浮選脫碳粉煤灰砂漿性能試驗研究

畢雯惠,朱亞光,*,徐培蓁,陳 超,王新波

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525;2.青島市建筑工程管理服務(wù)中心,青島 266000)

粉煤灰作為電力、熱力等行業(yè)的主要副產(chǎn)物,是煤在鍋爐中燃燒時,從煙氣中收集到的一種固體廢棄物,年產(chǎn)量極大。據(jù)統(tǒng)計,我國2018年企業(yè)粉煤灰產(chǎn)生量約5.3 億t,2019年產(chǎn)生量約5.4 億t,同時由于之前長年累月的堆積,貯存較多,粉煤灰的總量較大[1]。如何有效利用粉煤灰是學(xué)者們一直在討論的問題。已有研究表明,粉煤灰作為摻合料用于砂漿或混凝土中時,可有效改善砂漿或混凝土的性能。但由于煤在鍋爐中燃燒時,受燃燒溫度、煤種等多種因素的影響,部分煤不能充分燃燒[2],這些不充分燃燒的煤會以飛灰的形式排出,導(dǎo)致收集到的粉煤灰中含有較多未燃盡碳,粉煤灰燒失量較高,且碳粒粒徑較大,導(dǎo)致粉煤灰的粒徑也較大,用作礦物摻合料時嚴重影響砂漿或混凝土的性能。如果能降低此類粉煤灰含碳量,再作為摻合料應(yīng)用于砂漿或混凝土中,將會有效促進粉煤灰的利用。

浮選法是一種較常見的有效降低粉煤灰含碳量的方法,依據(jù)為粉煤灰中碳粒有較大接觸角,在浮選藥劑作用下能粘附于氣泡表面上浮,而其他成分接觸角小,會留在灰漿中[3],且通過浮選法浮選的碳可二次利用,對碳資源的節(jié)約具有一定作用。但粉煤灰的浮選工藝受多種因素共同作用,目前未見將浮選后粉煤灰用作礦物摻合料的研究。為了探究最優(yōu)浮選工藝以及浮選前后粉煤灰作摻合料對砂漿性能的影響,首先將含碳量較高的粉煤灰進行浮選脫碳處理,利用正交試驗探討浮選因素對粉煤灰燒失量的影響,確定最優(yōu)浮選工藝,再將粉煤灰等質(zhì)量(10%,20%,30%,40%)取代水泥制備砂漿,比較浮選前后粉煤灰對砂漿的強度、流動度及干燥收縮性的影響,并通過壓汞試驗探究浮選前后粉煤灰對砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響。

1 浮選脫碳工藝參數(shù)優(yōu)選

1.1 原材料與試驗流程

粉煤灰采用青島發(fā)電廠儲存的F類粉煤灰(FA),燒失量12.01%,45 μm篩余量55.72%。由《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)可知,作為摻合料用于砂漿中的粉煤灰應(yīng)滿足燒失量≤10%,細度(45 μm方孔篩篩余)≤45%,FA的燒失量與細度均不滿足規(guī)范要求。

浮選試驗采用XFD單槽式浮選機,規(guī)格為1.5 L。具體試驗流程如圖1所示。

圖1 浮選試驗流程

1.2 浮選藥劑的種類選取

捕收劑和起泡劑都是礦物浮選常用的藥劑。捕收劑的加入可以縮短礦物與氣泡的粘附時間,提高未燃炭的可浮性[4]。起泡劑的加入可以形成更穩(wěn)定的氣泡[5],增加碳粒附著氣泡的概率。捕收劑與起泡劑共同作用,可以更好地提高浮選效率。捕收劑分別采用0號柴油和煤油,用量均為1200 g/t,起泡劑分別采用仲辛醇和2號油,用量均為800 g/t,其余條件設(shè)置為礦漿與藥劑作用時間2 min,浮選時間10 min,充氣量0.2 m3/h,礦漿濃度250 g/L,在此配合比條件下進行浮選試驗,測定粉煤灰的燒失量。圖2為不同浮選藥劑作用下的粉煤灰燒失量。

由圖2可知,當采用0號柴油作捕收劑,仲辛醇作起泡劑時,粉煤灰燒失量為5.94%,低于其他條件下所測粉煤灰的燒失量。故后續(xù)試驗采用0號柴油作捕收劑,仲辛醇作起泡劑。

1.3 正交試驗設(shè)計

除了浮選藥劑的種類外,藥劑的用量、礦漿與藥劑的作用時間、礦漿濃度等常見因素都會對浮選效果產(chǎn)生影響,采用六因素三水平正交試驗,以燒失量為評價指標,探究各因素對粉煤灰浮選效果的影響,并選取最優(yōu)浮選工藝。試驗因素分別為A(0號柴油用量,g/t)、B(仲辛醇用量,g/t)、C(礦漿與藥劑作用時間,min)、D(浮選時間,min)、E(充氣量,m3/h)及F(礦漿濃度,g/L),正交表選擇L18(36),具體正交試驗因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平

1.4 結(jié)果分析及浮選工藝優(yōu)選

以編號1為例,代表在0號柴油用量1200 g/t,仲辛醇用量600 g/t,作用時間2 min,浮選10 min,充氣量0.2 m3/h,礦漿濃度150 g/L條件下所得粉煤灰燒失量為3.09%。依次類推,正交試驗方案及結(jié)果如表2所示,方差分析如表3所示。

表2 正交試驗方案及結(jié)果

表3 正交試驗結(jié)果方差分析

利用上述選取的最優(yōu)浮選工藝對FA進行浮選,浮選后粉煤灰的燒失量達到1.55%,精碳燒失量達到48.34%。

2 砂漿試驗

2.1 原材料

水泥為山水牌P·O 42.5水泥,燒失量3.10%,比表面積382 m2/kg。砂子采用天然河砂,細度模數(shù)2.6,屬級配2區(qū),表觀密度2690 kg/m3。

粉煤灰為上述的FA與最優(yōu)工藝浮選后的粉煤灰(FFA),FFA的45 μm篩余量為10.65%。FA和FFA粒度分布曲線如圖3所示,可以看出經(jīng)過浮選脫碳后,FFA的粒徑遠遠小于FA。FA的平均粒徑約56.62 μm,FFA的平均粒徑約26.63 μm。粉煤灰的主要活性成分為SiO2,Al2O3,FA與FFA主要化學(xué)成分如表4所示,比較可知FFA比FA主要活性成分增加8.3%。FA與FFA微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示,可以看出,FA中含有較多不規(guī)則碳粒,碳粒呈現(xiàn)疏松多孔的海綿狀,而FFA中顆粒大多呈現(xiàn)光滑的圓球狀。

表4 FA與FFA的化學(xué)組成 %

圖4 FA與FFA的微觀形貌

2.2 配合比設(shè)計

將FA和FFA均以10%,20%,30%,40%等質(zhì)量取代水泥,以編號FA-10為例,代表浮選前粉煤灰以10%取代水泥。固定水膠比為0.5。具體的砂漿配合比如表5所示。

表5 配合比設(shè)計 g

2.3 試驗方法

試塊的抗壓抗折強度測試依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進行,試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。試塊養(yǎng)護到規(guī)定齡期采用壓力試驗機測3,7,28,56 d抗壓抗折強度。試塊的流動度測試依據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)進行測定。試塊的干燥收縮性能測試參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)進行測定。

采用PM-60-GT-3型壓汞儀進行孔結(jié)構(gòu)分析。采用VEG 3 SBU型掃描電子顯微鏡(SEM)進行微觀形貌分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 FA與FFA對砂漿強度的影響

不同粉煤灰摻量下制成試件的不同齡期強度曲線如圖5、圖6所示。

由圖5可知,粉煤灰的摻入使砂漿早期強度降低,但FFA系列砂漿早期強度略高于FA系列。由圖6可知,相較于FA,FFA可以提升砂漿后期強度,FFA-10,FFA-20的56 d強度均超過N,FFA-20強度最高。與N相比,FFA-20的56 d抗壓強度提高8.68%,抗折強度提高13.64%。

粉煤灰在砂漿中的作用體現(xiàn)在物理活性與化學(xué)活性作用兩方面?；瘜W(xué)活性即火山灰效應(yīng),粉煤灰中的活性物質(zhì)可以與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),生成更多的C-S-H凝膠和AFt晶體,促進了水泥的二次水化,從而提高砂漿強度[6]。在早齡期,粉煤灰的化學(xué)活性作用不明顯,粉煤灰在砂漿中主要起物理填充作用。砂漿強度的產(chǎn)生主要依靠水泥水化反應(yīng)生成的C-S-H和AFt晶體等物質(zhì)。粉煤灰對水泥的取代導(dǎo)致早期參與水化的物質(zhì)減少,水化產(chǎn)物也減少,砂漿強度與N相比有所降低。由于FFA粒徑較FA小,具有更好的填充孔隙作用,且FFA中含有的碳粒較少,碳粒大多呈疏松多孔的海綿狀,會減弱粉煤灰的微集料作用,故FFA系列砂漿早期強度略高于FA系列。

砂漿后期強度的提升除了依靠水泥水化外,粉煤灰的物理與化學(xué)活性也起到極大作用。蒲心誠[7]認為材料后期強度的提升一部分是水泥水化產(chǎn)生的,另一部分是粉煤灰的火山灰效應(yīng)促進水泥二次水化產(chǎn)生的,且試塊的后期強度中粉煤灰的火山灰效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位,物理活性占據(jù)次要位置。通過表4可知FFA的活性成分多于FA,FFA對砂漿后期強度的提升優(yōu)于FA。

通過上述分析,FFA-20力學(xué)性能表現(xiàn)最佳,對其進行7,28 d齡期微觀形貌分析,如圖7所示。

圖7 FFA-20的微觀形貌

由圖7可知,試樣養(yǎng)護至7 d時,FFA-20中存在大量未參與反應(yīng)的粉煤灰顆粒,絮凝狀的C-S-H和針棒狀的AFt較少,結(jié)構(gòu)比較松散,FFA在此時起到的主要是填充孔隙及骨架作用,火山灰效應(yīng)基本還未發(fā)揮作用,對砂漿強度影響不大。而養(yǎng)護至28 d時,FFA的火山灰效應(yīng)作用明顯,FFA-20中C-S-H和針棒狀的AFt增多,提高了砂漿密實度,砂漿強度有較大提升。

3.2 FA與FFA對砂漿流動度的影響

試驗所測砂漿的流動度曲線如圖8所示。

由圖8可知,粉煤灰的摻入對砂漿流動度具有一定改善作用,隨著摻量增大,改善效果更好,且FFA系列對流動度的改善效果優(yōu)于FA系列。與FA-40相比,FFA-40的砂漿流動度提高5.66%。首先,由圖4可知,粉煤灰中含有較多球形顆粒,而水泥多為不規(guī)則的幾何體,粉煤灰填充在砂漿孔隙中,有較強的潤滑作用,可以減弱顆粒之間的相對摩擦力[8];其次,粉煤灰粒徑較水泥小,可以有效改善材料的顆粒級配,增加流動度[9],由圖3可知,FFA中由于大顆粒碳粒減少,球形顆粒增加,填充效果更好,較FA有更好的改善作用。

3.3 FA與FFA對砂漿干燥收縮性能的影響

所測各砂漿試塊的失水率曲線如圖9所示,干燥收縮率曲線如圖10所示。

由圖9可知,粉煤灰的摻入使砂漿失水率增加,摻量越大,砂漿失水率越高,且FFA系列失水率高于FA系列。與FA-40相比,56 d的FFA-40的失水率提高4.33%。砂漿的失水率與內(nèi)部的自由水含量呈正相關(guān),如果自由水含量越多,砂漿的失水率就越高。由于粉煤灰的火山灰活性反應(yīng)速度遠遠低于水泥水化速度[10],當以等質(zhì)量的粉煤灰取代水泥時,水泥用量的減少導(dǎo)致砂漿中水泥水化所需要的自由水含量減少,砂漿內(nèi)部的自由水含量增多[11];同時粉煤灰與水泥相比表面光滑,對水的需求量減少,也使砂漿試塊與基準試塊相比保留較多自由水[12];碳粒易吸水,相比較FA,FFA中碳含量的降低導(dǎo)致FFA的需水量減少,自由水含量增多,故同摻量下FFA系列砂漿的失水率高于FA系列。

對比圖9與圖10可以看出,雖然砂漿失水率隨粉煤灰摻量增加而增加,但干縮率卻隨摻量的增加而降低,且FFA系列的干縮率低于FA系列,FFA對砂漿的干縮性具有更好的改善效果。與FA-40相比,56 d的FFA-40的干縮率下降6.61%。砂漿中自由水的含量對干縮變形不會產(chǎn)生太大影響[13],相較于FFA,FA碳顆粒含量較多,而碳粒多呈疏松多孔的海綿狀,會影響粉煤灰顆粒在砂漿中所起的骨架作用,FFA可以起到更好的支撐和抑制漿體變形的作用;同時FFA含活性成分比FA多,可以更好地促進水泥的二次水化,對砂漿孔徑的填充效果更好,從而對砂漿的干縮收縮性能改善效果更好。

3.4 FA與FFA對砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響

28 d齡期后用壓汞儀所測試樣N,FA-20,FA-40,FFA-20,FFA-40的砂漿孔徑分布如圖11所示。

由圖11可知,粉煤灰的摻入對砂漿孔結(jié)構(gòu)具有較好的改善作用,減少了有害孔(50～200 nm)數(shù)量,增加了無害孔(<20 nm)數(shù)量,且FFA對孔結(jié)構(gòu)改善效果優(yōu)于FA。與FA-40相比,FFA-40中無害孔(<20 nm)所占比例增加30.37%。粉煤灰中含有一些未進行水化或本身活性很低的顆粒,這些顆粒被填充在砂漿孔隙中,使原來的大孔徑被分割成無數(shù)個小孔徑。而FFA比FA有更好的細度和顆粒形態(tài),對孔徑細化效果更顯著,更好地提高了砂漿密實度。

4 結(jié)論

1) 仲辛醇用量對粉煤灰燒失量的影響最顯著,礦漿濃度的影響較顯著,其后依次是0號柴油用量、浮選時間、充氣量,礦漿與藥劑的作用時間對燒失量影響最小。粉煤灰的最優(yōu)浮選工藝為仲辛醇用量1000 g/t,礦漿濃度150 g/L,0號柴油用量1600 g/t,浮選時間12 min,充氣量0.20 m3/h,礦漿與藥劑作用時間3 min,可得到燒失量為1.55%的FFA。

2) FFA對砂漿后期強度有顯著提升作用,與N相比,FFA-20的56 d抗壓強度提高8.68%,抗折強度提高13.64%。

3) 粉煤灰的摻入可以改善砂漿流動度與干燥收縮性,隨摻量增大改善效果更好,且FFA改善效果更優(yōu)。FFA-40較FA-40的流動度提升5.66%,56 d的失水率提高4.33%,56 d的干縮率降低6.61%。

4) 粉煤灰的摻入使砂漿中有害孔(50～200 nm)數(shù)量減少,無害孔(<20 nm)數(shù)量增加,且與FA相比,FFA對孔徑細化效果更好,密實度更高。與FA-40相比,FFA-40中無害孔(<20 nm)的比例增加了30.37%。