不同摻量粉煤灰對水泥綜合性能的影響

宿　靜

(山西交通規(guī)劃勘察設(shè)計院)

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不同摻量粉煤灰對水泥綜合性能的影響

宿靜

(山西交通規(guī)劃勘察設(shè)計院)

摘要：主要從三個方面對摻入粉煤灰的水泥性能進行研究：粉煤灰的顆粒組成和分布對水泥抗壓強度的影響、不同摻量粉煤灰對水泥物理性能及抗凍性能的影響。研究結(jié)果顯示，要提高粉煤灰水泥的早期抗壓強度就要增加 13～18μm區(qū)間顆粒的含量；要提高粉煤灰水泥的后期抗壓強度就要增加 28～32μm區(qū)間內(nèi)的顆粒的含量；從相對動彈性模量來看，不同粉煤灰摻量的混凝土的抗凍性能差異不大；但從重量損失率來看，粉煤灰摻量越大，重量損失率越小，抗凍性能則越好。

關(guān)鍵詞：粉煤灰水泥；粉煤灰利用；性能

1引言

從燃煤鍋爐煙囪收集下來的煙灰被稱之為粉煤灰，粉煤灰是眾所周知的火山灰性材料，我國粉煤灰的年排放量已超過8 000萬t，而且增長勢頭迅猛。在工業(yè)廢渣再生資源化研究中，各種工業(yè)廢渣的利用水平很不平衡，粉煤灰并沒有被充分利用。粉煤灰用途極廣，可用作水泥的活性混合材料，粉煤灰因其良好的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)以及微集料效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于高性能混凝土的配制。不少西方國家都將灰渣資源再利用技術(shù)作為國策的一環(huán)。中國是粉煤灰資源大國，但粉煤灰利用技術(shù)水平低、綜合利用率低，從環(huán)境保護和綜合利用的角度出發(fā)，不斷提高粉煤灰的利用率已經(jīng)顯得刻不容緩。粉煤灰的綜合利用，需要電力、建材、建筑、環(huán)保等部門統(tǒng)一認識，因此，研究粉煤灰摻加量大于50%的粉煤灰水泥技術(shù)已引起學(xué)術(shù)界和工程界的密切關(guān)注。現(xiàn)階段高摻量粉煤灰水泥在一些實驗室研究已經(jīng)獲得成功，但是應(yīng)用于實際的并不多，這主要因為有的方法成本太高且局限性太大：有的方法雖然短期性能達到要求，但是長期性能不穩(wěn)定。本文重點研究高摻量粉煤灰對水泥物理和化學(xué)性能等的影響，以期豐富水泥水化基礎(chǔ)理論，對粉煤灰的綜合利用產(chǎn)生一定的理論指導(dǎo)作用。

2水化機理

粉煤灰在形成過程中經(jīng)歷了高溫，冷卻后，結(jié)構(gòu)中保留一定量的玻璃質(zhì)物質(zhì)，具有一定的潛在活性。在摻有粉煤灰的水泥水化過程中，首先是水泥熟料礦物水化，此過程中釋放Ca(OH)2，Ca(OH)2與粉煤灰中的活性組分發(fā)生的火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。由于火山灰反應(yīng)減少了系統(tǒng)中氫氧化鈣的含量，又可加速水泥熟料的水化。由此可見，在這一系統(tǒng)中同時存在著水泥與水的水化反應(yīng)以及粉煤灰的活性組分與Ca(OH)2的火山灰反應(yīng)，而且這兩個反應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)的。為提高粉煤灰水泥的性能，則可從兩方面著手：一是促進水泥熟料的水化，二是促進粉煤灰的火山灰反應(yīng)，在保證粉煤灰水泥性能的基礎(chǔ)上大大提高了粉煤灰摻量。

3實驗

3.1　原料

(1)粉煤灰

實驗采用山西某地粉煤灰(HF)及我國36個地方低鈣灰的化學(xué)組成均值如表1所示。

表1　HF化學(xué)成分分析　ω，%

由表1可見，粉煤灰的主要成分為氧化硅，氧化鋁及氧化鐵，其總量約占粉煤灰的85%左右。氧化鈣含量普遍較低，基本上都無自硬性。采用的HF化學(xué)組成和國內(nèi)粉煤灰的平均水平相當(dāng)，有一定代表性。

(2)水泥熟料

實驗采用山西某地的旋窯水泥熟料。熟料均為塊狀，采用鄂式破碎機將其粉碎然后球磨。球磨后水泥熟料粒度滿足GB/T17671-1999(80μm篩余量為10%)。

(3)石膏

實驗采用了天然二水石膏、半水石膏，同時在馬弗爐中對天然二水石膏進行了高溫煅燒，煅燒溫度為850 ℃(保溫2h)。

(4)標(biāo)砂

實驗采用國家標(biāo)準規(guī)定的ISO標(biāo)準砂，由廈門艾思歐標(biāo)準砂有限公司生產(chǎn)。

(5)外加劑

實驗采用少量(≤1%)自配的弱堿性激發(fā)劑。

3.2　配比試驗

選取粉煤灰摻加量分別為50%和60%，原料分別處理后，再混合球磨，從而達到充分混合，具有較好的和易性。試驗配比見表2。

表2　粉煤灰水泥配比

4結(jié)果與分析

4.1　顆粒組成和分布對大摻量粉煤灰水泥性能的影響

灰色系統(tǒng)是介于白色系統(tǒng)和黑色系統(tǒng)之間的一種系統(tǒng)。粉煤灰水泥系統(tǒng)具有灰色系統(tǒng)的特點，灰色關(guān)聯(lián)分析所計算的關(guān)聯(lián)度是因素之間關(guān)聯(lián)性的“量度”，因為粉煤灰水泥的粒度分布對水泥強度的影響，粉煤灰的摻加量通常與水泥熟料的質(zhì)量、粉煤灰的活性等因素有關(guān)，有些信息是確定的，有些信息是不確定的。因此，本文計算粉煤灰摻量為 50%、60%時，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的計算步驟，計算粉煤灰水泥 3d、7d和 28d抗壓強度與顆粒區(qū)間分布的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表3。

表3　顆粒區(qū)間分布與粉煤灰水泥抗壓

從表3可以看出：當(dāng)粉煤灰摻量為50%，13～18μm區(qū)間內(nèi)的顆粒對粉煤灰水泥3d、7d、28d抗壓強度的增進作用最大，這說明 13～18μm內(nèi)粉煤灰水泥顆粒含量越高，粉煤灰水泥的各齡期抗壓強度越高；在不同條件粉煤灰摻量并不是越大越好。要提高粉煤灰水泥的早期抗壓強度就要增加13～18μm區(qū)間顆粒的含量；要提高粉煤灰水泥的后期抗壓強度就要增加 28～32μm區(qū)間內(nèi)的顆粒的含量。

4.2　粉煤灰對水泥物理性能的影響

將粉煤灰按不同的摻加量加入到相同強度等級的水泥熟料中，混磨后測試各試件的物理性能，實驗結(jié)果如表4所示。

表4　不同摻量粉煤灰對水泥物理性能的影響

粉煤灰對水泥細度、比表面積、凝結(jié)時間的影響見表4。由表4可見，摻入粉煤灰后，水泥的80μm篩余量和比表面積升高，凝結(jié)時間相應(yīng)增長，并且隨著粉煤灰摻量的增大而增長，這是因為粉煤灰的水化活性遠比水泥熟料低。

4.3　不同粉煤灰摻量對水泥抗凍性能的影響

實驗方法：試件在齡期前 4d從養(yǎng)護地點取出，進行外觀檢查，然后在溫度為 15～20 ℃ 的水中浸泡 4d后進行凍融試驗。每次凍融循環(huán)在 2～4h內(nèi)完成，其中用于融化的時間不小于整個凍融時間的1/4。試件每隔25 次循環(huán)做一次橫向基頻測量。 凍融達到以下三種情況之一即可停止試驗: (1)已達到 300 次循環(huán)；(2)相對動彈模下降到 60% 以下；(3)重量損失率達 5%。實驗結(jié)果如表5所示。

表5　不同摻量粉煤灰對水泥抗凍性能的影響

表5為不同粉煤灰摻量混凝土在 28d和 56d齡期經(jīng) 300 次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率。從相對動彈性模量的變化指標(biāo)來看，粉煤灰替代部分水泥后，不同粉煤灰摻量的混凝土間的差異不大。這說明經(jīng)受 300 次凍融循環(huán)后，各粉煤灰摻量的混凝土的內(nèi)部損傷情況基本一致，粉煤灰的水化活性遠比水泥熟料低；生成的水化產(chǎn)物顆粒之間連接不夠緊密，而從重量損失率的指標(biāo)來看，粉煤灰摻量越大，相應(yīng)地降低了早期強度，即經(jīng)受凍融循環(huán)后，試件的外觀損傷越小，這說明其抗凍性能越好。這是因為粉煤灰的摻量越大，粉煤灰的火山灰反應(yīng)的進行以及粉煤灰顆粒的填充效應(yīng)的發(fā)揮，這樣混凝土內(nèi)部的可凍水總量就較少，當(dāng)經(jīng)受凍融循環(huán)時，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力就較小，受到的損失就較小。

5結(jié)論

粉煤灰的顆粒越細，比表面積也越大，其活性就越高。另外隨著顆粒細度的增加，粉煤灰的密度增大，標(biāo)準稠度需水量減少，漿體的密實度及強度增大，所以，粉煤灰磨的愈細，活性越高，越能促進混凝土后期強度的增長。一定的粉煤灰摻量對水泥在強度和抗凍融性能等綜合性方面有很大的改善。

從相對動彈性模量來看，各粉煤灰摻量的混凝土的抗凍性能差異不大;但從重量損失率來看，粉煤灰摻量越大，重量損失率越小，抗凍性能越好。要提高粉煤灰水泥的早期抗壓強度就要增加 13～18μm區(qū)間顆粒的含量；要提高粉煤灰水泥的后期抗壓強度就要增加 28～32μm區(qū)間內(nèi)的顆粒的含量。

參考文獻：

[1]楊錫武.粉煤灰對水泥水化的影響[J].國外公路, 1993，3(4)：49-53.

[2]沈威,黃文熙,閔盤榮.水泥工藝學(xué)[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 1993. 245-257.

收稿日期：2014-12-25

中圖分類號：U416.1

文獻標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0025-02