粉煤灰基地聚物的抗壓強(qiáng)度及分形維數(shù)研究

劉鳴明+羅浩

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了粉煤灰作為地聚物材料的研究背景，介紹了分形理論的研究方法以及在研究地聚物材料時(shí)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)不同Si/Al比下的粉煤灰地聚物材料的抗壓強(qiáng)度及分形維數(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)調(diào)整原材料Si/Al比，對(duì)地聚物材料的抗壓強(qiáng)度、顆粒表面起伏分維做定量分析得出兩者隨Si/Al比變化的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：粉煤灰地聚物 分形維數(shù) 抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TB528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0103-02

粉煤灰是一種工業(yè)生產(chǎn)排放的硅鋁酸鹽殘?jiān)?，是具有一定火山灰活性的固體廢料，主要收集于煤燃燒后的煙氣管道中，常見于冶煉廠、化工廠及燃煤電廠等。粉煤灰作為一種具有高度分散特點(diǎn)的顆粒集合體，顆粒直徑細(xì)至約1～50μm，形狀多為多孔型蜂窩。粉煤灰也有著較大的比表面積，吸附活性較高，色度跨越從乳白至灰黑，外觀特征與水泥十分相似。

粉煤灰作為我國(guó)排放量最多的工業(yè)廢渣，如何妥善處置以及將它回收再利用，一直是各個(gè)研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者的研究中心。除了少量MgO、TiO2、SO3、FeO、Fe2O3、Na2O和CaO外，粉煤灰的化學(xué)組成主要由SiO2與Al2O3構(gòu)成。因?yàn)榉勖夯业某煞种泻写罅康墓桎X成分，而硅鋁成分是制備地聚物材料時(shí)的主要構(gòu)成成分，所以在過(guò)去的研究中，大量學(xué)者將粉煤灰作為一種合適的原料制備地聚物材料，實(shí)現(xiàn)粉煤灰的回收再利用。

然而由于粉煤灰地聚物材料中發(fā)生的聚合反應(yīng)十分復(fù)雜，最終產(chǎn)物中存在著各種形式的物相，包括固體、液體和氣體（不同位置、不同環(huán)境條件下形成），所以其組成和結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的非線性，因此用傳統(tǒng)的方法研究材料的結(jié)構(gòu)非常困難。而分形理論是一種研究自然界中無(wú)規(guī)則變化現(xiàn)象的新方法，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者基于該理論對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究并獲得了相應(yīng)的成果，為材料結(jié)構(gòu)的研究提供了一個(gè)新的途徑。

1 不同硅鋁比的粉煤灰地聚物材料分形維數(shù)分析

1.1 粉煤灰地聚物材料顆粒表面起伏分維的計(jì)算

顆粒表面起伏分維Dpr求解時(shí)，用不同測(cè)尺長(zhǎng)度對(duì)顆粒邊緣輪廓線進(jìn)行測(cè)量，將不同長(zhǎng)度測(cè)尺下得到的顆粒表面數(shù)據(jù)運(yùn)用線性關(guān)系式在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中對(duì)其進(jìn)行擬合，該直線斜率的負(fù)值即為粒度分維值Dps。其中G2組Si/Al比為1，G3組Si/Al比為1.2，G4組Si/Al比為1.5。三組材料顆粒表面起伏分維值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如表1。

1.2 粉煤灰地聚物材料硅鋁比與材料顆粒表面起伏分維關(guān)系

從圖1中可以看出，本組粉煤灰基地聚物的顆粒表面起伏度在1.20左右變化。隨著材料中Si/Al比的增大，顆粒表面起伏分維數(shù)值愈發(fā)減小。當(dāng)原材料的Si/Al比由G2的1提高到G3的1.2時(shí)，顆粒表面起伏度數(shù)值降低的比例很大，為1.6%。當(dāng)原材料的Si/Al比由G3的1.2提高到G4的1.5時(shí)，顆粒表面起伏度數(shù)值降低的比例較小，只有0.14%。

1.3 粉煤灰地聚物材料顆粒表面起伏分維與材料抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

從圖2中可以看出，當(dāng)顆粒表面起伏分維由1.1906L高至1.1924，地聚物材料抗壓強(qiáng)度提升數(shù)值小，提升速率較大。此時(shí)對(duì)應(yīng)著材料硅鋁比的降低，由G4的Si/Al比1.5降低至G3的Si/Al比1.2。當(dāng)顆粒表面起伏分維由1.1924L高至1.2121時(shí)，地聚物材料抗壓強(qiáng)度數(shù)值提升大，上升速率有所放緩。此時(shí)對(duì)應(yīng)著材料硅鋁比的降低，由G3的Si/Al比1.2降低至G2的Si/Al比1.0。

2 結(jié)論

（1）當(dāng)原材料Si/Al比上升時(shí)，高濃度的可溶性硅阻礙了Si、Al鍵的結(jié)合，從而導(dǎo)致地聚物聚合時(shí)骨骼密度的降低，結(jié)構(gòu)越發(fā)松散，進(jìn)而導(dǎo)致材料的顆粒表面起伏分維下降以及材料的抗壓強(qiáng)度降低。

（2）當(dāng)顆粒表面起伏分維升高時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度數(shù)值也在升高。這是因?yàn)楫?dāng)材料內(nèi)部凝結(jié)緊密時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)生成顆粒表面起伏較大的集團(tuán)粒，這個(gè)時(shí)候顆粒表面起伏分維也將偏大。而當(dāng)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散時(shí)，顆粒表面起伏較小，則顆粒表面起伏分維數(shù)值也較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐紅.粉煤灰的礦物相態(tài)和顆粒組成分析[J].電力環(huán)境保護(hù)，1999，15（4）：24-26.

[2] 張季如，祝杰，黃麗，等.土壤微觀結(jié)構(gòu)定量分析的IPP圖像技術(shù)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（4）：80-83.

[3] 鄭芝恒，高建偉.基于IPP分析的改良土微觀特性研究[J].交通科技，2015（6）：124-127.endprint