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        包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的制備及應(yīng)用分析

        2016-12-24 09:49:56朱萬(wàn)旭酆磊周紅梅欒皓翔秦亦偲
        新型建筑材料 2016年10期
        關(guān)鍵詞:球粒包殼陶粒

        朱萬(wàn)旭,酆磊,周紅梅,欒皓翔,秦亦偲

        (1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西柳州 545006;2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004;3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林 541004)

        包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的制備及應(yīng)用分析

        朱萬(wàn)旭1,2,3,酆磊1,周紅梅1,欒皓翔1,秦亦偲1

        (1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西柳州 545006;2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004;3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林 541004)

        以粉煤灰、普通硅酸鹽水泥及其它添加劑為包裹料,發(fā)泡聚苯乙烯球粒為核芯,摻入一定量的界面改性劑,經(jīng)配料、成球、自然養(yǎng)護(hù)等工藝,能夠得到一種用灰量大、筒壓強(qiáng)度高、堆積密度低的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒。以該自制陶粒為骨料,利用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥為膠凝材料,輔以減水劑,制備出一種新型地鐵軌道吸音板。試驗(yàn)分析了不同工況下隧道內(nèi)隧道壁測(cè)點(diǎn)和道床測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)效果。結(jié)果表明,在潮濕吸音板干燥后工況下降噪效果最佳,在干吸音板工況下降噪效果較差。對(duì)于隧道壁測(cè)點(diǎn),吸音板對(duì)于250 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段。

        粉煤灰;免燒結(jié);陶粒;吸音板;降噪

        0 前言

        我國(guó)電力工業(yè)的快速發(fā)展,使得粉煤灰的排放量急劇增加,2010年粉煤灰排放量達(dá)4.8億t,到2016年排放量將達(dá)到約6億t,給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力[1]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)許多高校與科研機(jī)構(gòu)在粉煤灰利用開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了大量的研究工作,并取得了豐碩的成果,但是粉煤灰排放量巨大,開(kāi)發(fā)粉煤灰綜合利用新工藝仍然非常有必要[2]。

        粉煤灰陶粒的生產(chǎn)主要分為燒結(jié)型和免燒結(jié)型2種。燒結(jié)型采用燒結(jié)機(jī)法和回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn),而且燒結(jié)型需要1300℃以上高溫焙燒,生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜、投資大、能耗及產(chǎn)品成本高。免燒結(jié)型采用蒸汽養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)法生產(chǎn)粉煤灰陶粒,生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、投資小、成本低、節(jié)能環(huán)保,因此備受?chē)?guó)內(nèi)外人士的青睞[3]。免燒結(jié)粉煤灰陶粒的堆積密度一般在800~1000 kg/m3,在一定程度上制約了它的發(fā)展和應(yīng)用。針對(duì)這一問(wèn)題,本文研究了利用粉煤灰、普通硅酸鹽水泥及其它添加劑為包裹料,對(duì)發(fā)泡聚苯乙烯球粒進(jìn)行包裹的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的制備方法,技術(shù)性能和應(yīng)用進(jìn)行了研究。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1實(shí)驗(yàn)原材料

        粉煤灰:Ⅱ級(jí),外觀呈暗灰色,細(xì)度為0.045 μm篩篩余18.4%,廣西柳州發(fā)電有限責(zé)任公司,化學(xué)成分見(jiàn)表1。

        表1 粉煤灰的主要化學(xué)成分%

        水泥:柳州魚(yú)峰水泥集團(tuán)生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,安定性合格,表觀密度3100 kg/m3。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

        表2 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

        發(fā)泡聚苯乙烯球粒:粒徑3~5 mm,堆積密度6.2~6.5 kg/ m3,導(dǎo)熱系數(shù)0.02~0.03 W/(m·K)。

        激發(fā)劑:細(xì)磨生石灰粉、熟石膏。

        外加劑:水玻璃。

        界面改性劑:三乙醇胺。

        1.2包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的生產(chǎn)工藝流程(見(jiàn)圖1)

        圖1 包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的生產(chǎn)工藝流程

        1.2.1發(fā)泡聚苯乙烯球粒界面處理

        未經(jīng)表面處理的發(fā)泡聚苯乙烯球粒無(wú)法與粉料進(jìn)行包裹,需噴涂界面改性劑,對(duì)其表面進(jìn)行粗糙化處理,使粉料能夠容易包裹其表面。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),確定了一種價(jià)格低廉、粘結(jié)性高、成球過(guò)程中不易破殼的有機(jī)類(lèi)化合物三乙醇胺作為界面改性劑。

        1.2.2造粒制備

        將上述經(jīng)表面處理的發(fā)泡聚苯乙烯球粒投入造粒機(jī)(見(jiàn)圖2)中,調(diào)節(jié)好造粒機(jī)的轉(zhuǎn)速和傾斜角,逐步撒入粉料,并向混合料中噴入霧化水,造粒機(jī)內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),繼續(xù)進(jìn)行噴霧使球粒的包殼尺寸逐漸增大,以達(dá)到所需要求。

        圖2 造粒機(jī)

        1.2.3造粒參數(shù)確定

        造粒過(guò)程參數(shù)主要有造粒機(jī)轉(zhuǎn)速、傾角、粉料加入時(shí)間、霧化水噴灑時(shí)間等。另外,粉料加入位置、霧化水噴灑位置與最終水灰比也是影響陶粒質(zhì)量的重要因素。

        1.2.4造粒養(yǎng)護(hù)工藝

        剛包殼成球的陶粒強(qiáng)度較低,轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中操作不當(dāng)很容易造成破損。因此,及時(shí)進(jìn)行堆存和養(yǎng)護(hù)對(duì)該陶粒的強(qiáng)度影響很大。該陶粒的早期養(yǎng)護(hù)在塑料桶中進(jìn)行,約20min陶粒開(kāi)始發(fā)熱,溫度逐漸升高,加速粉料的硬化,有助于提高球粒與粉料的粘結(jié)強(qiáng)度。此時(shí),對(duì)該陶粒進(jìn)行封閉保濕養(yǎng)護(hù),24h后進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù),然后封存使其強(qiáng)度繼續(xù)提高,自然養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行性能測(cè)試。試驗(yàn)制備的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒如圖3所示。

        圖3 包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒

        2 包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的主要技術(shù)性能

        堆積密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率是包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的主要技術(shù)指標(biāo),并決定其使用價(jià)值和應(yīng)用范圍。依據(jù)GB 17431.1—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第1部分:輕集料》要求,對(duì)試驗(yàn)所獲得的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒進(jìn)行性能比較,按GB 17431.2—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第2部分:輕集料試驗(yàn)方法》進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)的16批陶粒配方及其主要技術(shù)性能見(jiàn)表3、表4。

        表3 包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的試驗(yàn)配方

        表4 包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的主要技術(shù)性能

        從表4可以看出,按F15配方制備的陶粒堆積密度適中,筒壓強(qiáng)度和吸水率高。由此最后確定制備包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的試驗(yàn)配方為:m(粉煤灰)∶m(水泥)∶m(聚苯乙烯球粒)∶m(激發(fā)劑)∶m(外加劑)∶m(界面改性劑)=213∶42∶19∶17∶10∶9。

        2.1堆積密度

        從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看,該陶粒的堆積密度為500~650 kg/m3,比實(shí)心自然養(yǎng)護(hù)粉煤灰陶粒低1~3個(gè)等級(jí),相當(dāng)于普通陶粒的600、700密度等級(jí)。影響該陶粒堆積密度的主要因素是包殼的厚度,在聚苯乙烯球粒粒徑相同的情況下,包殼厚度越厚,堆積密度越大。包殼厚度相近的情況下,聚苯乙烯球粒粒徑越大,其堆積密度也越大。

        2.2筒壓強(qiáng)度

        從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,不同堆積密度的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的筒壓強(qiáng)度一般為0.4~1.6 MPa,比GB 17431.1—2010中的普通輕粗集料、超輕粗集料低1~2個(gè)等級(jí)。該陶粒筒壓強(qiáng)度偏低的主要原因是聚苯乙烯球粒的包殼結(jié)構(gòu)與普通實(shí)心陶粒結(jié)構(gòu)不同。一方面,薄殼結(jié)構(gòu)抗彎應(yīng)力的能力小,在很小的點(diǎn)接觸壓力下就被擠破,導(dǎo)致筒壓強(qiáng)度降低。另一方面,包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒粒徑過(guò)于均勻,堆積時(shí)空隙率偏大,造成筒壓強(qiáng)度偏低。但是這些空隙的存在使吸聲性能得到有效的提高。

        3 包殼層增強(qiáng)機(jī)理分析

        3.1主要原理

        從物相結(jié)構(gòu)上看,粉煤灰活性的來(lái)源主要來(lái)自鋁硅玻璃體,這種非晶質(zhì)的玻璃相處于暫時(shí)穩(wěn)定的狀態(tài),但它始終保持著向更加穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。提高粉煤灰活性的根本機(jī)理和途徑就是打破它所處的介穩(wěn)狀態(tài),使粉煤灰游離出更多可溶性的SiO2和Al2O3,它們與石灰或水泥水化生成的Ca(OH)2作用,生成具有水硬性的膠凝材料水化硅酸鈣和含鋁水化合物,從而使陶粒產(chǎn)生強(qiáng)度。

        3.2激發(fā)劑的激發(fā)作用

        3.2.1生石灰的激發(fā)作用

        受天然火山灰加石灰制備膠凝材料的啟發(fā),將生石灰作為激發(fā)粉煤灰活性的首選材料。由于粉煤灰呈酸性,在強(qiáng)堿的作用下粉煤灰會(huì)受到強(qiáng)烈的侵蝕作用,能打破玻璃體表面的Si—O、Al—O鍵。CaO的水化產(chǎn)物Ca(OH)2與SiO2和Al2O3化合生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。由于CaO在水化過(guò)程中極具活性,進(jìn)一步加速這一反應(yīng)過(guò)程。

        3.2.2熟石膏的激發(fā)作用

        本實(shí)驗(yàn)所用的熟石膏含硫酸鹽(硫酸鈣),硫酸鹽可激發(fā)粉煤灰、生石灰系統(tǒng)的水化反應(yīng),其機(jī)理為:熟石膏先水化生成二水石膏,粉料加水混合后,生石灰溶解于水產(chǎn)生OH-和Ca2+離子,OH-能破解粉煤灰鋁硅玻璃體中的Si—O和Al—O鍵,在硫酸鹽作用下,Ca2+與破解的Si—O、Al—O鍵反應(yīng)生成具有水硬性的膠凝材料產(chǎn)生強(qiáng)度。經(jīng)XRD圖譜分析,發(fā)現(xiàn)大部分水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)、水化鋁酸鈣(C-A-H)和鈣礬石(A-F),是陶粒產(chǎn)生一定強(qiáng)度的主要原因。

        3.2.3水玻璃的激發(fā)作用

        水玻璃除了能作為粘結(jié)劑之外,還可以起到激發(fā)劑的作用。水玻璃的主要成分是Na2O·nSiO2,在水溶液中發(fā)生水解反應(yīng),而生成的硅酸溶膠SiO2并不穩(wěn)定,其中一部分Si—O鍵容易互相交聯(lián)形成網(wǎng)狀聚合物。另有少量硅酸溶膠SiO2,在堿性環(huán)境中與粉煤灰玻璃體進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)。水玻璃的加入,配合了生石灰和石膏的激發(fā)作用,更好地提高了粉煤灰玻璃體的激發(fā)效果。

        4 應(yīng)用

        目前,國(guó)內(nèi)外地鐵軌道上無(wú)砟軌道道床的吸音板材料的骨料主要為:陶瓷類(lèi)、輕質(zhì)混凝土類(lèi)、無(wú)機(jī)類(lèi)、燒結(jié)陶粒類(lèi)[6-7]。本實(shí)驗(yàn)制備的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒主要作為地鐵吸聲材料的骨料,以水泥作為膠凝材料,輔以減水劑,經(jīng)混合、攪拌、壓制及養(yǎng)護(hù)等工藝制作出一種新型地鐵軌道吸音板[9]。

        4.1吸音板制作工藝

        吸音板主要原材料為自制包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒、普通硅酸鹽水泥和外加劑,其配合比見(jiàn)表5。

        表5 包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒吸音板的配合比

        單塊板的尺寸為1180 mm×1000 mm×170 mm。模具分2部分,側(cè)板和蓋板。采用線(xiàn)切割的鋼模制作吸音板,減小其安裝過(guò)程中的累積誤差,確保吸音板的精確安裝。陶粒吸音板模具如圖4所示。

        圖4 吸音板模具

        包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒吸音板制作過(guò)程為:(1)組裝模具并在其表面涂上機(jī)油;(2)按配合比計(jì)算稱(chēng)量所用原材料;(3)將自制陶粒、水泥投入強(qiáng)制式攪拌機(jī)中,使拌合料充分混合均勻,將減水劑與拌合水混合慢慢加入拌合料中;(4)待攪拌數(shù)分鐘,拌合料成半干松狀態(tài)時(shí),將其到入模具中并壓制成型;(5)0.5 h后拆模,吸音板試塊用塑料薄膜覆蓋并進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù);(6)試塊養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7 d;(7)養(yǎng)護(hù)后使其在空氣中自然干燥。制備的軌道吸音板如圖5所示。

        圖5 吸音板

        4.2檢測(cè)方法

        為檢測(cè)軌道吸音板的降噪性能,在北京交通大學(xué)地下與隧道工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)試。首先,將吸音板安放在軌道內(nèi);其次,通過(guò)一臺(tái)軌道振源發(fā)生器SBZ30(如圖6),用于模擬列車(chē)噪聲;然后,在道床和隧道壁分別安裝測(cè)點(diǎn),利用INV 3018C型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀和INV9206型聲壓傳感器采集數(shù)據(jù);最后,通過(guò)測(cè)試吸音板放置前后混響時(shí)間的差值,依據(jù)無(wú)吸音板工況、安裝干燥吸音板工況、安裝半飽和(含水)吸音板工況、安裝飽和(含水)吸音板工況、潮濕吸音板干燥后工況的吸聲數(shù)據(jù),推導(dǎo)出隧道內(nèi)聲壓級(jí)衰減值,從而對(duì)吸音板的吸音性能進(jìn)行分析。

        無(wú)吸音板工況是指在隧道工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不安裝吸音板(背景);干燥吸音板工況是指在驗(yàn)室內(nèi)安裝,在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d后的干燥吸音板;飽和(含水)吸音板工況是指安裝含水率約為90%~100%的吸音板;半飽和(含水)吸音板工況是指安裝含水率約為50%的吸音板;潮濕后干燥吸音板工況是指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝,在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度95%條件下養(yǎng)護(hù)28 d后的干燥吸音板。

        圖6 列車(chē)噪音模擬設(shè)備

        4.3降噪效果分析

        將道床測(cè)點(diǎn)和隧道壁測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)倍頻程譜測(cè)試結(jié)果進(jìn)行平均,對(duì)比各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)倍頻程譜如圖7、圖8所示。

        由圖7、圖8可見(jiàn):

        (1)干吸音板工況下,道床聲壓級(jí)(A)有效值降低4 dB,平均值降低4 dB,最大值降低3.3 dB。隧道壁聲壓級(jí)有效值降低4.1 dB,平均值降低4.3 dB,最大值降低3.4 dB。

        圖7 不同工況隧道壁1/3倍頻程中心頻率

        圖8 不同工況道床1/3倍頻程中心頻率

        (2)飽和(含水)吸音板工況下,道床聲壓級(jí)(A)有效值降低5.1 dB,平均值降低5.1 dB,最大值降低4.7 dB。隧道壁聲壓級(jí)(A)有效值降低5.1dB,平均值降低5.1dB,最大值降低4.2dB。

        (3)半飽和(含水)吸音板工況下,道床聲壓級(jí)有效值降低5.5 dB,平均值降低5.5 dB,最大值降低5.1 dB。隧道壁聲壓級(jí)有效值降低4.9 dB,平均值降低4.9 dB,最大值降低4.7 dB。

        (4)潮濕吸音板干燥后工況下,道床聲壓級(jí)有效值降低5.5 dB,平均值降低5.5dB,最大值降低5.6dB。隧道壁聲壓級(jí)有效值降低5.5dB,平均值降低5.5dB,最大值降低4.8dB。

        (5)對(duì)于道床測(cè)點(diǎn),吸音板對(duì)于100 Hz以下、500 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段;對(duì)于隧道壁測(cè)點(diǎn),吸音板對(duì)于250 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段。

        5 結(jié)論

        (1)包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的原料以粉煤灰為主,沒(méi)有原料的地區(qū)限制,可減少電廠(chǎng)排灰的占地面積,有利于治理環(huán)境污染,是工業(yè)廢料資源化利用的有效途徑之一。

        (2)該陶粒只需要自然養(yǎng)護(hù),無(wú)環(huán)境污染,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,投資相對(duì)不大,可有效地降低陶粒的制作成本。

        (3)以包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒為骨料制作的吸音板,在干吸音板工況下道床和隧道壁降噪較差,有效值降低4.3dB;飽和(含水)吸音板和半飽和(含水)吸音板工況下道床和隧道壁降噪效果一般,有效值分別降低5.1、4.9dB;潮濕吸音板干燥后工況下道床和隧道壁降噪效果最佳,有效值降低5.5dB。

        (4)利用自制陶粒制備的吸音板,由聲壓級(jí)時(shí)程測(cè)試結(jié)果可知,陶粒吸音板的降噪效果都達(dá)到3~5 dB且吸音效果穩(wěn)定。對(duì)于道床測(cè)點(diǎn),吸音板對(duì)于100 Hz以下、500 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段;對(duì)于隧道壁測(cè)點(diǎn),吸音板對(duì)于250 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段。

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        Analysis of preparation and application of shell type non-sintered fly ash ceramsite

        ZHU Wanxu1,2,3,F(xiàn)ENG Lei1,ZHOU Hongmei1,LUAN Haoxiang1,QIN Yicai1
        (1.College of Civil and Architecture Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China;2.Guangxi Key Laboratory for Geotechnics,Guilin 541004,China;3.College of Civil and Architecture Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

        With fly ash,ordinary Portland cement and other additives for the package material,polystyrene spheres as core,the incorporation of a certain amount of interface modifier,through dosing,ball forming,natural curing process,shell type non-sintered fly ash ceramsite with mass ash,high cylinder pressure intensity,and low bulk density was obtained.Using the self-made ceramsite as aggregate,using 42.5 ordinary Portland cement as cementitious material,supplemented by water reducing agent,a new type of track sound-absorbing panels was prepared.The measure point and its sound pressure level effects on tunnel wall are measured under different conditions.Results show that under dry condition of sound-absorbing panels(wet and dry)noise reduction effect is the best while in dry sound-absorbing plate under the condition of noise reduction effect is poor.The noise reduction effect of sound-absorbing board above 250 Hz band is better than other band.

        fly ash,non-sintered,ceramsite,acoustic board,noise reduction

        TU55+2

        A

        1001-702X(2016)10-0090-05

        2016-04-13

        朱萬(wàn)旭,男,1972年生,廣西玉林人,教授,主要從事建筑新材料研發(fā)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)及相關(guān)研究開(kāi)發(fā)。

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