高摻量粉煤灰混凝土活化的實驗研究

夏春波，周 勇，王雪雪

（1天津市北方人力資源管理顧問有限公司 天津 300000）

（2中海油節能環保服務有限公司 天津 300000）

（3天津海賽納米材料有限公司 天津 300000）

1 引言

水泥混凝土，為當下建筑需量最大的人造材料。硅酸鹽水泥的大量使用，即耗費能源又破壞生態環境。同時，我國硅灰資源少，水泥工業極其珍貴的混合材料礦渣日趨緊張，導致價位不斷攀升。電力工業的發展，增加了粉煤灰排量，而其利用率卻不足35%，歷年累積粉煤灰量達十億噸以上，此研究利用粉煤灰具潛在水化活性及火山灰性能的工業廢渣，這一廉價資源若得以充分利用，大摻量的替代水泥熟料進行水泥生產，在解決了工業廢渣粉煤灰對環境的污染同時，還節約了大量的能源，能源的循環利用，催生了混凝土綠色產業的發展。

當下，國內外激發粉煤灰活性主要手段有三種：物理活化法、化學活化法及物理化學活化法。其中，屬物理活化法的效果最低，緣于此方法粉煤灰的摻量有限；相對于物理法，物理化學法的活化程度相對較高，卻因工藝較為復雜、導致成本較高而不被推薦；化學法，活化度較前二者皆高，且粉煤灰的摻量不受制約，相較又最為簡便可行，為推動混凝土綠色發展首選。

屬火山灰質材質的粉煤灰，具潛在水化活性。粉煤灰的活性低于水泥，其摻入將導致混凝土強度降低。因于堿環境內的粉煤灰活性方可激發，可是高摻量的粉煤灰水泥內因水泥熟料含量的降低，致使氫氧化鈣Ca(OH)2不能大量生成，導致粉煤灰活性不能徹底激發。

2 試驗

2.1 原材料

水泥：采用42.5普通硅酸鹽水泥，46.4 MPa抗壓強度。

細骨料：選取2.35細度模數的中砂，。

粗骨料：粒徑5～40 mm的河卵石。

外加劑：選用湖南衡陽銀利化工有限公司高效減水劑，摻量(0.6～0.9)%。

粉煤灰：采用重慶電廠干排灰，依GB1596-91此灰為Ⅲ級灰，為免于粉煤灰因需水量大產生混凝土坍落過快，將控制粉煤灰需水量比＜lOO%。

復合激發劑選取：工業芒硝（硫酸鈉Na2S04為主要成分）+堿性礦粉（主要成分為Ca(OH)2。激發劑組為計量確切，以粉劑質量稱取激發劑，需于粉煤灰水泥攪拌前，提前配為混合液待用。

2.2 方法（機械活化與化學活化法）

械活化法：?1.83m×6.4m型號球磨機，粉煤灰試驗時球磨機鋼球和鋼鍛填充量、級配保持不變，同時保持化學活化法原料配備的成分不變。化學活化法：選取Na2S04+ Ca(OH)2礦粉復合激發劑，加之高效減水劑，選取Ⅲ級粉煤灰與化學外加劑的復配方法，以不等比例摻進50%粉煤灰的水泥膠砂內后，施行標準養護，測試砂漿3d與7d的抗壓與抗折強度。對機械活化及化學活化[Na2S04+ Ca(OH)2復合激發劑]對高摻量粉煤灰水泥混凝土的早期強度作用，展開研究。

3 結果與分析

3.1 化學活化法分析

3.1.1 復合激發劑對砂漿的作用 試驗選取粉煤灰、水泥二者配合，激發劑的摻量由0.4%～1.2%共配制5組試例。謹依《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》于(20±1)℃的濕氣里帶模展開24 h標準養護，試件脫模之后浸于(20±1)℃水內養護到測試日期.高摻量的粉煤灰水泥砂漿試件摻入激發劑之后，強度提升極其顯著，其激發劑摻量0.8%的SA3組試例綜合效應最佳，其抗折強度3d與7d比A3組增加37%與55%，各自達到基準砂漿的49%與66%；抗壓強度3d與7d比A3組各自增加31%與57%，各自為基準砂漿的66%與73%。

3.1.2 復合激發劑對粉煤灰混凝土的作用 依《普通混凝土配合比設計規程》與《粉煤灰混凝土應用技術規范》，選取水膠比為0.45、50%粉煤灰替代水泥的方法，進行高摻量粉煤灰的混凝土配制，試例配比與性能。

試驗結果發現，不管膠砂或混凝土，強度皆隨激發劑摻量加大而增強。可若摻量<0.6%，強度增加不明顯；摻量≥1.2，強度增長變慢；若水泥S03的含量過高，則將誘發安定性不良。由此判定，對水泥粉煤灰體系早期水化激發的作用復合激發劑存有有效摻量，本試驗中激發劑的推薦摻量為（0.8～1.0）%。

3.1.3 復合激發劑的活化機理分析 伴隨粉煤灰摻量的加大，于粉煤灰水泥體系內，緣于粉煤灰大量的摻入令粉煤灰水泥內的有效水灰比提高，水泥水化加大了需水量，導致水泥早期的水化加速。水泥熟料的活化速度獲得提升，相反，粉煤灰的活化速度變緩。盡管粉煤灰大量的摻入令水泥熟料提高了水化速度，可粉煤灰過大摻量，直接降低粉煤灰水化速度，令粉煤灰水泥的水化程度一直較純水泥混凝土水化程度要小。

堿性礦粉在另一組復合激發劑里的摻入、增加了體系內OH-的含量同時，并且對體系初期水化過程里的鈣離子數量進行補給，推動了粉煤灰的水化反應不斷展開。復合激發劑給予了大量的S042-與OH-，水泥熟料快速水化有更多的Ca(OH)2生成，直接導致粉煤灰水化反應極大加速，產生新的針棒狀鈣礬石晶體與水化硅酸鈣、填充了體系內的孔隙，因為大量并且致密的水化產物的生成，極大的提升了混凝土強度。

3.2 機械活化法分析

3.2.1 機械活化的作用 未打磨的粉煤灰3d與7d的抗折與抗壓強度皆比打磨后粉煤灰低，表明機械打磨后，對粉煤灰水泥的活化有促進作用。

3.2.2 機活化的機理分析 為了深入探討機械活化對粉煤類水泥的作用，采用電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）進行微觀結構測試，觀察試件的的形貌變化。經SEM分別對打磨后粉煤灰試件與未經打磨粉煤灰試件展開分析，以此闡述機械活化法對粉煤灰水泥活化的作用。由于經過機械磨粉，致使微粒表面致密層破損，破損面的活性增加，易與堿性礦粉[Ca(OH)2]產生反應，未經打磨的微粒則因其表面相對光滑，活性難于激發，不能于Ca(OH)2充分快速的產生反應。

4 結語

化學活化法的硫酸鈉（Na2S04）+堿性礦粉Ca(OH)2配制而成的復合激發劑，可有效的促進粉煤灰水泥早期的水化激發，將復合激發劑摻入進高摻量粉煤灰水泥中，對混凝土早期強度起到效促作用，試驗中，化學活化法的-復合激發劑最佳摻量為0.8%。

微觀機理顯示，機械活化法，對粉煤灰顆粒表層進行打磨破損后，可提高粉煤灰顆粒的活性，加快粉煤灰于體系的早期水化，可促進漿體水化產物的快速形成及提高水化產物的數量，可提高漿體早期強度。

實驗結果，粉煤灰的活化和填充效應，對水泥漿體體積的穩定性及密實性起到提高作用，極大的改善了高摻量粉煤灰水泥體系的耐久性，表明粉煤灰此廉價資源，取替硅酸鹽水泥熟料進行混凝土生產的可行性，不遠將來將推動我國混凝土業向綠色、可持續性發展邁進。

[1]馬輝.火災后混凝土力學性能的影響因素[J].四川水泥，2017(10).

[2]常江南，馬浩然，劉明珠，朱明玉.提高3D打印混凝土力學性能方法的探索[J].信息記錄材料，2017(01).