不同摻量配比對復合硅酸鹽水泥性能的影響

曹曉非

0 引言

近年來,我國的“十一五、十二五”規劃突出了節能減排的要求。而水泥工業由于實際生產需消耗大量鈣質、鐵質等校正原料,因此對石灰巖、鐵礦石等礦產資源的需求給環境帶來了很大的壓力[1-3]。

結合可持續發展的概念及水泥產品本身組分的要求,水泥工業在已有基礎上加大了對粒化高爐礦渣、沸騰爐渣、粉煤灰等工業廢棄物的利用力度。根據各地區的實際情況,這些混合材往往按不同比例混合摻入,但不同類型混合材在水化反應中的化學特性使其實際所得復合硅酸鹽水泥的產品性能存在著較大的差異[4,5]。

因此,本文通過試驗研究了粉煤灰、粒化高爐礦渣及石灰石等幾類常用混合材的混合摻量配比對水泥實際性能的影響,同時,結合相關的水化作用機理,對不同類混合材在水泥中的合理摻加比例進行了探討。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗采用的水泥熟料為徐州淮海中聯水泥提供的 52.5級硅酸鹽水泥熟料。采用的混合材包括徐州熱電廠提供的粉煤灰,徐州鋼鐵廠提供的粒化高爐礦渣以及徐州本地開采的石灰石。混合材的化學成分見表 1。

表1 混合材的化學組分

1.2 試驗配合比設計

為考察各類混合材的不同摻加比例對水泥的作用機理和性能的影響,水泥熟料的摻量范圍為 50%～65%,脫硫石膏摻量固定為 6%,不同類混合材的摻量比例見表 2。

1.3 試驗方法

各類原材料按配合比均勻混合粉磨后,根據 GB/T 1346-2001及GB/T 17671-1999(ISO法)規定的試驗方法,分別取樣測定相應水泥的凝結時間,同時制成4 cm×4 cm×16 cm的試件,在標準條件下養護至 3 d及 28 d,進行相應抗壓強度的測試。

2 試驗結果及分析

不同配合比的水泥樣品的凝結時間見表 3。

表2 摻加不同量混合材的復合硅酸鹽水泥的配合比

表3 不同配合比水泥的實際凝結時間

由表 3可知,粉煤灰、粒化高爐礦渣及石灰石摻量的增加均會延長水泥的實際凝結時間。相對粉煤灰,高爐礦渣、石灰石對試樣凝結時間的影響要更大些。

分析成因主要有這幾個方面:粉煤灰無法自發產生水化反應,只能在熟料水化產生的堿性環境中表現出火山灰活性,而石灰石的主要構成為碳酸鈣,對水泥的水化反應促進作用微弱,粉煤灰及石灰石的微細顆粒填充于水泥顆粒的空隙中,減少了水泥顆粒與水之間以及水泥顆粒相互之間的接觸,“稀釋”了水泥的濃度,阻礙了水泥的水化;高爐礦渣雖具有潛在水硬性,但在高溫下水淬急冷后,表面形成了一層致密的水化硅酸鈣包覆層,對其前期的水化反應產生了一定的削弱作用。相對高爐礦渣和石灰石粉,粉煤灰的高細度和大比表面積所帶來的高反應活性使其對水泥凝結時間的延長作用更小。

不同配合比水泥試樣的不同時期抗壓強度變化如圖 1～圖 3所示。

由圖 1可知,隨著粉煤灰摻量的增加,相應水泥試樣的強度呈線性下降趨勢,其中 3 d早期強度下降幅度較大,而 28 d后期強度的降低幅度相對平緩。在其他條件不變的情況下,粉煤灰摻量的提高等同于以粉煤灰替代部分水泥熟料礦物,控制水泥水化反應的有效水灰比相對增大,溶液中 Ca2+濃度降低,生成的水化產物數量減少導致顆粒之間連接不緊密,相應早期強度下降嚴重。到 28 d測試期時,堿性液相環境中粉煤灰火山反應的不斷進行以及細顆粒填充效應的發揮,使漿體內部結構趨于致密,水化產物間的相互交連程度得以改善,粉煤灰摻量對強度的削弱程度相對降低。

由圖 2可知,石灰石摻量較少時,相應水泥試樣的 3 d強度變化不大,而 28 d強度略有下降。細度較高的石灰石粉取代部分水泥熟料后,雖然不能直接參與或明顯促進相應水化反應,但能填充水泥在水化反應中所形成的孔隙,增加硬化體的密實度,同時能置換少部分鈣釩石中的硫酸鹽,增加膠凝體的數量。被置換的硫酸鹽重新作為激發劑促進高爐礦渣的水化反應,加快其早期強度的形成[6]。

但是,摻量超過 4%時,石灰石有限的填充作用和置換作用無法補償水泥熟料減少對水化產物總量產生的負面影響,導致水化物致密體系的形成受到阻礙,進而使試樣的早期及后期強度均發生較大幅度的線性下降。

由圖 3可知,隨著礦渣摻量的增加,水泥試樣的3 d早期強度基本無變化,28 d強度則有所遞增。

礦渣的潛在水硬性得以發揮的關鍵是創造離子擴散通過包覆層的條件,促使包覆膜破滅。在未加入激發劑的條件下,這就需要水泥熟料礦物預先水化一定時間,產生足量的氫氧化鈣來形成堿性液相環境。到 28 d測試期時,礦渣表面包覆層破碎,本身亞穩定物相的水硬活性促進了與其相接觸的水泥顆粒的水化反應,改善了顆粒間的界面粘結強度以及水泥漿體的孔結構,從而增強了試樣的強度[7]。

3 結語

1)石灰石粉的摻量增加對復合硅酸鹽水泥的凝結時間及強度具有較強的負面影響。確定水泥組分配比時,應確保石灰石粉的摻量為微量(≤4%)。

2)隨粉煤灰及粒化高爐礦渣的摻量增加,復合硅酸鹽水泥的凝結時間均延長,其中高爐礦渣的影響更明顯。而粉煤灰的摻量增加對復合水泥的強度(尤其是早期強度)削弱較嚴重,高爐礦渣的摻量增加則有利于復合水泥后期強度的提高。但礦渣摻量過度增大所引起的水泥終凝時間過長可能影響到產品的實際工藝應用性能,且礦渣及粉煤灰的相應活性反應均需要一定量的熟料水化后的堿性液相加以激發。

因此,實際設計復合硅酸鹽水泥的組分時,應根據可能水化反應的反應物比例確定粉煤灰與高爐礦渣的摻量,并通過引入足量熟料、加入堿性或硫酸鹽激發劑、加強混合材粉磨程度等方法確保水化激發連鎖反應的順利進行,保證水泥產品的實際質量。

[1] 毛玉如,方夢祥,馬國維.水泥工業的廢棄物利用與CO2排放控制探討[J].再生資源研究,2004(4):32-37.

[2] 李 銓.水泥工業結構調整與環保產業的機遇[J].中國環保產業,2004(1):22-23.

[3] 韓彩霞.水泥工業對三廢資源化利用的適應性和優勢[J].中國建設教育,2007,8(8):52-54.

[4] 景 國,李文斌.不同細度和摻量的粉煤灰對水泥性能的影響[J].四川水泥,2010(2):53-54.

[5] 朱建平,李東旭,杜亮波,等.混合材對高阿利特水泥性能的影響[J].建筑材料學報,2009,12(5):584-589.

[6] 樸應模.無機激發劑對無熟料高爐礦渣水泥的作用機理及強度效果[J].延邊大學學報(自然科學版),2003,29(3): 220-224.

[7] 李 遷,劉冬霞.礦粉對水泥及混凝土性能的影響與應用[J].遼寧建材,2008(12):50-51.