影響堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料性能因素的探討(1)

 　 0 前言
　　粉煤灰主要組成為玻璃態(tài)物質(zhì)，其內(nèi)能高，熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有潛在活性。但粉煤灰玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中［SiO4］4-聚合度高，以通常的堿激發(fā)礦渣方法來激發(fā)粉煤灰效果不大。根據(jù)粉煤灰的結(jié)構(gòu)和水化特點(diǎn)，筆者就影響堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料性能的主要因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并取得了較好的效果。
　　1 試驗(yàn)原料及方法
　　1.1 試驗(yàn)用原料：
　　粉煤灰：鹽城發(fā)電廠干排灰，比重1 820 kg/m3，比表面積173.2 m2/kg。
　　礦渣：揚(yáng)州鋼鐵廠，粉磨至比表面積351.9 m2/kg；工業(yè)　　水玻璃：模數(shù)為2.31。作為堿性激發(fā)劑使用時(shí)，模數(shù)調(diào)整為1；化學(xué)純NaOH；晶種：安徽繁昌天然沸石，為斜方沸石、絲光沸石的集合體，粉磨至比表面積686.5 m2/kg。早強(qiáng)劑N，為一種工業(yè)廢渣。原材料化學(xué)成分見表1。
　　表1 原材料化學(xué)成分 %
原料 燒失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O 
粉煤灰 7.2 47.76 30.12 7.63 3.70 0.82 0.95
礦渣 36.78 9.24 5.53 43.26 5.12
　　1.2 試驗(yàn)方法：遵照GB177-85進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定。
　　2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
　　2.1 粉煤灰礦渣最佳配合比
　　以0、10%、20%、30%、40%、50%的礦渣取代粉煤灰，外摻3%、模數(shù)為1的水玻璃。為控制凝結(jié)時(shí)間處于正常范圍內(nèi)，另外摻0.5%～1%的Ca(OH)2。同組試驗(yàn)，Ca(OH)2摻入量相同(下同)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。
　表2 粉煤灰礦渣試驗(yàn)結(jié)果
序 粉煤灰 礦渣 水玻璃 抗折強(qiáng)度/MPa 抗壓強(qiáng)度/MPa 
號(hào) % 模數(shù) 摻量/% 3d 28d 3d 28d 
C1 100 0 1 3 1.77 3.62 3.12 19.44
C2 90 10 1 3 2.43 4.53 4.61 28.13
C3 80 20 1 3 3.26 5.34 5.46 32.72
C4 70 30 1 3 3.94 6.43 6.22 35.14
C5 60 40 1 3 4.15 6.96 6.81 37.45
C6 50 50 1 3 3.72 6.58 6.43 36.41
　　結(jié)果表明：因粉煤灰玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中［SiO4］4-聚合度高，較難為堿激活，因此純粉煤灰試樣C1表現(xiàn)在宏觀性能上硬化體強(qiáng)度不高。礦渣玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中［SiO4］4-聚合度低，易被堿激發(fā)，水化速度較粉煤灰快，先期形成的水化產(chǎn)物對(duì)粉煤灰的水化有誘導(dǎo)作用，因此礦渣取代粉煤灰后，堿粉煤灰　礦渣系統(tǒng)硬化體強(qiáng)度有所增加。由表2亦可知，粉煤灰與礦渣最佳配合比為60∶40。
　　2.2 堿的類型及摻量的影響
　　為探討不同類型、摻量的堿對(duì)堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料性能的影響，以粉煤灰礦渣最佳配合比，外摻不同比例的NaOH和模數(shù)為1的水玻璃，試驗(yàn)結(jié)果見表3。 
　表3 堿的類型及摻量的影響
序 粉煤灰 礦渣 水玻璃 NaOH 抗折強(qiáng)度/MPa 抗壓強(qiáng)度/MPa 
號(hào) % 模數(shù) 摻量/% % 3d 28d 3d 28d 
D1 60 40 1 2 3.52 6.01 5.72 33.13
D2 60 40 1 3 4.15 6.96 6.81 37.45
D3 60 40 1 4 5.24 7.22 7.13 38.26
D4 60 40 2 3.91 5.27 4.84 28.69
D5 60 40 3 4.15 5.62 5.59 34.21
D6 60 40 4 4.63 6.24 6.35 35.78
　　從表3可以看出，堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料硬化體強(qiáng)度隨NaOH或水玻璃摻量增加而增加，水玻璃較NaOH作用效果要好。這是因?yàn)樗Ａ猱a(chǎn)物為NaOH和Si(OH)4，Si(OH)4呈膠體狀態(tài)存在，膠體有吸附相同組份的性能，一方面Si(OH)4吸附液相中硅氧陰離子團(tuán)和Ca2+、Na+等，導(dǎo)致液相中簡(jiǎn)單聚體的縮聚，促使水化產(chǎn)物的形成；另一方面Si(OH)4有助于消除粉煤灰、礦渣周圍硅氧陰離子團(tuán)的過飽和現(xiàn)象，促進(jìn)粉煤灰、礦渣的解聚過程?？紤]摻量與效益關(guān)系，水玻璃摻量以3%為宜。
　　2.3 粉煤灰機(jī)械活化和堿激發(fā)的復(fù)合作用
　　粉煤灰中［SiO4］4-聚合度高，在常溫下受堿激發(fā)較難，因此用通常堿激活礦渣的措施對(duì)粉煤灰不完全有效，需要對(duì)粉煤灰進(jìn)行活化處理。本試驗(yàn)采用機(jī)械活化和堿激發(fā)的復(fù)合作用。噴入0.05%助磨劑三乙醇胺的粉煤灰在球磨機(jī)中分別粉磨0 min、10 min、20 min、30 min、40 min，測(cè)得粉煤灰的比表面積分別為173.2 m2/kg、556.2 m2/kg、629.3m2/kg、686.1 m2/kg、732.9 m2/kg。取粉煤灰最佳配合比，再外摻3%、模數(shù)為1的水玻璃進(jìn)行堿激發(fā)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。
　表4 機(jī)械活化及堿激發(fā)復(fù)合作用影響?yīng)?br> 序號(hào) 粉磨時(shí)間 粉煤灰細(xì)度 粉煤灰 礦渣 水玻璃 抗折強(qiáng)度/MPa 　抗壓強(qiáng)度/MPa  min m2·kg-1 % 模數(shù) 摻量/%
　　　 3d 28d 3d 28d 
F1 0 173.2 60 40 1 3 4.15 6.96 6.81 37.45
F2 10 556.2 60 40 1 3 5.48 7.82 21.22 48.34
F3 20 628.3 60 40 1 3 6.17 8.14 24.41 49.15
F4 30 696.1 60 40 1 3 6.59 8.52 25.65 53.32
F5 40 732.9 60 40 1 3 7.10 8.06 25.79 51.46
　　從表4可以看出，粉煤灰經(jīng)機(jī)械活化和堿激發(fā)的復(fù)合作用后，能顯著提高堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料硬化體的強(qiáng)度。這是因?yàn)榉勖夯医?jīng)機(jī)械活化，其表面積ΔA增加，表面自由焓ΔG=γΔA(γ為粉煤灰表面自由能)增加，其活性提高；同時(shí)，機(jī)械活化，使粉煤灰表面缺陷化，活化中心增多。再施以堿激發(fā)，提高了液相中OH-和SiO44-離子的濃度，使粉煤灰、礦渣玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)加速解聚，液相中陰離子的濃度增大，聚合成水化產(chǎn)物的速度加快，因此堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料硬化體的強(qiáng)度顯著提高。由表4亦可看出，粉煤灰粉磨時(shí)間過長(zhǎng)，早期強(qiáng)度雖有所提高，但后期強(qiáng)度增幅不大，因此粉煤灰的比表面積控制在550 m2/kg～600 m2/kg較為合適。