粉煤灰/硅灰復(fù)合摻合料對水泥凈漿性能的影響

馮輝紅，魯黎，陳靜思，王果，張永臣

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500;2.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

隨著現(xiàn)代混凝土工程應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大、工程規(guī)模的大型化和工程環(huán)境的復(fù)雜化，人們對水泥制品的性能有了新的要求。同時(shí)，工業(yè)廢棄物的利用研究已經(jīng)較為成熟，粉煤灰、硅灰作為常見的工業(yè)廢棄物，本身具有優(yōu)良的理化性能，若是用于生產(chǎn)高性能水泥，對其進(jìn)行資源化利用，既可以有效消除工業(yè)固體廢棄物，降低環(huán)境污染，又可以為高性能水泥的實(shí)現(xiàn)提供可能［1］。

粉煤灰的特性是火山灰活性較低，在常溫下即使水泥水化產(chǎn)物中有足夠的Ca(OH)2，其火山灰反應(yīng)仍很慢，因此在考慮利用粉煤灰來減少水泥用量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較慢［2］。而硅灰則是一種活性較高的超細(xì)粉末，無定形的SiO2含量可高達(dá)90%，其粒徑約為水泥的1%，由于其微集料填充作用和火山灰效應(yīng)，能提高混凝土的早期強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度增長不快。若能充分利用二者的優(yōu)點(diǎn)，就可改善混凝土的結(jié)構(gòu)和性能，使混凝土具有較高早期強(qiáng)度的同時(shí)，保證后期強(qiáng)度的較快增長。基于此，本文將就粉煤灰、硅灰對水泥凈漿的需水量和早期強(qiáng)度的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究［3］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

PO42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥;甘肅省某電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰;硅灰(嘉峪關(guān)巨大冶煉有限公司副產(chǎn)品);自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選用內(nèi)摻法(又稱為取代水泥法)，即在其他條件不變的情況下，用一定質(zhì)量的硅灰取代相同質(zhì)量的水泥。選取了多種配比進(jìn)行研究分析，即硅灰和粉煤灰的單摻摻量均為0，5%，10%，15%，20%，25%，30%，同時(shí)固定粉煤灰和硅灰的總摻量為20%，采用摻加量為10%粉煤灰與10%硅灰、12%粉煤灰與8%硅灰、15%粉煤灰與5%硅灰、17%粉煤灰與3%硅灰共4 種配比來進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)［4-6］。

水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的測定方法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》GB/T 1346—2005 進(jìn)行。水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用的試件規(guī)格為上底24 mm ×24 mm、下底16 mm×16 mm、高18 mm 的梯形體和70 mm ×70 mm×70 mm 的立方體。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下成型后24 h 拆模并于恒溫20 ℃的水中養(yǎng)護(hù)，實(shí)驗(yàn)按有關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰、硅灰對水泥凈漿用水量的影響

按照操作規(guī)程，測定單摻不同粉煤灰、硅灰摻量及雙摻摻量下的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，結(jié)果見表1。

表1 粉煤灰、硅灰水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量Table 1 Standards water consistency of fly ash，silica fume cement paste

由表1 可知:①當(dāng)單摻粉煤灰的用量由15%增大到30%時(shí)，需水量僅由29.67%增長到30.33%，即水泥凈漿的用水量隨著單摻粉煤灰用量的增加而略有增多，但增長趨勢不明顯;而當(dāng)單摻硅灰的用量由15%增大到30%時(shí)，需水量由31.67%迅速增大到42%，這說明單摻硅灰水泥的用水量隨硅灰摻量的增加而急劇增多，增長趨勢明顯;②隨著雙摻(粉煤灰+硅灰)水泥凈漿中硅灰摻量的減少和粉煤灰用量的增加，粉煤灰/硅灰水泥的用水量整體呈下降趨勢。

此外，實(shí)驗(yàn)過程中觀察到硅灰對水泥凈漿的粘度有較大影響。當(dāng)摻加入硅灰后，水泥凈漿能夠在較短的時(shí)間內(nèi)迅速變得粘稠;并且隨著攪拌時(shí)間的延長，水泥凈漿的粘度會(huì)越來越大;同時(shí)，硅灰的摻入量越多，水泥凈漿變粘稠的速度也就越快。

由此可見，硅灰使水泥凈漿的用水量明顯增加，且硅灰對水分的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉煤灰。造成這一現(xiàn)象的主要原因是硅灰顆粒細(xì)小，使新拌水泥漿的毛細(xì)孔堵塞，阻斷了水分的一部分滲透路徑，使水泥漿內(nèi)的水分不能自由流動(dòng);而且，硅灰的比表面積大，顆粒表面不僅濕潤需要大量水分，還具有較大的吸附力，約束了水泥漿內(nèi)大量的自由水。

2.2 粉煤灰、硅灰用量對水泥凈漿強(qiáng)度的影響

2.2.1 確定實(shí)驗(yàn)水灰比 選用0.5 水灰比和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量時(shí)的粉煤灰水泥強(qiáng)度進(jìn)行比較，結(jié)果見圖1。

圖1 不同水灰比時(shí)粉煤灰水泥凈漿試件抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength specimens of cement paste under different water-cement ratio

由圖1 可知，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量時(shí)，粉煤灰水泥3 d 抗壓強(qiáng)度都大于0.5 水灰比時(shí)的強(qiáng)度，且強(qiáng)度曲線存在起伏，即有最大值;而0.5 水灰比時(shí)，強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而持續(xù)降低。因此，強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中將使用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量作為粉煤灰、硅灰水泥強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中的水灰比。

2.2.2 單摻粉煤灰水泥、單摻硅灰水泥及雙摻(粉煤灰+硅灰)水泥的最佳摻量確定 不同摻量下粉煤灰、硅灰水泥的小型試件3 d 抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

由圖2 可知，3 d 抗壓強(qiáng)度中，粉煤灰水泥在15%粉煤灰摻量時(shí)取得最大值，但略小于基準(zhǔn)水泥;硅灰水泥在5%硅灰摻量時(shí)達(dá)到最大值，并高于基準(zhǔn)水泥;并且，硅灰水泥的強(qiáng)度普遍高于粉煤灰水泥。

由圖3 可知，摻入10%粉煤灰和10%硅灰時(shí)，水泥凈漿試件的3 d 抗壓強(qiáng)度值最大。同時(shí)，觀察到，水泥凈漿加入硅灰后凝結(jié)時(shí)間縮短，加入粉煤灰后則增長［7-9］。

因此，水泥凈漿中粉煤灰的最佳摻量為15%，硅灰為5%，復(fù)摻的最佳摻量為10%粉煤灰和10%硅灰。

圖2 粉煤灰水泥與硅粉水泥凈漿抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of fly ash cement and silica fume cement paste

圖3 粉煤灰、硅粉水泥凈漿抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of fly ash，silica fume cement specimen

2.2.3 粉煤灰、硅灰水泥強(qiáng)度實(shí)驗(yàn) 粉煤灰、硅灰的最佳摻量時(shí)，水泥凈漿試件28 d 抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 不同摻量水泥凈漿抗壓強(qiáng)度Table 2 Strength of different dosage of cement paste

由表2 可知，水泥凈漿試件28 d 的抗壓強(qiáng)度中，復(fù)摻粉煤灰、硅灰的值最大，且大于基準(zhǔn)水泥，粉煤灰水泥的強(qiáng)度最小，硅灰水泥的強(qiáng)度小于但接近基準(zhǔn)水泥。

因此，粉煤灰使得水泥凈漿的早期強(qiáng)度降低，硅灰能保證水泥凈漿的早期強(qiáng)度，而復(fù)摻粉煤灰、硅灰卻能提高水泥凈漿的早期強(qiáng)度［10］。

2.3 粉煤灰和硅灰的作用機(jī)理

粉煤灰在常溫下其火山灰效應(yīng)早期緩慢，原因是其玻璃體微珠外層有致密的玻璃質(zhì)表層，阻礙了粉煤灰與水的接觸，使得參與二次水化的時(shí)間較晚。根據(jù)中南大學(xué)高性能混凝土課題組的研究成果表明，摻超細(xì)粉煤灰的水泥漿體14 d 后才開始參與二次水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物。

硅灰的特性就是其細(xì)度大，具有高度的無定形性質(zhì)及高的SiO2含量。其填充作用從微觀尺度上增加了水泥石的密實(shí)度，火山灰效應(yīng)能將對強(qiáng)度不利的氫氧化鈣轉(zhuǎn)化成C—S—H 凝膠，并填充在水泥水化產(chǎn)物之間，有力地促進(jìn)強(qiáng)度的增長，同時(shí)，硅灰與CH 反應(yīng)，使CH 不斷被消耗，加快水泥的水化速率，提高早期強(qiáng)度。

粉煤灰、硅灰同時(shí)摻入水泥中，三種材料不同的粒徑使微集料的級(jí)配得到了優(yōu)化，有利于緊密堆積和填充;各材料間能優(yōu)勢互補(bǔ)，迅速與水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)，取得較好的早期強(qiáng)度［11-12］。

3 結(jié)論

(1)單摻硅灰加入水泥中，使得水泥凈漿的需水量明顯增加，且水泥凈漿能夠在較短的時(shí)間內(nèi)迅速變得粘稠，且隨著攪拌時(shí)間的延長，粘度會(huì)越來越大，硅灰的摻入量越多，水泥凈漿變粘稠的速度也就越快。

(2)單摻粉煤灰使得水泥凈漿的早期強(qiáng)度降低，粉煤灰的最佳摻量為15%;單摻硅灰能保證水泥凈漿的早期強(qiáng)度，硅灰的最佳摻量為5%;而雙摻(粉煤灰+硅灰)則能提高水泥凈漿的早期強(qiáng)度，雙摻的最佳摻量為10%粉煤灰與10%硅灰。

(3)粉煤灰、硅灰復(fù)摻比單摻能獲得良好的微集料級(jí)配和較迅速地水化反應(yīng)，彌補(bǔ)純水泥石微結(jié)構(gòu)的不足。

［1］ 劉曉華，蓋國勝.微硅粉在國內(nèi)外應(yīng)用概述［J］.鐵合金，2007(5):41-44.

［2］ 馬艷芳，李寧，常鈞.硅灰性能及其再利用的研究進(jìn)展［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2009(10):8-10.

［3］ Zachary C Grasley，David A Lange，Matthew D Ambrosia.Internal relative humidity and drying stress gradients in concrete［J］. Materials and Structures，2006(39):901-909.

［4］ 饒美娟，劉數(shù)華，方坤河.摻合料對超高性能水泥基材料強(qiáng)度的影響［J］.建筑技術(shù)，2009(7):633-634.

［5］ 王秀紅.微硅粉優(yōu)化非石棉纖維增強(qiáng)水泥界面的試驗(yàn)研究［D］.北京:中國建筑材料科學(xué)研究總院，2006.

［6］ 彭利，陳太林，林振榮，等. 硅灰水泥混凝土性能探討［J］.河南建材，2010(1):47.

［7］ 張大康，汪瀾.高性能水泥研究進(jìn)展與評(píng)述［J］.水泥，2006(12):7-15.

［8］ 沈加榮，呂金楊.淺析高性能混凝土與水泥的關(guān)系［J］.中國水泥，2007(6):18-30.

［9］ 張麗娟，田鳳蘭.利用工業(yè)固體廢棄物制備高性能水泥［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2011，23:36-37.

［10］張大康，汪瀾.高性能水泥研究的回顧與思考［J］.水泥工程，2008(5):1-5.

［11］Daniel Cusson，Ted Hoogeveen.An experimental approach for the analysis of early-age behavior of high-performance concrete structures under restrained shrinkage［J］.Cement and Concrete Research，2007，37:200-209.

［12］Atis C D，Ozcan F，Kilic A，et al.Influence of dry and wet curing conditions on compressive strength of silica fume concrete［J］.Building and Environment，2005(40):1678-1683.