礦渣粉與粉煤灰改善水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性能差異研究

2021-11-12 01:51:44宮經偉謝剛川賈洪全

水力發電 2021年8期

宮經偉，謝剛川，賈洪全，秦燦

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052)

0 引言

摻礦渣粉與粉煤灰水泥基材料抗侵蝕性能的差異，主要與粉煤灰和礦渣粉的化學成分、火山灰活性有關。多數學者研究表明，摻粉煤灰水泥基材料的抗侵蝕性能優于摻礦渣粉水泥基材料；少數學者的研究得出相反結論[8-11]。目前，已有研究硫酸鹽濃度設置較為單一，還未深入研究粉煤灰與礦渣粉活性礦物含量、侵蝕前的火山灰反應程度對水泥基材料抗侵蝕性能的影響。為此，本文通過硫酸鹽侵蝕試驗，宏觀上分析不同濃度硫酸鹽侵蝕下摻礦渣粉與粉煤灰水泥基材料抗侵蝕性能的差異；并運用掃描電子顯微鏡和X射線衍射等微觀測試手段，深入分析礦渣粉與粉煤灰的活性礦物含量、火山灰活性和硫酸鹽濃度對其抗侵蝕性能的影響及作用機理，為新疆地區合理應用礦渣粉與粉煤灰改善水泥基材料的抗侵蝕性能提供參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

水泥采用新疆阜康天山水泥廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，混合材為粉煤灰和石灰石，比表面積389 m2/kg。礦渣粉采用新疆寶新盛源建材有限公司生產的S75級礦渣粉，比表面積427 m2/kg。粉煤灰采用新疆五彩灣火力發電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，比表面積424 m2/kg，3種材料的化學和礦物組成見表1。砂采用符合國家標準GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法》要求的標準砂；拌和用水為實驗室自來水，配制侵蝕溶液用水為蒸餾水；硫酸鈉采用天津致遠化學試劑有限公司的無水硫酸鈉(分析純)。

表1 試驗原材料的化學和礦物組成 %

礦渣粉與粉煤灰的XRD圖譜及粒徑分布曲線如圖1所示。由圖1a、1b可知，礦渣粉的XRD圖譜上無明顯尖銳結晶峰，譜線呈“駝峰狀”分布，說明礦渣粉中晶態固體含量較少，玻璃體含量較高。粉煤灰的XRD圖譜上有一定程度的結晶峰，結晶體主要為莫來石和石英；在2θ=10°～30°有一定程度的玻璃相特征峰丘，但峰背底高度與面積均小于礦渣粉，說明其玻璃體含量較少。玻璃體含量越高，火山灰活性越強[12]。由圖1c可知，礦渣粉與粉煤灰的顆粒粒徑分布相差甚小。

圖1 礦渣粉與粉煤灰的XRD圖譜及粒徑分布曲線

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

1.2.2 試驗過程

選取部分侵蝕后的試件，用Quanta FEG 250型掃描電子顯微鏡觀測其微觀形貌，用帕納科銳影XpertProMPD X射線衍射儀(XRD)分析其化學組分。

2 結果與討論

2.1 不同配比水泥膠砂試件的抗蝕系數劣化規律

圖2 不同濃度硫酸鹽侵蝕下各配比水泥膠砂試件的抗蝕系數變化曲線

2.2 侵蝕前礦渣粉與粉煤灰火山灰反應的差異

摻礦渣粉與粉煤灰膠凝體系中，當水泥石孔溶液的pH值大于13.3時，礦渣粉與粉煤灰中的硅和鋁才能被有效溶解出來發生火山灰反應[14]。火山灰反應將消耗膠凝體系中的Ca(OH)2，生成C-A-H凝膠和低堿度C-S-H凝膠。化學反應方程式如下[6]：2SiO2+3Ca(OH)2+H2O→3CaO·2SiO2·4H2O； Al2O3+3Ca(OH)2+3H2O→3CaO·Al2O3·6H2O。

摻礦渣粉與粉煤灰膠凝體系的堿環境主要由水泥熟料中的C3S快速水化生成的Ca(OH)2提供；另外，礦渣粉與粉煤灰中的CaO遇水反應也會生成Ca(OH)2，進一步增加水泥石孔溶液的堿度。首先，粉煤灰對水泥水化有一定的阻礙作用，礦渣粉對水泥水化有促進作用。其次，礦渣粉的CaO含量約為粉煤灰的7.2倍，且摻量小于70%時，基本不影響礦渣粉的反應程度；故摻礦渣粉膠凝體系中的Ca(OH)2供給量更為充足，礦渣粉自加水就開始發生火山灰反應，而粉煤灰的火山灰反應開始于加水24 h后[15]。此外，相比于粉煤灰而言，礦渣在收集過程中，冷卻過程更劇烈，玻璃體含量相對較高。圖1的XRD圖譜也表明礦渣粉的玻璃體含量高于粉煤灰，這使得礦渣粉的火山灰活性更強，反應速率更快。

綜上所述，相比于粉煤灰而言，礦渣粉的火山灰反應開始時間較早，且火山灰反應速率遠大于粉煤灰。28 d養護期內，粉煤灰的火山灰反應程度只有1.5%～5.5%[16]，而礦渣粉的火山反應程度達到了30%～50%[17]，是粉煤灰的5～9倍。因礦渣粉的火山灰反應開始時間較早，且反應速率較快，將消耗更多的Ca(OH)2，抑制侵蝕發生。同時，火山灰反應會生成水化鋁酸鈣(C-A-H)凝膠與低鈣硅比水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，再次填充水泥石的凝膠孔，進一步改善孔結構，減緩侵蝕速率。因此，侵蝕前礦渣粉對水泥基材料抗侵蝕性能的改善效果更好。

2.3 侵蝕后摻礦渣粉與粉煤灰水泥基材料微觀結構的差異

圖3 試件在濃度為20 000 mg/L的溶液中侵蝕9個月后的SEM照片

微觀測試結果表明，礦渣粉與粉煤灰顆粒分散填充在膠凝材料中，并發生火山灰反應生成新的膠凝產物填充水泥石凝膠孔，增強水泥石密實度。另外，摻入礦渣粉與粉煤灰減少了水泥用量，特別是C3S、C3A含量。本試驗中礦渣粉與粉煤灰的粒徑分布相近，摻量相同時，水泥熟料中的C3S、C3A含量減少比例也相同。然而，因礦渣粉的火山灰反應程度遠高于粉煤灰，消耗了更多易被侵蝕的Ca(OH)2，并生成更多的C-S-H凝膠填充水泥石凝膠孔；故摻礦渣粉膠砂試件水泥石孔隙孔徑較小，密實度較高，侵蝕產物生成量較少，抗侵蝕性能更為優異。