宮經(jīng)偉,謝剛川,賈洪全,秦 燦
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)
摻礦渣粉與粉煤灰水泥基材料抗侵蝕性能的差異,主要與粉煤灰和礦渣粉的化學(xué)成分、火山灰活性有關(guān)。多數(shù)學(xué)者研究表明,摻粉煤灰水泥基材料的抗侵蝕性能優(yōu)于摻礦渣粉水泥基材料;少數(shù)學(xué)者的研究得出相反結(jié)論[8-11]。目前,已有研究硫酸鹽濃度設(shè)置較為單一,還未深入研究粉煤灰與礦渣粉活性礦物含量、侵蝕前的火山灰反應(yīng)程度對水泥基材料抗侵蝕性能的影響。為此,本文通過硫酸鹽侵蝕試驗(yàn),宏觀上分析不同濃度硫酸鹽侵蝕下?lián)降V渣粉與粉煤灰水泥基材料抗侵蝕性能的差異;并運(yùn)用掃描電子顯微鏡和X射線衍射等微觀測試手段,深入分析礦渣粉與粉煤灰的活性礦物含量、火山灰活性和硫酸鹽濃度對其抗侵蝕性能的影響及作用機(jī)理,為新疆地區(qū)合理應(yīng)用礦渣粉與粉煤灰改善水泥基材料的抗侵蝕性能提供參考依據(jù)。
水泥采用新疆阜康天山水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥,混合材為粉煤灰和石灰石,比表面積389 m2/kg。礦渣粉采用新疆寶新盛源建材有限公司生產(chǎn)的S75級礦渣粉,比表面積427 m2/kg。粉煤灰采用新疆五彩灣火力發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰,比表面積424 m2/kg,3種材料的化學(xué)和礦物組成見表1。砂采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》要求的標(biāo)準(zhǔn)砂;拌和用水為實(shí)驗(yàn)室自來水,配制侵蝕溶液用水為蒸餾水;硫酸鈉采用天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司的無水硫酸鈉(分析純)。
表1 試驗(yàn)原材料的化學(xué)和礦物組成 %
礦渣粉與粉煤灰的XRD圖譜及粒徑分布曲線如圖1所示。由圖1a、1b可知,礦渣粉的XRD圖譜上無明顯尖銳結(jié)晶峰,譜線呈“駝峰狀”分布,說明礦渣粉中晶態(tài)固體含量較少,玻璃體含量較高。粉煤灰的XRD圖譜上有一定程度的結(jié)晶峰,結(jié)晶體主要為莫來石和石英;在2θ=10°~30°有一定程度的玻璃相特征峰丘,但峰背底高度與面積均小于礦渣粉,說明其玻璃體含量較少。玻璃體含量越高,火山灰活性越強(qiáng)[12]。由圖1c可知,礦渣粉與粉煤灰的顆粒粒徑分布相差甚小。
圖1 礦渣粉與粉煤灰的XRD圖譜及粒徑分布曲線
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.2.2 試驗(yàn)過程
選取部分侵蝕后的試件,用Quanta FEG 250型掃描電子顯微鏡觀測其微觀形貌,用帕納科銳影XpertProMPD X射線衍射儀(XRD)分析其化學(xué)組分。
圖2 不同濃度硫酸鹽侵蝕下各配比水泥膠砂試件的抗蝕系數(shù)變化曲線
摻礦渣粉與粉煤灰膠凝體系中,當(dāng)水泥石孔溶液的pH值大于13.3時(shí),礦渣粉與粉煤灰中的硅和鋁才能被有效溶解出來發(fā)生火山灰反應(yīng)[14]?;鹕交曳磻?yīng)將消耗膠凝體系中的Ca(OH)2,生成C-A-H凝膠和低堿度C-S-H凝膠?;瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下[6]:2SiO2+3Ca(OH)2+H2O→3CaO·2SiO2·4H2O; Al2O3+3Ca(OH)2+3H2O→3CaO·Al2O3·6H2O。
摻礦渣粉與粉煤灰膠凝體系的堿環(huán)境主要由水泥熟料中的C3S快速水化生成的Ca(OH)2提供;另外,礦渣粉與粉煤灰中的CaO遇水反應(yīng)也會(huì)生成Ca(OH)2,進(jìn)一步增加水泥石孔溶液的堿度。首先,粉煤灰對水泥水化有一定的阻礙作用,礦渣粉對水泥水化有促進(jìn)作用。其次,礦渣粉的CaO含量約為粉煤灰的7.2倍,且摻量小于70%時(shí),基本不影響礦渣粉的反應(yīng)程度;故摻礦渣粉膠凝體系中的Ca(OH)2供給量更為充足,礦渣粉自加水就開始發(fā)生火山灰反應(yīng),而粉煤灰的火山灰反應(yīng)開始于加水24 h后[15]。此外,相比于粉煤灰而言,礦渣在收集過程中,冷卻過程更劇烈,玻璃體含量相對較高。圖1的XRD圖譜也表明礦渣粉的玻璃體含量高于粉煤灰,這使得礦渣粉的火山灰活性更強(qiáng),反應(yīng)速率更快。
綜上所述,相比于粉煤灰而言,礦渣粉的火山灰反應(yīng)開始時(shí)間較早,且火山灰反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于粉煤灰。28 d養(yǎng)護(hù)期內(nèi),粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度只有1.5%~5.5%[16],而礦渣粉的火山反應(yīng)程度達(dá)到了30%~50%[17],是粉煤灰的5~9倍。因礦渣粉的火山灰反應(yīng)開始時(shí)間較早,且反應(yīng)速率較快,將消耗更多的Ca(OH)2,抑制侵蝕發(fā)生。同時(shí),火山灰反應(yīng)會(huì)生成水化鋁酸鈣(C-A-H)凝膠與低鈣硅比水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠,再次填充水泥石的凝膠孔,進(jìn)一步改善孔結(jié)構(gòu),減緩侵蝕速率。因此,侵蝕前礦渣粉對水泥基材料抗侵蝕性能的改善效果更好。
圖3 試件在濃度為20 000 mg/L的溶液中侵蝕9個(gè)月后的SEM照片
微觀測試結(jié)果表明,礦渣粉與粉煤灰顆粒分散填充在膠凝材料中,并發(fā)生火山灰反應(yīng)生成新的膠凝產(chǎn)物填充水泥石凝膠孔,增強(qiáng)水泥石密實(shí)度。另外,摻入礦渣粉與粉煤灰減少了水泥用量,特別是C3S、C3A含量。本試驗(yàn)中礦渣粉與粉煤灰的粒徑分布相近,摻量相同時(shí),水泥熟料中的C3S、C3A含量減少比例也相同。然而,因礦渣粉的火山灰反應(yīng)程度遠(yuǎn)高于粉煤灰,消耗了更多易被侵蝕的Ca(OH)2,并生成更多的C-S-H凝膠填充水泥石凝膠孔;故摻礦渣粉膠砂試件水泥石孔隙孔徑較小,密實(shí)度較高,侵蝕產(chǎn)物生成量較少,抗侵蝕性能更為優(yōu)異。
圖4 試件在不同硫酸鹽濃度溶液中侵蝕9個(gè)月后的XRD圖譜
(2)侵蝕前,礦渣粉的火山灰反應(yīng)程度是粉煤灰的5~9倍,大量消耗膠凝體系中的Ca(OH)2生成新的膠凝產(chǎn)物,顯著改善了水泥石孔結(jié)構(gòu),對水泥基材料抗侵蝕性能的改善效果更好。