浮选脱碳工艺对粉煤灰加气砼砌块性能的影响.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 27 日 作者简介：范卉娟（1980），女，山西襄汾人，汉族，工程师，主要从事工业固废综合利用研究工作，。-32-浮选脱碳工艺对粉煤灰加气砼砌块性能的影响 范卉娟 史雪峰 田 华 张慧月 杨朝刚 宝武环科山西资源循环利用有限公司，山西 太原 030003 摘要：摘要：粉煤灰浮选脱碳工艺已经广泛应用于粉煤灰行业，本试验以太钢粉煤灰为主要原料，分别对比了浮选脱碳粉煤灰以及常规粉煤灰对加气砼砌块性能的影响。试验结果表明：经浮选脱碳后的加气砼抗压强度为 10.78MPa，常规加气砼为 8.52 MPa，在抗压强度方面提高较为显著。浮选脱碳后的加气砼的水化反应程度更高，从 XRD 衍射分析中可知，脱碳后的粉煤灰所生产的 C-S-H 胶凝物质结晶度更高。浮选脱碳工艺可生产碳含量为 60%的产品，其产率为 14%，有利于低碳循环经济的发展。关键词：关键词：粉煤灰；浮选；脱碳；加气砼 中图分类号：中图分类号：X77 0 引言 粉煤灰加气砼是一种利用粉煤灰作为原料制备的轻质混凝土1。加气砼的制备过程中利用发泡剂和料浆的特性，能够在浇注阶段形成大量微小气泡来减轻混凝土的密度，从而获得轻质结构材料2。相比于常规混凝土，粉煤灰加气砼的密度较低，隔热和保温性能良好，同时具有良好的耐磨性、抗冻性和耐化学侵蚀性等特点3。近年来，随着采煤机械化、深入化程度的增高，低变质程度的煤炭使用量逐渐增多，且呈现出微细粒化、高灰分化等特点。这就使得燃煤发电厂产生的粉煤灰品质变差，其未燃尽的碳、硫化物等杂质也逐步升高，这些杂质会显著影响粉煤灰加气砼的强度以及耐久性能4。李小娟5 等对不同碳含量的粉煤灰制备水泥浆体，研究表明粉煤灰中碳含量的增加会显著降低浆体的流动度。张俊萍6 等使用不同碳含量的粉煤灰制备混凝土后发现，随着粉煤灰碳含量的增加，混凝土的扩展度和流动性逐渐变差直至不能满足工作性能的要求，在后期可能出现体积收缩，导致混凝土开裂的风险增加。在制备粉煤灰加气砼时也存在相同问题，若浆体流动度变差，需要额外的再加入一定量的水来进行稀释，若不进行稀释又会影响后续发气过程，因此，粉煤灰的含碳量对粉煤灰加气砼的强度有着重要影响。今年来，粉煤灰浮选脱碳工艺也成为了行业热点问题，其原理是通过泡沫浮选工艺，利用粉煤灰与碳、硫等杂质表面的亲疏水性的差异，实现二者分离。胡振文7等通过对高碳粉煤灰进行磨矿-浮选后可获得产率为 60%，烧失量仅为 0.63%的一级粉煤灰产品，证明了浮选脱碳工艺的可靠性。毕雯惠8等通过正交试验的方法获得了最佳的粉煤灰浮选脱碳条件，并将其应用于水泥砂浆中，于基准砂浆相比，56 d 抗压强度提高8.68%，抗折强度提高 13.64%。上述研究均能取得良好的脱碳效果，但少有将其应用于粉煤灰加气砼产品中的研究。因此，本试验结合粉煤灰加气砼工艺，研究了太钢粉煤灰浮选脱碳制备加气砼砌块的可行性，为粉煤灰综合利用提供新思路。1 试验原料分析 1.1 试验原料 试验所用粉煤灰来自于宝武环科山西公司，是由太钢的煤粉炉发电机组产生的，粉煤灰的主要化学成分如表 1 所示，XRD 图谱如图 1 所示。图 1 粉煤灰 X 射线衍射图 由表 1 可知，粉煤灰中 SiO2含量为 46.30%、Al2O3中国科技期刊数据库 工业 A-33-含量为 33.37%，其活性较高，是生产建筑材料的优质原料。粉煤灰的 C 含量为 8.29%，可通过浮选进一步脱碳，以提高粉煤灰的质量。由图 1 可知，构成粉煤灰的主要相为非晶玻璃体，少量的石英，以及高温燃烧冷却过程中生成晶体相莫来石，其分子式为3Al2O32SiO2。莫来石具有高硬度、高熔点，是制备建筑材料和耐火材料的优质原料，粉煤灰中莫来石的含量高低也能说明粉煤灰的品质。2 试验方案 2.1 主要设备及参数 Bettersize3000 激光粒度仪，粒径测试范围0-1000m；ZSX Primus IV X 射线荧光光谱仪，使用压片法对粉煤灰进行多元素分析；XFD 1L 浮选机，转速 2000r/min，充气量 40L/h；真空抽滤机；干燥箱，干燥温度 50-100；电子天平；三头研磨机；箱式电阻炉，焙烧温度 950，焙烧时间 2h；万能试验机，加压速率 1mm/min；D8 DISCOVER A25 X 射线衍射仪，在 40 kV、44 mA 和 10o/min 的扫描速率操作条件下进行。2.2 浮选试验 本试验选择煤油作为捕收剂，添加量 800g/t，仲辛醇作为起泡剂，添加量 150 g/t，粉煤灰的烧失量测定依照 GBT 176-2017 水泥化学分析方法进行。浮选流程如图 2 所示，采用一段浮选工艺。首先将原料进行烘干，温度为 100，时间 2h；称取 400g 粉煤灰置入 1L 的浮选槽中，加水没过刻度线；开启叶轮搅拌，调浆时间为 5min；添加捕收剂 3min；添加起泡剂 1min；开启充气10s后进行刮泡，直至泡沫层中无矿物浮出，结束浮选。图 2 粉煤灰浮选流程图 2.3 加气砼试验 将原料分为两组即，常规粉煤灰和浮选脱碳粉煤灰（以下简称浮选粉煤灰）。准备两组模具 10*10*10cm，涂好脱模剂，打开干燥箱，温度 50 摄氏度；将粉煤灰、生石灰、水泥、水按照 1:1:0.4:0.1 的配比称重，倒入搅拌机中，混合 5min；将 2g 铝粉膏调配在少量水中与浆料混合，迅速搅拌 10s，立即倒入模具中；将制备好的样品放入烘箱；待其硬化后，进行切割，待其固化后进行脱模，并放入蒸压釜内，在压力 1.0MPa，200的条件下，水热蒸养 10h；蒸压完毕，测量抗压强度并进行物相分析。试验流程如图 3 所示。图 3 试验流程图 3 结果与讨论 3.1 粒度分析 对常规粉煤灰以及浮选粉煤灰进行粒径分析，结果如图 4 所示。由图 4 的粒径分布结果可知，常规粉煤灰的整体粒径较细 D50 为 55.88m，比表面积为 96.62m2/kg，而浮选粉煤灰整体粒径较粗 D50 为 88.92m，比表面积:57.27m2/kg。相关研究表明，细粒的碳颗粒在水中 图 4 粉煤灰粒径分布 中国科技期刊数据库 工业 A-34-表 1 试验原料的主要化学成分/wt%成分 SiO2 CaO MgO Al2O3 TFe K2O Na2O S P C 烧失量 粉煤灰 46.30 2.59 1.45 33.37 5.35 0.57 0.13 0.20 0.06 8.29 8.38 注：（左）常规粉煤灰；（右）浮选粉煤灰 图 5 两种粉煤灰烧失量及灰宏观形貌对比 会发生泥化现象9，会影使得粉煤灰的细度降低，但并不会提高粉煤灰的品质，相反还会造成不利影响。在浮选过程中可将该部分未燃烧的微细碳颗粒脱除，因此，使得浮选过后粉煤灰的细度增加，粒径变粗。从图 5 可知，常规粉煤灰颜色以深灰色为主，烧失量为 8.38%，浮选粉煤灰以黄褐色为主，烧失量为2.31%。这也说明了浮选可以显著降低粉煤灰的碳含量。从浮选结果来看泡沫产物产率为 14%，泡沫产品的碳含量达到 60%，脱碳效果显著，可将泡沫产品待烘干后可作为副产物再次返厂利用，有利于低碳循环经济的发展。3.2 抗压强度分析 将制备好的常规粉煤灰加气砼以及浮选粉煤灰加气砼进行抗压强度测试，结果如图 6 所示。由图 6 可知，浮选粉煤灰加气砼的抗压强度为10.78MPa，常规粉煤灰加气砼的抗压强度为 8.52MPa。这主要是由于粉煤灰原料中碳含量的不同引起的。碳含量过高会降低混凝土的强度，在高温高压下，加气砼中的无定型碳可能与水蒸气发生反应，生成碳酸根离子，破坏加气砼的水化反应，进而使加气砼的强度下降。与此同时，碳含量过高会降低加气砼的耐久性，会加速加气砼的腐蚀和风化，长此以往增加开裂的风险。杨静10等的研究中表明这种碳酸根离子会与混凝土中的碱性物质发生进一步的反应，生成碳酸盐，从而腐蚀材料的结构，使得材料性能恶化。浮选脱碳后的粉煤灰加气砼的外观更白，产品更为美观，图 6 两种粉煤灰加气砼抗压强度对比 注：（左）常规粉煤灰；（右）浮选粉煤灰）图 7 两种粉煤灰加气砼外观对比 其外观对比如图 7 所示。3.3 物相分析 两种加气砼砌块经过破碎、研磨、筛分（-200 目）后进行 X 射线衍射分析，其结果如 8、图 9 所示。图 8 常规粉煤灰加气砼 XRD 图 中国科技期刊数据库 工业 A-35-图 9 浮选粉煤灰加气砼 XRD 图 由图 8、图 9 可知，两种加气砼的物相均以水化产物 C-S-H 为主，其次是由粉煤灰中的莫来石相转变而成的托贝莫来石11-12。二者的物相组成结构没有明显差异，但水化反应产物的物相衍射峰强度略有不同，由图 9 可知，浮选粉煤灰加气砼的水化硅酸钙（C-S-H）的衍射峰强度略高常规粉煤灰加气砼，这说明在相同条件下，浮选粉煤灰的水化性能更高，其产生的水化硅酸钙结晶度更好，有利于加气砼强度的提高。造成这种差异的主要原因是由于浮选粉煤灰的碳含量更低造成的，即加气砼中的溶解 Ca 的离子与粉煤灰中的 SiO2和水中的 OH-离子结合，形成氢氧化物凝胶13-14。随着蒸养时间的推移，加气砼内部的硬化产物开始形成一系列的晶体结构，这些晶体结构也是加气砼 强度的重要组成部分，填充了加气砼的气孔壁，使得强度增加15-17。但是碳的加入会阻碍这一反应进程，影响产品强度。物相分析与抗压强度分析的结论一致。4 结论 在本实验中探究了粉煤灰浮选脱碳后制备加气砼砌块的可行性，并将脱碳前后加气砼砌块的性能进行了对比，主要结论如下：经浮选脱碳后的加气砼抗压强度为 10.78MPa，相较于常规加气砼 8.52 MPa 来说，在抗压强度方面提高较为显著。从 XRD 分析可知，浮选脱碳后的加气砼的水化反应程度更高，生产的 C-S-H 胶凝物质结晶度更高。浮选脱碳工艺可生产碳含量为 60%的产品，其产率为 14%，有利于循环经济的发展。参考文献 1刘榴燕,李佳雨,秦坤鹏等.粉煤灰加气混凝土的研究概述J.四川建材,2022,48(5):7-8.2曹鹏飞,胡荣建,杨朝刚等.基于太钢粉煤灰-水渣超细粉-脱硫石膏固废制备加气砼砌块研究J.山西冶金,2022,45(2):19-21.3杜杰,欧阳平,张贤明等.粉煤灰分选研究进展J.应用化工,2020,49(7):1851-1856.4 孙 鑫 蕊,王 学 志,辛 明 等.多 因 素 作 用 下 免 蒸 压 加 气 混 凝 土 性 能 研 究 及 模 型 预 测 J.建 筑 科学,2023,39(9):80-87.5李小娟,周美茹,朱洪波.高碳粉煤灰对水泥浆体流动性的影响机理及其早期活性 J.混凝土,2022,(01):153-155+166.6张俊萍,何红军.论粉煤灰烧失量对混凝土工作性能的影响 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