低品位粉煤灰在水泥基材料中應用的改善方法研究

陳蔚

（呼和浩特職業(yè)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

粉煤灰具有活性效應、形態(tài)效應和微集料效應，對混凝土的性能有改善作用[1-2]，因此，粉煤灰成為當前高性能混凝土的首選摻合料。但隨著優(yōu)質(zhì)煤資源供應緊缺，灰分多的低品位煤用量增多，低品位粉煤灰產(chǎn)量更多[3]。由于低品位粉煤灰中含碳量高，活性組分相對較少，并且疏松多孔的碳粒使粉煤灰用作水泥基材料時需水量增大，早期強度低，強度發(fā)展緩慢，限制了低品位粉煤灰在建材領域的消納。因此，如何激發(fā)低品位粉煤灰活性，降低低品位粉煤灰需水量，提高其在水泥基材料或混凝土中的摻量，是目前低品位粉煤灰建材資源化利用的一個有效途徑。一些學者研究認為[4]，可以通過機械粉磨、化學激發(fā)和增鈣改性等方法提高低品位粉煤灰活性。粉煤灰細度增大，可供發(fā)生水化反應的活性表面增多，產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，提高水泥基材料的強度[7]；摻入鋼渣、石灰石粉、石膏等材料對低品位粉煤灰性能進行改善，提高低品位粉煤灰的摻量[5-7]。

本文通過膠砂性能試驗，改變低品位粉煤灰細度，摻入鋼渣及石灰石粉，對低品位粉煤灰的性能進行改善，對低品位粉煤灰用作水泥基材料的摻合料具有參考意義。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：拉法基P·O42.5水泥，密度3.11 g/cm3，比表面積367 m2/kg；低品位粉煤灰：燒失量為9.59%，來自河南；鋼渣：河南產(chǎn)；石灰石粉：市售；砂：標準砂；水：自來水。原材料的主要化學成分見表1。

表1 原材料的主要化學成分 %

1.2 低品位粉煤灰的改性方法

（1）通過控制粉磨時間，得到細度分別為304、423、495m2/kg的低品位粉煤灰，對其活性進行改性，提高低品位粉煤灰在水泥基材料中的早期強度。

（2）采用鋼渣與低品位粉煤灰復摻，對低品位粉煤灰活性及需水量進行改善，并得出最佳復摻配合比。

（3）采用石灰石粉與低品位粉煤灰復摻，對低品位粉煤灰需水量進行改善，并得出最佳復摻配合比。

1.3 試驗配合比

根據(jù)GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》規(guī)定的配合比，水泥450 g、砂1350 g、水225 g。低品位粉煤灰分別采用單摻、與鋼渣復摻、與石灰石粉復摻方式取代不同質(zhì)量的水泥。低品位粉煤灰、鋼渣和石灰石粉總體取代水泥比例分別為20%、30%、40%、50%；采用鋼渣與低品位粉煤灰復摻時，鋼渣和低品位粉煤灰質(zhì)量比分別為 1∶4、2∶3、3∶2；采用石灰石粉與低品位粉煤灰復摻時，石灰石粉和低品位粉煤灰質(zhì)量比分別為 1∶4、2∶3、3∶2。

1.4 測試方法

（1）砂漿制備：按照砂漿的配合比，將稱量好的不同配比的膠凝材料加入攪拌鍋內(nèi)，然后加入水，按照GB/T 17671—1999的相關要求進行攪拌。

（2）擴展度測試：按照砂漿的配合比設計及制備方法拌合好所需砂漿，根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測試新拌膠砂的擴展度。

（3）膠砂強度測試：按照砂漿的配合比設計及制備方法拌合好所需砂漿，按照GB/T 17671—1999中的相關要求成型、拆模、養(yǎng)護，測試3 d、28 d抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 粉煤灰細度對水泥基材料性能的影響

通過機械粉磨低品位粉煤灰，提高低品位粉煤灰的細度，增加了玻璃相的比表面積。同時，原來被包裹在粗顆粒里的小顆粒也被暴露出來，內(nèi)部具有活性的SiO2和 Al2O3釋放出來，促使其水化活性及早發(fā)揮。粉煤灰細度及摻量對新拌砂漿擴展度及膠砂抗壓強度的影響見表2。

表2 粉煤灰細度和摻量對水泥基材料性能的影響

由表2可知：

（1）隨著低品位粉煤灰摻量的增加，砂漿擴展度逐漸降低；隨著低品位粉煤灰細度的增大，砂漿擴展度逐漸增大。低品位粉煤灰細度為495 m2/kg時，即使單摻40%的擴展度也比細度為304 m2/kg單摻20%的高，說明磨細之后的低品位粉煤灰的需水量變小，這是由于磨細過程中碳粒發(fā)生變化以及磨細之后的粉煤灰呈現(xiàn)出“滾珠效應”，降低了需水量。不摻粉煤灰時砂漿擴展度為210 mm，當粉煤灰磨細度為495 m2/kg、單摻20%時，在需水量上基本可與空白組相當。

（2）不摻低品位粉煤灰的空白組膠砂28d抗壓強度為46.5 MPa。3種細度下的低品位粉煤灰單摻20%時強度和空白組相差較小，然而當?shù)推肺环勖夯覔搅吭黾拥?0%時，無論細度變化如何，膠砂強度幾乎都較空白組明顯降低。3種細度的低品位粉煤灰28 d活性指數(shù)分別為72.01%、78.32%、84.44%，隨著細度的增大粉煤灰活性逐漸提高，但火山灰活性仍然沒有完全激發(fā)，二次水化反應不充分。

因此，磨細低品位粉煤灰可以改善低品位粉煤灰需水量高的問題，低品位粉煤灰細度在495 m2/kg、單摻20%時需水量基本可與空白組相當，膠砂擴展度為205 mm；磨細低品位粉煤灰可以適當提高其活性，細度為495 m2/kg時，28 d活性指數(shù)為84.44%。

2.2 鋼渣-粉煤灰復摻對水泥基材料性能的影響

低品位粉煤灰用在水泥基材料中時，不僅需要提高強度，還要降低需水量。鋼渣因為較低需水量或基本不需水這一特點，與低品位粉煤灰復合作為膠凝材料，不僅能改善體系需水量大的問題[8-9]，鋼渣中的CaO含量高，其水化生成Ca（OH）2，可以激發(fā)粉煤灰的火山灰活性。同時Ca（OH）2對硅酸鈣、鋁酸鈣產(chǎn)物有催化作用，彌補粉煤灰中的CaO含量低的不足，而粉煤灰中的SiO2和Al2O3含量相對較多，對鋼渣的水化也起到了促進的作用。采用鋼渣與低品位粉煤灰復摻，低品位粉煤灰細度均為423 m2/kg，復摻取代水泥質(zhì)量分別為30%、40%、50%，鋼渣和低品位粉煤灰質(zhì)量比（鋼粉比）分別為1∶4、2∶3、3∶2，鋼渣-粉煤灰復摻對水泥基材料性能的影響見表 3。

表3 鋼渣-粉煤灰復摻對水泥基材料性能的影響

由表3可知：

（1）鋼渣占比越高，水泥基材料的擴展度越大，即使水泥量僅為50%時，對體系需水量也能大大改善，膠砂擴展度能從160 mm增大到201 mm。但是當鋼粉比高于2∶3時，水泥材料擴展度變化較小，鋼粉比3∶2擴展度僅比鋼粉比2∶3時提高4~6 mm。

（2）適量的鋼渣不僅能夠提高體系的早期抗壓強度，對體系28 d抗壓強度也有改善，但是由于鋼渣中含有游離MgO和CaO，當鋼粉比較高或者復摻摻量過大時，水泥基材料的28 d抗壓強度下降。

鋼渣能改善低品位粉煤灰在水泥基材料中需水量高的問題，提高體系的早期強度，但應該控制鋼渣摻量，鋼粉比不宜大于2∶3。當水泥摻量為70%、低品位粉煤灰18%、鋼渣12%時，膠砂擴展度能達到201 mm，28 d抗壓強度為40.1 MPa。

2.3 石灰石粉-粉煤灰復摻對水泥基材料性能的影響

石灰石粉因為在混凝土中具有良好的減水和填充效應而受到關注和應用。陸平和陸樹標[10]研究發(fā)現(xiàn)，在水泥水化過程中，石灰石粉顆粒對Ca2+有著吸附作用，從而降低了C3S周圍因水化釋放的Ca2+，影響了化學反應平衡，加速了C3S的水化反應。胡曙光等[11]研究發(fā)現(xiàn)，石灰石粉摻量越多，水泥標準稠度用水量越小，石灰石粉對水泥的凝結時間無影響。Mustafa Sahmaran等[12]認為，雖然石灰石粉顆粒形狀不如粉煤灰規(guī)則，但它增加了比表面積，對漿體的自由水有一定的吸附功能，摻有石灰石粉的混凝土保水性得到了提高，不易產(chǎn)生離析、泌水。因此，將石灰石粉與粉煤灰復合作為復合膠凝材料，按一定的比例配合，不僅能夠充分發(fā)揮其潛在的膠凝性能，使水化速率進一步提高[13]，還可以降低低品位粉煤灰的需水量。試驗中，采用石灰石粉與低品位粉煤灰復摻，改善低品位粉煤灰在水泥基材料中需水量高，以及避免由于摻入鋼渣導致的后期強度低等問題。其中低品位粉煤灰細度均為423 m2/kg，復摻取代水泥質(zhì)量分別為30%、40%、50%，石灰石粉和低品位粉煤灰質(zhì)量比（石粉比）分別為 1∶4、2∶3、3∶2，石灰石粉-粉煤灰復摻對水泥基材料性能的影響見表4。

表4 石灰石粉-粉煤灰復摻對水泥基材料性能的影響

由表4可知：

（1）隨石粉比的增加，水泥基材料的擴展度逐漸增大。水泥摻量為 60%時，石粉比為 0、1∶4、2∶3 和 3∶2 的膠砂擴展度分別為179、185、189、190 mm。這是因為，石灰石粉有較好的分散作用，在拌制中能均勻分散于水泥顆粒及低品位粉煤灰中，釋放了顆粒之間包裹的自由水，起到分散劑的作用；石灰石粉有填充作用，填充于粉煤灰及水泥的間隙中，能夠形成連續(xù)級配的顆粒堆體系模型，但對水泥基材料的強度貢獻不大。

（2）水泥摻量相同時，石灰石粉對膠砂3 d抗壓強度影響不大，但28 d抗壓強度隨石灰石粉摻量的增加有所提高。水泥摻量為 60%時，石粉比為 0、1∶4、2∶3 和 3∶2 的膠砂 3 d 抗壓強度分別為 15.0、15.4、16.8、15.9 MPa；28 d 抗壓強度分別為33.2、33.7、34.9、36.0 MPa。后期強度升高主要原因是低品位粉煤灰的二次水化作用。

石灰石粉與低品位粉煤灰復摻可以較好地改善低品位粉煤灰需水量高的問題，而且不影響水泥基材料的后期強度，有利于低品位粉煤灰發(fā)揮二次水化作用。

3 結語

低品位粉煤灰需水量大，在水泥基材料中摻量有限，本文通過磨細低品位粉煤灰、復摻鋼渣、復摻石灰石粉對低品位粉煤灰性能進行改善，增大低品位粉煤灰在水泥基材料中的摻量。

（1）磨細低品位粉煤灰可以改善低品位粉煤灰需水量高的問題，隨著低品位粉煤灰細度的增大，水泥基材料的擴展度不同程度的增大。低品位粉煤灰細度為495m2/kg、單摻20%時需水量基本可與空白組相當，擴展度為205 mm；磨細之后的低品位粉煤灰呈現(xiàn)了“滾珠效應”，降低了需水量，而且磨細粉煤灰可以適當提高低品位粉煤灰的活性，細度為495 m2/kg時，28 d活性指數(shù)為84.44%。

（2）鋼渣能有效改善體系的需水量，摻入鋼渣能夠提高體系的早期強度，但鋼渣含有較多的MgO和CaO，因此摻量不宜過高，鋼粉比應小于2∶3，當水泥摻量為70%、低品位粉煤灰18%、鋼渣12%時，擴展度能達到201 mm，膠砂28 d抗壓強度為40.1 MPa。

（3）石灰石粉不僅可以改善體系的需水量，還可以填充于水泥及粉煤灰縫隙中，形成連續(xù)級配的顆粒堆體系模型，有利于粉煤灰更好地發(fā)揮二次水化反應。水泥摻量為70%、低品位粉煤灰18%、石灰石粉12%時，擴展度為201 mm，膠砂28 d抗壓強度達到42.7 MPa。