不同摻量粉煤灰對水泥綜合性能的影響

2015-02-26 04:57:32宿靜

黑龍江交通科技 2015年8期

宿　靜

(山西交通規劃勘察設計院)

不同摻量粉煤灰對水泥綜合性能的影響

宿靜

(山西交通規劃勘察設計院)

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區間內的顆粒的含量；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。在工業廢渣再生資源化研究中，各種工業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效應、活性效應以及微集料效應已廣泛應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作為國策的一環。中國是粉煤灰資源大國，但粉煤灰利用技術水平低、綜合利用率低，從環境保護和綜合利用的角度出發，不斷提高粉煤灰的利用率已經顯得刻不容緩。粉煤灰的綜合利用，需要電力、建材、建筑、環保等部門統一認識，因此，研究粉煤灰摻加量大于50%的粉煤灰水泥技術已引起學術界和工程界的密切關注。現階段高摻量粉煤灰水泥在一些實驗室研究已經獲得成功，但是應用于實際的并不多，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，但是長期性能不穩定。本文重點研究高摻量粉煤灰對水泥物理和化學性能等的影響，以期豐富水泥水化基礎理論，對粉煤灰的綜合利用產生一定的理論指導作用。

2水化機理

粉煤灰在形成過程中經歷了高溫，冷卻后，結構中保留一定量的玻璃質物質，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生的火山灰反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。由于火山灰反應減少了系統中氫氧化鈣的含量，又可加速水泥熟料的水化。由此可見，在這一系統中同時存在著水泥與水的水化反應以及粉煤灰的活性組分與Ca(OH)2的火山灰反應，而且這兩個反應是相互關聯的。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，在保證粉煤灰水泥性能的基礎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組成均值如表1所示。

表1　HF化學成分分析　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化學組成和國內粉煤灰的平均水平相當，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)標砂

實驗采用國家標準規定的ISO標準砂，由廈門艾思歐標準砂有限公司生產。

(5)外加劑

實驗采用少量(≤1%)自配的弱堿性激發劑。

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

灰色系統是介于白色系統和黑色系統之間的一種系統。粉煤灰水泥系統具有灰色系統的特點，灰色關聯分析所計算的關聯度是因素之間關聯性的“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量、粉煤灰的活性等因素有關，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，根據灰色關聯度的計算步驟，計算粉煤灰水泥 3d、7d和 28d抗壓強度與顆粒區間分布的關聯度，結果見表3。

表3　顆粒區間分布與粉煤灰水泥抗壓

從表3可以看出：當粉煤灰摻量為50%，13～18μm區間內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區間內的顆粒的含量。

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，凝結時間相應增長，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。每次凍融循環在 2～4h內完成，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；(2)相對動彈模下降到 60% 以下；(3)重量損失率達 5%。實驗結果如表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 300 次凍融循環后的相對動彈性模量和質量損失率。從相對動彈性模量的變化指標來看，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。這說明經受 300 次凍融循環后，各粉煤灰摻量的混凝土的內部損傷情況基本一致，粉煤灰的水化活性遠比水泥熟料低；生成的水化產物顆粒之間連接不夠緊密，而從重量損失率的指標來看，粉煤灰摻量越大，相應地降低了早期強度，即經受凍融循環后，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的進行以及粉煤灰顆粒的填充效應的發揮，這樣混凝土內部的可凍水總量就較少，當經受凍融循環時，混凝土內部產生的應力就較小，受到的損失就較小。

5結論

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區間內的顆粒的含量。

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[M].武漢:武漢工業大學出版社, 1993. 245-257.