和 0 3 0 35 范围内逐渐变化时 抗压强度与碱铝比呈一次线性关系逐渐变大 由图 7 可知 抗折强度随碱铝比的变法发生变化 当碱铝比在 0 25 0 35 之间逐渐变化时 抗折 强度逐渐增加 在碱铝比为 0 35 时抗压强度取得最大值 而由正交实验的极差数据分析可知 碱铝比的数值在实验范围内变化时 使试样的抗折 抗压 强度的数值的变化最大 也就是碱铝比对试样抗折 抗压强度的影响也就最大 4 2 3 碱激发剂的模数 由图 4 可知 抗压强度随碱激发剂的模数的变法发生变化 当碱激发剂的模数在 1 2 1 8 之间逐 渐变化时 抗压强度先增加再减小 在碱激发剂的模数为 1 5 时抗压强度出现最大值 且由图可知抗 压强度随碱激发剂的模数变化出现较大的变化 并在碱激发剂的模数为 1 5 时出现一个拐点 由图 8 可知 抗折强度随碱激发剂的模数的变法发生变化 当碱激发剂的模数在 1 2 1 8 之间逐 渐变化时 抗折强度先增加再减小 但在碱激发剂的模数为 1 2 1 5 时变化不是很明显 4 2 4 水铝比 由图 5 可知 抗压强度随水铝比的变法发生变化 当水铝比在 5 6 之间逐渐变化时 抗压强度 逐渐减少 并在水铝比为 5 5 时出现一个拐点 由图 9 可知 抗折强度随水铝比的变法发生变化 当水铝比在 5 6 之间逐渐变化时 抗折强度 逐渐减少 但当水铝比在 5 5 5 的范围内变化时 抗折强度的变化不是很明显 所以由图可知在一定的范围内含水量的多少对土聚水泥聚合反应发生影响并不显著 但含水量 的过多或过少对土聚水泥的有强度显著影响 含水量过少时 影响成型 聚合反应含水量过多时 使碱性激发剂在颗粒之间的溶液中浓度降低 使颗粒间的聚合作用降低 同时 水量的增加 也使 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 17 得试样的气孔率增加 降低了强度 由影响强度大小的 4 个因素的图表分析可知当粉煤灰 高岭土的量为 270 180 碱铝比为0 35 碱激发剂的模数为 1 5 水铝比为 5 时的试样的抗折 抗压强度是最高的也即为方案中的第九组的配 方 所以最优的试样配方为第九组的配方 4 3 进一步工作设想及前景展望 由实验的结果分析可知影响土聚水泥强度大小的主要是粉煤灰掺量 碱铝比 碱激发剂的模数 水铝比 4 个因素 而在本次实验过程中所设计的各因素数据范