水熱激發和化學活化對粉煤灰制品性能的影響

段光福

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

水熱激發和化學活化對粉煤灰制品性能的影響

段光福

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

這里測定了采用水熱激發和化學活化的粉煤灰樣品的抗壓強度，通過XRD和SEM分析了其礦物組成。研究結果表明:以石膏和石灰為化學活化劑的粉煤灰樣品，80℃低溫水熱激發條件下生成大量的鈣礬石；180℃高溫水熱激發條件下鈣礬石分解，生成的主要為水化石榴石。鈣礬石的生成能顯著提高粉煤灰樣品的抗壓強度，而鈣礬石分解，水化石榴石的大量生成，導致粉煤灰樣品強度明顯降低。

粉煤灰；水熱激發；化學活化；鈣礬石；水化石榴石

0 前言

粉煤灰活性激發途徑主要有三種:一是物理活化，即通過機械磨細來破壞粉煤灰的玻璃體，同時增加比表面積，以加快水化反應速度；二是化學活化，即通過化學激發劑來激發粉煤灰的活性，常用的粉煤灰激發劑、堿性激發劑、硫酸鹽等；三是水熱激發。這里主要以循環流化床鍋爐產生的粉煤灰為研究對象，同時采用水熱激發和化學活化，測定了粉煤灰樣品的抗壓強度，并通過XRD和SEM分析其礦物組成，研究了水熱激發和化學活化對粉煤灰樣品性能的影響。

1 樣品制備和樣品的抗壓強度

按表1的重量配比加水混勻并壓制成型。成型好的樣品分別在180℃、0.8 MPa的蒸汽條件下養護8 h和在80℃、常壓蒸汽條件下養護時間24 h。

表1 粉煤灰化學活化和水熱激發條件wt%

樣品養護完成后，在水中浸泡24 h，取出測定其抗壓強度，結果見圖1。

從圖1可以看出,采用相同的化學激發劑,80℃低溫水熱激發條件下粉煤灰樣品抗壓強度要高于180℃高溫水熱激發條件下粉煤灰樣品抗壓強度，尤其是加有石膏的粉煤灰樣品，80℃低溫水熱激發條件下粉煤灰樣品抗壓強度要明顯高于180℃高溫水熱激發條件下粉煤灰樣品。另外，80℃低溫水熱激發條件下，加石膏的粉煤灰樣品強度要明顯高于不加石膏的粉煤灰樣品，180℃高溫水熱激發條件下，加石膏的粉煤灰樣品強度要略低于不加石膏的粉煤灰樣品。由以上分析可知，低溫水熱激發和添加有石膏的化學活化有利于提高粉煤灰制品的抗壓強度。

圖1 各樣品抗壓強度

2 樣品的XRD和SEM分析

樣品1和樣品2的XRD分析結果見圖2，樣品3和樣品4的XRD分析結果見圖3。

圖2 樣品1和樣品2 XRD分析結果

從圖2 XRD分析結果可以看出，樣品1主要礦物相為二氧化硅、赤鐵礦、方解石，同時含有少量的水化石榴石和水化硫鋁酸鈣，樣品2主要礦物相為二氧化硅、赤鐵礦、方解石、水化石榴石，不含有水化硫鋁酸鈣，樣品2生成水化石榴石相明顯大于樣品1。二氧化硅、赤鐵礦是粉煤灰中本身就含有的物相,方解石是石灰與空氣中二氧化碳反應生成物相，水化石榴石和水化硫鋁酸鈣是石灰與粉煤灰在水熱激發條件下反應生成的物相，可見180℃高溫水熱激發條件下，更有利于水化石榴石的生成。

圖3 樣品3和樣品4 XRD分析結果

從圖3 XRD分析結果可以看出,樣品3生成了大量的鈣礬石和其他水化硫鋁酸鈣物相，但不能發現水化石榴石物相；樣品4中可以發現大量的水化石榴石物相，但不能發現鈣礬石和其他水化硫鋁酸鈣物相。由以上分析可知，以石膏和石灰為化學活化劑的粉煤灰樣品，80℃低溫水熱激發條件下生成的主要為鈣礬石和其他水化硫鋁酸鈣物相，180℃高溫水熱激發條件下生成的主要為水化石榴石。

圖4 樣品2和樣品3 SEM圖片

為進一步確定XRD分析結果的可靠性,對樣品2和樣品3進行了SEM分析，分析結果見圖4。

從圖4樣品2 SEM照片中可以看到大量堆積的水化石榴石，樣品3 SEM照片中可以看到交錯生長的針棒狀鈣礬石。圖4分析結果與XRD分析結果一致。

80℃低溫水熱激發條件下，單純采用石灰化學活化,粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3與石灰反應生成水化石榴石；同時采用石灰和石膏化學活化，粉煤灰中的活性Al2O3首先與石灰和石膏生成鈣礬石和其他水化硫鋁酸鈣物相。鈣礬石是膠結能力很好的物質，鈣礬石的生成能顯著提高粉煤灰制品的抗壓強度。在100℃左右鈣礬石開始分解，并伴隨著水分子的失去[1]，175°C時鈣礬石分解完成，晶體結構完全破壞，變成了無定型結構[2]。鈣礬石的分解導致粉煤灰樣品的抗壓強度顯著降低。

180 ℃高溫水熱激發條件下,無論單純采用石灰化學活化還是同時采用石灰和石膏化學活化，粉煤灰樣品中均可大量生成水化石榴石。水化石榴石的膠結能力很差，但具有較好的抗碳化性能，在生成量不大的前提下，可以提高粉煤灰制品的抗碳化性能,但是其大量生成會降低粉煤灰制品的抗壓強度。

3 結論

1）采用石灰和石膏化學活化，80℃低溫水熱激發條件下,粉煤灰制品中將會大量生成鈣礬石，鈣礬石生成能顯著提高粉煤灰制品的強度；180℃高溫水熱激發條件下鈣礬石分解，鈣礬石的分解導致粉煤灰樣品的抗壓強度顯著降低。

2）180 ℃高溫水熱激發條件下,無論單純采用石灰化學活化還是同時采用石灰和石膏化學活化，粉煤灰樣品中均可大量生成水化石榴石，水化石榴石大量生成，會降低粉煤灰制品的抗壓強度。

[1]S.Gon i,A.Guerrero,M.P.Luxa'n,A.Mac1.Activation of the f1y ash pozzo1anic reaction by hydrotherma1 conditions. Cement and Concrete Research,2003(33):1399-1405.

[2]Zhou Q,Glasser F.P.Thermal stability and decomposition mechanisms of ettringite at＜120℃.Cement and Concrete Research,2001,9,31(9):1333-1339.