粉煤灰與礦粉對地聚物水泥性能的影響研究*

左李萍，蒙海寧，許彥明，朱祥，陸小軍，伊立

（1. 鎮江建科建設科技有限公司，江蘇 鎮江 212004；2. 江蘇鎮江建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 鎮江 212004）

0 引言

隨著人類社會經濟的發展，其資源的消耗越來越多，尤其是非再生資源，無法循環使用，消耗一點就減少一點。而在人類的發展史上非金屬材料一直都有著舉足輕重的地位，自從 19 世紀水泥問世以來，在社會的建設當中發揮著巨大作用，但普通水泥在生產過程中會產生較大污染。因此，采用無機礦物制備多功能的無機材料[1-5]是當今世界材料學研究的重要方向之一。無機聚合物材料因能符合這些要求而引起學術界的重視，地聚物水泥就是一類新型的高性能無機聚合物材料[6-9]。單獨使用偏高嶺土來制備地聚物水泥還是有許多不足之處，因此，本文中考慮采用粉煤灰和礦粉進行復摻改性研究。

1 試驗

1.1 原材料

（1）偏高嶺土：本試驗采用的偏高嶺土取自河北省靈壽縣，其化學成分見表 1。

（2）粉煤灰：選用鎮江諫壁電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，其化學成分見表 2。

表 2 Ⅱ級粉煤灰的化學組成 wt%

（3）礦粉：選用江南水泥粉磨公司生產的 S95 級磨細礦粉，其化學成分見表 3。

表 3 礦粉的化學組成 wt%

（4）激發劑

1）固體激發劑：NaOH 為分析純，純度在 95% 以上。

2）液體激發劑（硅酸鈉）：青島優索化學科技有限公司生產，為半透明狀粘稠液體，其化學成分見表4，用 NaOH 和水調節至所要求的水玻璃模數。

表 4 水玻璃技術指標

1.2 試驗設備（表 5）

表 5 試驗儀器

1.3 試驗配比設計

1.3.1 粉煤灰單摻試驗配比設計

粉煤灰的摻入量分別為 5%、 10% 以及 15% 的不同比例，具體配方見表 6，其中 N9 是前期研究最好的偏高嶺土基地聚物水泥的試驗配比（即，硅酸鈉模數為1.4，堿引入量為 18%，偏高嶺土的摻量為 100%），因而在本文中作為空白組對比。

表 6 單摻粉煤灰的試驗配合比

1.3.2 礦粉單摻試驗配比設計

設計與單摻粉煤灰類似的配合比，便于對比，詳見表 7。

表 7 單摻礦粉的試驗配合比

1.3.3 粉煤灰和礦粉復摻配比設計

粉煤灰和礦粉復摻配比設計為 80% 的偏高嶺土，礦粉和粉煤灰合起來占比為 20%，配比詳見表 8。

表 8 復摻礦粉的試驗配合比

2 結果與討論

2.1 粉煤灰摻量對地聚物水泥流動性能的影響

圖 1 為不同摻量的粉煤灰對地聚物水泥流動性能的影響。由圖 1 可見，當粉煤灰摻入量從 5% 增加到 15%時，其流動性逐漸增大，當摻入 15% 粉煤灰時，其流動度達到 235mm。這是由于粉煤灰是球形顆粒，產生“滾珠效應”，地聚物水泥的流動性能得到提高。

圖 1 粉煤灰的摻量對地聚物水泥流動性能的影響

2.2 粉煤灰摻量對地聚物水泥凝結時間的影響

表 9 表示了不同摻量的粉煤灰對地聚物水泥凝結時間的影響。由表 9 中可知隨著粉煤灰摻量的增加，地聚物水泥的初凝和終凝時間都會延長。這是由于偏高嶺土的火山灰活性要比粉煤灰高，偏高嶺土會優先發生火山灰反應，而粉煤灰反應的滯后性導致了地聚物水泥的凝結時間增加。

表 9 粉煤灰的摻量對地聚物水泥凝結時間的影響

2.3 粉煤灰摻量對地聚物水泥抗壓強度的影響

粉煤灰摻量對地聚物水泥抗壓強度的影響如表 10和圖 2 所示。隨著粉煤灰摻量的增加，其抗壓強度呈下降趨勢。另外隨著粉煤灰的摻入，地聚物水泥的 3d 抗壓強度增長較快，之后抗壓強度增長較緩慢。

表 10 粉煤灰的摻量對地聚物水泥抗壓強度的影響MPa

圖 2 粉煤灰的摻量對地聚物水泥抗壓強度的影響

2.4 礦粉摻量對地聚物水泥流動性能影響

圖 3 為不同摻量的礦粉對地聚物水泥流動性能的影響。由圖 3 可見，當礦粉摻入量增加時，地聚物水泥的流動性也會增加，當礦粉的摻入量為膠凝材料的 15%時，流動性能達到了 220mm。這主要是因為礦粉的粒度很細，從而使地聚物水泥有更好的流動性，但礦粉對地聚物水泥流動性的增加卻沒有粉煤灰好。從圖 3 還可看出，當礦粉的摻入量達到 5% 時，流動性增長幅度最多，隨著增加礦粉的摻入量，地聚物水泥的流動度增長幅度逐漸趨于平緩。

圖 3 礦粉摻量對地聚物水泥流動性能的影響

2.5 礦粉摻量對地聚物水泥凝結時間的影響

從表 11 中可以看出隨著礦粉的摻入，地聚物水泥的凝結時間明顯縮短。由于礦粉是高鈣物質，能迅速發生堿激發反應，減少凝結時間。

表 11 礦粉的摻量對地聚物水泥凝結時間的影響

2.6 礦粉摻量對地聚物水泥抗壓強度的影響

表 12 和圖 4 是不同礦粉的摻量對地聚物水泥強度的影響。由試驗結果可以看出摻入礦粉能提高地聚物水泥的抗壓強度，其中地聚物水泥 3d 抗壓強度的增長幅度最大，達到了 10.3%， 28d 抗壓強度比不加礦粉的增加了 8%。礦粉是高鈣礦物，其能迅速參與堿激發反應，加快堿激發的水化進程。隨著礦粉摻量的增加，其抗壓強度增大。

表 12 礦粉摻量對地聚物水泥抗壓強度性能的影響MPa

圖 4 礦粉摻量對地聚物水泥抗壓強度性能的影響

2.7 粉煤灰與礦粉的復摻對地聚物水泥抗壓強度的影響

由表 13 和圖 5 顯示了粉煤灰和礦粉的復摻對地聚物水泥抗壓強度的影響。由圖可以看出與純偏高嶺土的空白樣相比，M7（5% 粉煤灰，15% 礦粉）組的強度最高，礦粉的摻入對其強度有明顯的促進作用，從 M9 這一組（15% 粉煤灰，5% 礦粉）來看，由于摻入較多的粉煤灰，試塊的抗壓強度最低，對于 M8，該組抗壓強度處于 M7 和 M9 之間。

表 13 粉煤灰—礦粉復摻對地聚物水泥抗壓強度的影響 MPa

圖 5 粉煤灰—礦粉復摻對地聚物水泥抗壓強度的影響

3 小結

（1）隨著粉煤灰摻量的增加漿體的流動性增大，工作性能得到改善。此外，當粉煤灰摻量增加時，地聚物水泥的凝結時間也會增加，同時地聚物水泥的抗壓強度也會降低。

（2）礦粉是高鈣礦物，能迅速參與堿激發反應，同時放出大量的水化熱，從而能夠提高其漿體的溫度，加快偏高嶺土的水化進程。

（3）綜合對流動性能和抗壓強度性能的影響，其較優配方是摻入 5% 的粉煤灰＋15% 的礦粉，3d 強度達到 40.6MPa，28d 強度達到 47.5MPa。