不同摻量配比對復(fù)合硅酸鹽水泥性能的影響

曹曉非

0 引言

近年來,我國的“十一五、十二五”規(guī)劃突出了節(jié)能減排的要求。而水泥工業(yè)由于實際生產(chǎn)需消耗大量鈣質(zhì)、鐵質(zhì)等校正原料,因此對石灰?guī)r、鐵礦石等礦產(chǎn)資源的需求給環(huán)境帶來了很大的壓力[1-3]。

結(jié)合可持續(xù)發(fā)展的概念及水泥產(chǎn)品本身組分的要求,水泥工業(yè)在已有基礎(chǔ)上加大了對?；郀t礦渣、沸騰爐渣、粉煤灰等工業(yè)廢棄物的利用力度。根據(jù)各地區(qū)的實際情況,這些混合材往往按不同比例混合摻入,但不同類型混合材在水化反應(yīng)中的化學(xué)特性使其實際所得復(fù)合硅酸鹽水泥的產(chǎn)品性能存在著較大的差異[4,5]。

因此,本文通過試驗研究了粉煤灰、?；郀t礦渣及石灰石等幾類常用混合材的混合摻量配比對水泥實際性能的影響,同時,結(jié)合相關(guān)的水化作用機理,對不同類混合材在水泥中的合理摻加比例進行了探討。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗采用的水泥熟料為徐州淮海中聯(lián)水泥提供的 52.5級硅酸鹽水泥熟料。采用的混合材包括徐州熱電廠提供的粉煤灰,徐州鋼鐵廠提供的?；郀t礦渣以及徐州本地開采的石灰石?；旌喜牡幕瘜W(xué)成分見表 1。

表1 混合材的化學(xué)組分

1.2 試驗配合比設(shè)計

為考察各類混合材的不同摻加比例對水泥的作用機理和性能的影響,水泥熟料的摻量范圍為 50%～65%,脫硫石膏摻量固定為 6%,不同類混合材的摻量比例見表 2。

1.3 試驗方法

各類原材料按配合比均勻混合粉磨后,根據(jù) GB/T 1346-2001及GB/T 17671-1999(ISO法)規(guī)定的試驗方法,分別取樣測定相應(yīng)水泥的凝結(jié)時間,同時制成4 cm×4 cm×16 cm的試件,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護至 3 d及 28 d,進行相應(yīng)抗壓強度的測試。

2 試驗結(jié)果及分析

不同配合比的水泥樣品的凝結(jié)時間見表 3。

表2 摻加不同量混合材的復(fù)合硅酸鹽水泥的配合比

表3 不同配合比水泥的實際凝結(jié)時間

由表 3可知,粉煤灰、?；郀t礦渣及石灰石摻量的增加均會延長水泥的實際凝結(jié)時間。相對粉煤灰,高爐礦渣、石灰石對試樣凝結(jié)時間的影響要更大些。

分析成因主要有這幾個方面:粉煤灰無法自發(fā)產(chǎn)生水化反應(yīng),只能在熟料水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境中表現(xiàn)出火山灰活性,而石灰石的主要構(gòu)成為碳酸鈣,對水泥的水化反應(yīng)促進作用微弱,粉煤灰及石灰石的微細顆粒填充于水泥顆粒的空隙中,減少了水泥顆粒與水之間以及水泥顆粒相互之間的接觸,“稀釋”了水泥的濃度,阻礙了水泥的水化;高爐礦渣雖具有潛在水硬性,但在高溫下水淬急冷后,表面形成了一層致密的水化硅酸鈣包覆層,對其前期的水化反應(yīng)產(chǎn)生了一定的削弱作用。相對高爐礦渣和石灰石粉,粉煤灰的高細度和大比表面積所帶來的高反應(yīng)活性使其對水泥凝結(jié)時間的延長作用更小。

不同配合比水泥試樣的不同時期抗壓強度變化如圖 1～圖 3所示。

由圖 1可知,隨著粉煤灰摻量的增加,相應(yīng)水泥試樣的強度呈線性下降趨勢,其中 3 d早期強度下降幅度較大,而 28 d后期強度的降低幅度相對平緩。在其他條件不變的情況下,粉煤灰摻量的提高等同于以粉煤灰替代部分水泥熟料礦物,控制水泥水化反應(yīng)的有效水灰比相對增大,溶液中 Ca2+濃度降低,生成的水化產(chǎn)物數(shù)量減少導(dǎo)致顆粒之間連接不緊密,相應(yīng)早期強度下降嚴(yán)重。到 28 d測試期時,堿性液相環(huán)境中粉煤灰火山反應(yīng)的不斷進行以及細顆粒填充效應(yīng)的發(fā)揮,使?jié){體內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于致密,水化產(chǎn)物間的相互交連程度得以改善,粉煤灰摻量對強度的削弱程度相對降低。

由圖 2可知,石灰石摻量較少時,相應(yīng)水泥試樣的 3 d強度變化不大,而 28 d強度略有下降。細度較高的石灰石粉取代部分水泥熟料后,雖然不能直接參與或明顯促進相應(yīng)水化反應(yīng),但能填充水泥在水化反應(yīng)中所形成的孔隙,增加硬化體的密實度,同時能置換少部分鈣釩石中的硫酸鹽,增加膠凝體的數(shù)量。被置換的硫酸鹽重新作為激發(fā)劑促進高爐礦渣的水化反應(yīng),加快其早期強度的形成[6]。

但是,摻量超過 4%時,石灰石有限的填充作用和置換作用無法補償水泥熟料減少對水化產(chǎn)物總量產(chǎn)生的負面影響,導(dǎo)致水化物致密體系的形成受到阻礙,進而使試樣的早期及后期強度均發(fā)生較大幅度的線性下降。

由圖 3可知,隨著礦渣摻量的增加,水泥試樣的3 d早期強度基本無變化,28 d強度則有所遞增。

礦渣的潛在水硬性得以發(fā)揮的關(guān)鍵是創(chuàng)造離子擴散通過包覆層的條件,促使包覆膜破滅。在未加入激發(fā)劑的條件下,這就需要水泥熟料礦物預(yù)先水化一定時間,產(chǎn)生足量的氫氧化鈣來形成堿性液相環(huán)境。到 28 d測試期時,礦渣表面包覆層破碎,本身亞穩(wěn)定物相的水硬活性促進了與其相接觸的水泥顆粒的水化反應(yīng),改善了顆粒間的界面粘結(jié)強度以及水泥漿體的孔結(jié)構(gòu),從而增強了試樣的強度[7]。

3 結(jié)語

1)石灰石粉的摻量增加對復(fù)合硅酸鹽水泥的凝結(jié)時間及強度具有較強的負面影響。確定水泥組分配比時,應(yīng)確保石灰石粉的摻量為微量(≤4%)。

2)隨粉煤灰及?；郀t礦渣的摻量增加,復(fù)合硅酸鹽水泥的凝結(jié)時間均延長,其中高爐礦渣的影響更明顯。而粉煤灰的摻量增加對復(fù)合水泥的強度(尤其是早期強度)削弱較嚴(yán)重,高爐礦渣的摻量增加則有利于復(fù)合水泥后期強度的提高。但礦渣摻量過度增大所引起的水泥終凝時間過長可能影響到產(chǎn)品的實際工藝應(yīng)用性能,且礦渣及粉煤灰的相應(yīng)活性反應(yīng)均需要一定量的熟料水化后的堿性液相加以激發(fā)。

因此,實際設(shè)計復(fù)合硅酸鹽水泥的組分時,應(yīng)根據(jù)可能水化反應(yīng)的反應(yīng)物比例確定粉煤灰與高爐礦渣的摻量,并通過引入足量熟料、加入堿性或硫酸鹽激發(fā)劑、加強混合材粉磨程度等方法確保水化激發(fā)連鎖反應(yīng)的順利進行,保證水泥產(chǎn)品的實際質(zhì)量。

[1] 毛玉如,方夢祥,馬國維.水泥工業(yè)的廢棄物利用與CO2排放控制探討[J].再生資源研究,2004(4):32-37.

[2] 李 銓.水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與環(huán)保產(chǎn)業(yè)的機遇[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2004(1):22-23.

[3] 韓彩霞.水泥工業(yè)對三廢資源化利用的適應(yīng)性和優(yōu)勢[J].中國建設(shè)教育,2007,8(8):52-54.

[4] 景 國,李文斌.不同細度和摻量的粉煤灰對水泥性能的影響[J].四川水泥,2010(2):53-54.

[5] 朱建平,李東旭,杜亮波,等.混合材對高阿利特水泥性能的影響[J].建筑材料學(xué)報,2009,12(5):584-589.

[6] 樸應(yīng)模.無機激發(fā)劑對無熟料高爐礦渣水泥的作用機理及強度效果[J].延邊大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,29(3): 220-224.

[7] 李 遷,劉冬霞.礦粉對水泥及混凝土性能的影響與應(yīng)用[J].遼寧建材,2008(12):50-51.