大摻量粉煤灰礦渣粉普通干混砂漿的試驗(yàn)研究

謝慧東，張?jiān)骑w，欒佳春，王寧

（山東華森混凝土有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 前言

預(yù)拌砂漿的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用是全國重點(diǎn)推行的項(xiàng)目之一，預(yù)拌砂漿的配制技術(shù)重點(diǎn)在于滿足稠度、保水性等方面的要求前提下，如何通過廢棄固體資源的大量高效利用，降低其生產(chǎn)成本，改善其各項(xiàng)性能，提高其綠色化水平。雖然粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料已廣泛應(yīng)用于各種普通干混砂漿的生產(chǎn)，但是摻粉煤灰、礦渣粉的砂漿，尤其是大摻量粉煤灰、礦渣粉的砂漿，其早期力學(xué)性能明顯降低，嚴(yán)重制約粉煤灰、礦渣粉在砂漿中的大量應(yīng)用。

脫硫石膏是利用脫硫凈化工藝技術(shù)處理含硫燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣而得到的一種工業(yè)副產(chǎn)石膏，其主要成分和天然石膏相同，但由于脫硫石膏有一定的含水率(10%～15%)，且其中還含有飛灰、有機(jī)碳、碳酸鈣、亞硫酸鈣以及由鈉、鉀、鎂的硫酸鹽或氯化物組成的可溶性鹽等雜質(zhì)。因此，脫硫石膏的應(yīng)用受到一定限制，大量脫硫石膏被拋棄堆存。本文研究大摻量粉煤灰-礦渣粉干混砂漿中，摻加一定量的經(jīng)低溫煅燒烘干的脫硫石膏，探討摻脫硫石膏對大摻量粉煤灰-礦渣粉干混砂漿各項(xiàng)性能的影響。

1 原材料

水泥為濟(jì)南山水P.O42.5水泥；粉煤灰為濟(jì)南黃臺電廠Ⅱ級灰；礦渣粉為濟(jì)南魯新S95級；脫硫石膏S為濟(jì)南黃臺電廠煙灰脫硫石膏經(jīng)低溫煅燒烘干，含水率0.2%，CaSO4·2H2O含量91%；水泥、粉煤灰、礦渣粉和脫硫石膏化學(xué)成分見表1；人工砂H，自產(chǎn)，采用石灰?guī)r碎石機(jī)械破碎篩分，其H篩分析和性能指標(biāo)如表2；砂漿保水增稠材料P：自配，由無機(jī)、有機(jī)保水材料復(fù)配而成，砂漿性能試驗(yàn)結(jié)果如表3；水為飲用水。

表1 水泥、粉煤灰、礦渣粉和脫硫石膏S的主要化學(xué)成分(%)

表2 人工砂H篩分析及性能指標(biāo)

表3 摻加保水增稠材料P砂漿性能試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法

（1）試件制備和稠度、保水性、凝結(jié)時間、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和收縮性等基本性能測試均參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》JGJ/T 70-2009進(jìn)行。碳化試驗(yàn)：試件制作同抗壓強(qiáng)度，試件制作后在試驗(yàn)室靜置24±2h后脫模，一部分試塊直接放在室外自然條件下自然養(yǎng)護(hù)，另一部分試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，再放在室外進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)時，各試塊之間的間距不小于50mm，并使試塊成型面朝上，且讓各側(cè)面與空氣充分接觸，養(yǎng)護(hù)時間為14d和28d，然后進(jìn)行碳化深度測試。試驗(yàn)方法為利用試驗(yàn)壓力機(jī)，將碳化至規(guī)定齡期的試塊沿側(cè)面從中間劈成兩半，然后在試塊內(nèi)表面上，用濃度為1%的酚酞酒精溶液滴定，約30s后，在測量試塊內(nèi)表面上每10mm一個測量點(diǎn)用鋼板尺測出各點(diǎn)碳化深度，每組取3個試塊碳化深度的算術(shù)平均值作為該組試塊碳化測定值。

（2）SEM樣品測試制備：對養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期試樣取樣，并終止水化，進(jìn)行SEM分析。

2.2 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)砂漿配比為膠凝材料∶人工砂H=1∶4.5，稠度控制在90～100mm，保水增稠材料P摻量為5%(占膠凝材料總質(zhì)量)，為外摻法。礦物摻合料為內(nèi)摻法，其摻量為50%、60%、70%和80%等量取代水泥，粉煤灰與礦渣粉按一定復(fù)摻比例同時摻加，脫硫石膏S為占膠凝材料總用量的0%、4%、6%、8%、10%，等量取代礦物摻合料。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 粉煤灰、礦渣粉不同復(fù)摻比例對砂漿和易性和強(qiáng)度的影響

選取摻合料復(fù)摻60%等量取代水泥，粉煤灰與礦渣粉復(fù)摻比分別為10∶0、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7和0∶10，對粉煤灰和礦渣粉不同的復(fù)摻比對砂漿和易性和強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究，其試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖1。

表4 粉煤灰和礦渣粉不同復(fù)摻比對砂漿和易性的影響

從表4和圖1可以看出，用不同復(fù)摻比例的粉煤灰和礦渣粉60%等量取代水泥后，在達(dá)到規(guī)定稠度時，與單摻粉煤灰或礦渣粉相比，砂漿單方用水量降低，砂漿保水性增加，砂漿濕容重增大，這說明兩者復(fù)摻比單摻能更好地改善砂漿的和易性和工作性，提高砂漿的保水性，且能很好地提高砂漿的整體密實(shí)性；砂漿凝結(jié)時間隨著復(fù)摻中礦渣粉比例的增加而延長，這是由于礦渣粉和粉煤灰對砂漿凝結(jié)時間影響不同所致。對砂漿抗壓強(qiáng)度而言，隨著復(fù)摻中礦渣粉比例的增加而逐漸增大，特別是28d增大比較明顯，當(dāng)粉煤灰與礦渣粉比例不大于4∶6，其砂漿28d抗壓強(qiáng)度相差不大；對砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度來說，隨著復(fù)摻中礦渣粉比例的增加而先逐漸增大后變化不大，這說明粉煤灰與礦渣粉在一定比例下復(fù)摻更有利于強(qiáng)度的發(fā)展。

圖1 粉煤灰與礦渣粉不同復(fù)摻比對砂漿強(qiáng)度的影響

3.2 摻合料復(fù)摻摻量對砂漿和易性和強(qiáng)度的影響

選取粉煤灰和礦渣粉的復(fù)摻比為4:6，對粉煤灰和礦渣粉不同復(fù)摻摻量對砂漿和易性和強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究，其試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖2。

表5 粉煤灰和礦渣粉不同復(fù)摻摻量對砂漿和易性的影響

從表5和圖2可以看出，粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻不同摻量等量取代水泥后，在達(dá)到規(guī)定稠度時，隨著摻合料摻量的增加，砂漿單方用水量降低，砂漿保水性變化不大，砂漿濕容重增大，這說明砂漿中摻入一定量的摻合料，能降低砂漿的需水量，提高砂漿的整體密實(shí)性，但對砂漿保水性影響不大；砂漿凝結(jié)時間逐漸延長，這是由于粉煤灰和礦渣粉的活性較低，其水化程度遠(yuǎn)低于水泥熟料。對砂漿抗壓強(qiáng)度而言，隨著摻合料摻量的增加，7d和28d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且摻量越高降低越明顯；對砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度來說，隨著摻合料摻量的增加而逐漸降低，這說明摻合料摻量越高，對砂漿強(qiáng)度影響越大，從而對其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用產(chǎn)生一定影響。

3.3 脫硫石膏對砂漿和易性和強(qiáng)度的影響

選取粉煤灰和礦渣粉的復(fù)摻比為4:6，摻量為70%，對脫硫石膏對砂漿和易性和強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究，其試驗(yàn)結(jié)果見表6和圖3。

圖2 粉煤灰與礦渣粉不同復(fù)摻摻量對砂漿強(qiáng)度的影響

表6 脫硫石膏摻量對砂漿和易性的影響

從表6和圖3可以看出，利用脫硫石膏等量取代礦物摻合料后，在達(dá)到規(guī)定稠度時，隨著脫硫石膏摻量的增加，砂漿單方用水量增多，最大增加15kg/m3，砂漿保水性有所降低，但變化不大，都≥88%，砂漿濕容重逐漸增大，這說明砂漿中摻入一定量的脫硫石膏，使砂漿的和易性和工作性略有降低，但提高了砂漿的整體密實(shí)性；砂漿凝結(jié)時間先延長后縮短，上下波動±10min內(nèi)，說明脫硫石膏對砂漿凝結(jié)時間影響較小。對砂漿抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度來說，隨著脫硫石膏摻量的增加，先逐漸增加后有所降低，相對于無脫硫石膏砂漿試樣C-1，摻脫硫石膏砂漿7d、28d抗壓強(qiáng)度和14d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最大增長率分別達(dá)25.5%、31.1%和17.4%，這說明脫硫石膏的加入，可以激活大摻量粉煤灰-礦渣粉砂漿中粉煤灰、礦渣粉的活性，使砂漿強(qiáng)度提高，從而為大摻量粉煤灰-礦渣粉干粉砂漿的實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

圖3 脫硫石膏摻量對砂漿強(qiáng)度的影響

表7 摻合料和脫硫石膏對砂漿收縮和抗碳化能力的影響

3.4 摻合料和脫硫石膏對砂漿收縮性能和抗碳化能力的影響

選取A-1、A-7、A-5或B-2、B-3、C-3五組試樣，分別對摻合料和脫硫石膏對砂漿收縮性能和抗碳化能力進(jìn)行研究，其試驗(yàn)結(jié)果見表7。

從表7中可以看出，與單摻粉煤灰或礦渣粉相比，摻合料復(fù)摻砂漿的28d收縮率和同條件下的碳化深度較低，這說明摻合料復(fù)摻砂漿的收縮性能和抗碳化能力更好，且復(fù)摻摻量越高，效果越明顯；與未摻脫硫石膏砂漿相比，摻脫硫石膏砂漿的收縮性能和抗碳化能力大大提高，即收縮率降低21.1%，同條件下的碳化深度明顯降低，這說明脫硫石膏的加入，可以提高大摻量粉煤灰-礦渣粉砂漿的耐久性 （收縮性和抗碳化能力），使砂漿體積更穩(wěn)定。

4 微觀機(jī)理分析

利用SEM對A-1、A-7、A-5或B-2、B-3、C-3五組試樣28d齡期的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)形貌見圖4。

圖4 大摻量粉煤灰-礦渣粉砂漿各試樣28d齡期的SEM照片

從圖4中A-1和A-2試樣可以看出，單摻粉煤灰或礦渣粉的砂漿漿體中，主要為C-S-H凝膠、存在較多的未水化的粉煤灰或礦渣粉以及水泥顆粒，Ca(OH)2晶體可能被凝膠和未水化顆粒覆蓋包裹，較難分辨；摻合料復(fù)摻的砂漿漿體中（A-5和B-3試樣），水化產(chǎn)物也以C-S-H凝膠為主，而未水化的粉煤灰和礦渣粉以及水泥顆粒明顯較少，漿體結(jié)構(gòu)較單摻粉煤灰或礦渣粉的漿體更為致密，更難觀察到結(jié)晶良好的Ca(OH)2晶體，這說明摻合料復(fù)摻時，兩者可以相互取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮兩者的“優(yōu)勢互補(bǔ)效應(yīng)”，可使砂漿的各項(xiàng)性能更為優(yōu)勢。

在大摻量粉煤灰-礦渣粉砂漿中摻加適量脫硫石膏（C-3試樣），除存在較多的C-S-H凝膠外，還可以觀察到相對較多的呈針棒狀的鈣礬石AFt晶體，結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。AFt的形成一方面減少了對結(jié)構(gòu)不利的Ca(OH)2含量，另一方面針棒狀水化硫鋁酸鈣形成骨架，并通過C-S-H凝膠的均勻填充使硬化水泥漿體結(jié)構(gòu)不斷密實(shí)，從而使得砂漿強(qiáng)度提高，這就從微觀結(jié)構(gòu)上說明了摻脫硫石膏砂漿7d、28d抗壓強(qiáng)度和14d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度高于未摻脫硫石膏砂漿的原因。這是由于脫硫石膏的加入，可與復(fù)合膠凝體系中Ca(OH)2、水化鋁酸鈣凝膠以及粉煤灰或礦渣粉中活性Al2O3和SiO2發(fā)生反應(yīng)，從而生成更多的針棒狀鈣礬石和水化硅酸鈣凝膠，填充空隙，分布均勻，使?jié){體硬化結(jié)構(gòu)更致密。

5 結(jié)論

（1）粉煤灰和礦渣粉在一定比例復(fù)摻時，砂漿的工作性能和力學(xué)性能優(yōu)于單摻粉煤灰，與單摻礦渣粉接近；砂漿的收縮性能和抗碳化能力優(yōu)于單摻粉煤灰或礦渣粉，且復(fù)摻的砂漿硬化漿體致密度更高，即摻合料復(fù)摻取代水泥可較好地改善砂漿的性能。

（2）在大摻量粉煤灰-礦渣粉干粉砂漿中摻入脫硫石膏，對新拌砂漿各性能(單方用水量、保水性、濕容重和凝結(jié)時間)影響不大；但使砂漿早期和后期抗壓強(qiáng)度、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度明顯提高；收縮率降低，抗碳化能力提高，且不會給砂漿的體積穩(wěn)定性帶來危害。

（3）在大摻量粉煤灰-礦渣粉干粉砂漿中，脫硫石膏不僅對粉煤灰和礦渣粉的活性起到直接的激發(fā)作用，而且還通過促進(jìn)水泥的水化來加速粉煤灰和礦渣粉的水化反應(yīng)。

（4）大摻量粉煤灰-礦渣粉干粉砂漿是一種新型綠色建材，具有優(yōu)異的性能，不僅可資源化有效利用工業(yè)廢氣物脫硫石膏，并可以更進(jìn)一步帶動粉煤灰、礦渣粉的利用，降低水泥的用量，節(jié)能降耗成效顯著，應(yīng)用前景廣闊，符合國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略。

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