影响碱-粉煤灰-矿渣基胶凝材料性能因素的探讨(1)

 　 0 前言
　　粉煤灰主要组成为玻璃态物质，其内能高，热力学上处于不稳定状态，具有潜在活性。但粉煤灰玻璃网络结构中［SiO4］4-聚合度高，以通常的碱激发矿渣方法来激发粉煤灰效果不大。根据粉煤灰的结构和水化特点，笔者就影响碱-粉煤灰-矿渣基胶凝材料性能的主要因素进行了试验研究，并取得了较好的效果。
　　1 试验原料及方法
　　1.1 试验用原料：
　　粉煤灰：盐城发电厂干排灰，比重1 820 kg/m3，比表面积173.2 m2/kg。
　　矿渣：扬州钢铁厂，粉磨至比表面积351.9 m2/kg；工业　　水玻璃：模数为2.31。作为碱性激发剂使用时，模数调整为1；化学纯NaOH；晶种：安徽繁昌天然沸石，为斜方沸石、丝光沸石的集合体，粉磨至比表面积686.5 m2/kg。早强剂N，为一种工业废渣。原材料化学成分见表1。
　　表1 原材料化学成分 %
原料 烧失量 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
矿渣 36.78 9.24 5.53 43.26 5.12
　　1.2 试验方法：遵照GB177-85进行强度测定。
　　2 试验结果与讨论
　　2.1 粉煤灰矿渣最佳配合比
　　以0、10%、20%、30%、40%、50%的矿渣取代粉煤灰，外掺3%、模数为1的水玻璃。为控制凝结时间处于正常范围内，另外掺0.5%～1%的Ca(OH)2。同组试验，Ca(OH)2掺入量相同(下同)。试验结果见表2。
　表2 粉煤灰矿渣试验结果
序 粉煤灰 矿渣 水玻璃 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 
号 % 模数 掺量/% 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
　　结果表明：因粉煤灰玻璃结构网络中［SiO4］4-聚合度高，较难为碱激活，因此纯粉煤灰试样C1表现在宏观性能上硬化体强度不高。矿渣玻璃结构网络中［SiO4］4-聚合度低，易被碱激发，水化速度较粉煤灰快，先期形成的水化产物对粉煤灰的水化有诱导作用，因此矿渣取代粉煤灰后，碱粉煤灰　矿渣系统硬化体强度有所增加。由表2亦可知，粉煤灰与矿渣最佳配合比为60∶40。
　　2.2 碱的类型及掺量的影响
　　为探讨不同类型、掺量的碱对碱-粉煤灰-矿渣基胶凝材料性能的影响，以粉煤灰矿渣最佳配合比，外掺不同比例的NaOH和模数为1的水玻璃，试验结果见表3。 
　表3 碱的类型及掺量的影响
序 粉煤灰 矿渣 水玻璃 NaOH 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 
号 % 模数 掺量/% % 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
　　从表3可以看出，碱-粉煤灰-矿渣基胶凝材料硬化体强度随NaOH或水玻璃掺量增加而增加，水玻璃较NaOH作用效果要好。这是因为水玻璃水解产物为NaOH和Si(OH)4，Si(OH)4呈胶体状态存在，胶体有吸附相同组份的性能，一方面Si(OH)4吸附液相中硅氧阴离子团和Ca2+、Na+等，导致液相中简单聚体的缩聚，促使水化产物的形成；另一方面Si(OH)4有助于消除粉煤灰、矿渣周围硅氧阴离子团的过饱和现象，促进粉煤灰、矿渣的解聚过程。考虑掺量与效益关系，水玻璃掺量以3%为宜。
　　2.3 粉煤灰机械活化和碱激发的复合作用
　　粉煤灰中［SiO4］4-聚合度高，在常温下受碱激发较难，因此用通常碱激活矿渣的措施对粉煤灰不完全有效，需要对粉煤灰进行活化处理。本试验采用机械活化和碱激发的复合作用。喷入0.05%助磨剂三乙醇胺的粉煤灰在球磨机中分别粉磨0 min、10 min、20 min、30 min、40 min，测得粉煤灰的比表面积分别为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，再外掺3%、模数为1的水玻璃进行碱激发，试验结果见表4。
　表4 机械活化及碱激发复合作用影响
序号 粉磨时间 粉煤灰细度 粉煤灰 矿渣 水玻璃 抗折强度/MPa 　抗压强度/MPa  min m2·kg-1 % 模数 掺量/%
　　　 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
　　从表4可以看出，粉煤灰经机械活化和碱激发的复合作用后，能显著提高碱-粉煤灰-矿渣基胶凝材料硬化体的强度。这是因为粉煤灰经机械活化，其表面积ΔA增加，表面自由焓ΔG=γΔA(γ为粉煤灰表面自由能)增加，其活性提高；同时，机械活化，使粉煤灰表面缺陷化，活化中心增多。再施以碱激发，提高了液相中OH-和SiO44-离子的浓度，使粉煤灰、矿渣玻璃结构网络加速解聚，液相中阴离子的浓度增大，聚合成水化产物的速度加快，因此碱-粉煤灰-矿渣基胶凝材料硬化体的强度显著提高。由表4亦可看出，粉煤灰粉磨时间过长，早期强度虽有所提高，但后期强度增幅不大，因此粉煤灰的比表面积控制在550 m2/kg～600 m2/kg较为合适。