李 帥，武文芳，孫瓊會，連明磊，雷以柱，石開儀

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州六盤水553004）

粉煤灰主要來源于火電廠生產(chǎn)用的煤粉爐或沸騰爐，它是煤燃燒后產(chǎn)生的細(xì)粒狀殘?jiān)饕煞质枪?、鋁、鐵、鈣、鎂的氧化物。大量堆放的粉煤灰不僅占用土地，而且污染環(huán)境。而礦物聚合材料的制備就是粉煤灰資源化利用的方向之一［1-3］。

礦物聚合材料屬于一種堿激發(fā)膠凝材料。所謂堿激發(fā)就是用堿使粉煤灰中的Si—O鍵、Al—O鍵發(fā)生斷裂，引發(fā)其活性。激活后的粉煤灰能與水泥、偏高嶺土、砂子等硅鋁酸鹽在攪拌混合條件下發(fā)生聚合，通過成型與養(yǎng)護(hù)等過程生成一種新型非金屬材料。王剛等［4］以粉煤灰和偏高嶺石為主要原料合成礦物聚合材料，3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到39.27 MPa，電鏡分析表明材料內(nèi)部玻璃體結(jié)合程度較高，因此強(qiáng)度也很高。賈屹海等［5］用粉煤灰制備了礦物聚合物，28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到 70 MPa。 Haque［6］使用 F 類粉煤灰替代部分水泥制成了高性能的混凝土，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)111 MPa，比未加粉煤灰的混凝土強(qiáng)度提高了20%。因?yàn)榉勖夯一V物聚合材料具有良好的力學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能，而六盤水地區(qū)又具有豐富的粉煤灰固廢資源，因此利用粉煤灰制備礦物聚合材料具有一定的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值［7-8］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 粉煤灰性質(zhì)

粉煤灰取自六盤水市野馬寨大唐發(fā)電有限公司，其主要化學(xué)成分見表1。由表1看出，粉煤灰主要成分為鋁、硅、鐵的氧化物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為83.58%，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.12%（＜5%），屬于低鈣灰。

表1 粉煤灰化學(xué)成分及含量

采用Winner2005A激光粒度儀測試粉煤灰的粒度分布，結(jié)果見圖1。由圖1看出，粉煤灰D50=24.132μm、D90=76.516 μm，平均粒徑為 33.122 μm。

圖1 粉煤灰粒徑分布圖

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

以粉煤灰、水泥、偏高嶺土（800℃高溫煅燒）、砂子為固體原料 （其中水泥和砂子為普通建筑用料），以氫氧化鈉和硅酸鈉的混合溶液為液體原料（堿激發(fā)劑）。先稱取固體原料，4種原料按照相應(yīng)比例置于水泥膠砂攪拌機(jī)中混合均勻。再準(zhǔn)備液體原料，按照固液比、氫氧化鈉溶液濃度、硅酸鈉占液相比等3個比例配好混合溶液。將混合溶液倒入固體混料中，在攪拌機(jī)中攪拌3 min。把混合膠砂裝入鋼質(zhì)試模（40 mm×40 mm×40 mm）中，振動4 min 成型，在室溫下24 h脫模，繼續(xù)室溫養(yǎng)護(hù)7 d，制得礦物聚合材料［9-11］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)前期多因素逐項(xiàng)探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)原料中加入水泥時聚合材料的強(qiáng)度提高明顯，而不加水泥時材料的強(qiáng)度很小。此次實(shí)驗(yàn)為了考察水泥和粉煤灰與其他因素作用程度的關(guān)系，參照前期單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按照實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)了A～F 6個因素及3水平，見表2。其中摻比指某原料占整個固體混料的質(zhì)量比，而偏高嶺土用量由固體混料總質(zhì)量減去水泥、粉煤灰和砂子的質(zhì)量。對這6因素3水平的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，并且考慮A×B、B×C、B×E的交互作用，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則選擇L27（313）表。6個因素及3個交互作用安排見表3，其中第6列為空白列，故沒有顯示［12-13］。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素及水平

根據(jù)表3的極差結(jié)果得出，較優(yōu)方案可能為A3B3C2D1E2F1，因素影響順序?yàn)?A＞F＞（B×C）2＞（B×C）1＞（B×E）2＞（A×B）2＞B＞（B×E）1＞（A×B）1＞D＞C＞E。因?yàn)榻换プ饔帽容^多，所以還需要通過方差分析來全面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表4。從表4看出，因素A、F對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是高度顯著的，因素B和交互作用A×B、B×C、B×E的影響是顯著的，而因素D有一定的影響作用。但是，由于每個交互作用各占兩列，因此需要單獨(dú)分析各個組合，見表5。從表5看出，A×B作用表，當(dāng)A取第3水平、B取第1水平時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為組合中的最大值32.18，因此可取A3B1，而表3中單獨(dú)分析因素B時得到的較優(yōu)水平是B3。B×C作用表，當(dāng)B取第3水平、C取第1水平時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為組合中的最大值36.59，因此可取B3C1，而表3中單獨(dú)分析因素C時得到的較優(yōu)水平是C2。由于因素C對實(shí)驗(yàn)的影響很小，所以也是可能的。B×E作用表，當(dāng)B取第3水平、E取第3水平時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為組合中的最大值32.06，因此可取B3E3，而表3中單獨(dú)分析因素E時得到的較優(yōu)水平是E2。由于因素E對實(shí)驗(yàn)的影響也很小，所以這也正常。根據(jù)表5得到的較優(yōu)組合為 A3B1、B3C1、B3E3， 其中 B3C1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果值最大，再加上表3中單獨(dú)分析因素B時得到的較優(yōu)水平是B3，所以確定因素B的較優(yōu)水平為B3。

綜上分析，實(shí)驗(yàn)較優(yōu)的組合可能為兩個：A3B3C2D1E2F1、A3B3C1D1E3F1。但是，這兩組均沒有在表3的27次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)過。因此還要根據(jù)兩個較優(yōu)組合再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后測得兩組結(jié)果抗壓強(qiáng)度分別為17.84、18.29 MPa， 抗拉強(qiáng)度分別為 1.29、1.33 MPa。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，可知這兩組均達(dá)到了混凝土C15級別。

表3 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 方差分析結(jié)果

表 5 A×B、B×C、B×E 作用表

3 結(jié)語

1）粉煤灰制備礦物聚合材料是其資源化利用的方向之一，針對六盤水地區(qū)豐富的粉煤灰資源，實(shí)驗(yàn)研究了以粉煤灰、水泥、偏高嶺土和砂子為原料，在堿激發(fā)劑作用下生產(chǎn)聚合材料的可行性，證明了這種膠凝材料具有一定的強(qiáng)度，達(dá)到了混凝土C15級別，可應(yīng)用于建材等方面。2）采用正交實(shí)驗(yàn)，根據(jù)需要考察的因素、水平及交互作用，設(shè)計(jì)了L27（313）正交表，初步達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即在最優(yōu)組合A3B3C1D1E3F1條件下，礦物聚合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到 18.29 MPa、抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1.33 MPa。3）本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)顯示了正交實(shí)驗(yàn)在多因素多水平實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)越性，不僅考察了主要因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度，如得出水泥和硅酸鈉用量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是高度顯著的，還考察了粉煤灰與水泥、砂子、氫氧化鈉的交互作用，得出這3個交互作用對實(shí)驗(yàn)的影響都是顯著的。但是，依然還有很多交互作用沒有考察到，下一步需要根據(jù)分析，繼續(xù)用正交實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。