不同摻量的磨細(xì)粉煤灰對水泥性能的影響研究

章慧蘭 閆文學(xué)

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021;2.吳忠儀表有限責(zé)任公司，寧夏吳忠 751100)

粉煤灰是煤燃燒后的煙氣中收集下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰如果不加處理，就會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，污染環(huán)境，其中的有毒化學(xué)物質(zhì)對人體和生物產(chǎn)生極大危害。在混凝土中摻入適量的粉煤灰不僅可以保證混凝土的強(qiáng)度、耐久性，還可以顯著改善混凝土的外觀質(zhì)量，降低工程造價(jià)，具有循環(huán)利用廢物和節(jié)約水泥的雙重作用，有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景［1-4］。本試驗(yàn)就粉煤灰在不同球磨時(shí)間和不同摻量下水泥膠砂性能進(jìn)行研究，以期找到最合適的粉煤灰添加量，為工程實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥:國內(nèi)某水泥廠P.O42.5級水泥。

粉煤灰:國內(nèi)某電廠粉煤灰，其化學(xué)組成見表1。

表1 粉煤灰化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

為了比較不同球磨時(shí)間的粉煤灰對水泥膠砂性能的影響，將粉煤灰在球磨機(jī)里分別研磨0 min，10 min和20 min，并分別進(jìn)行編號(hào)F0，F(xiàn)10和F20。不同球磨時(shí)間的粉煤灰的篩余見表2。

表2 不同球磨時(shí)間的粉煤灰篩余 %

將不同球磨時(shí)間的粉煤灰按照不同摻加量摻入同一種標(biāo)號(hào)的水泥熟料中，成型后在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，分別進(jìn)行安定性檢測和抗壓強(qiáng)度測試，安定性測定GB/T 1346-2001水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢測方法的雷氏夾，抗拉強(qiáng)度測試采用GT/B 17671-1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰球磨時(shí)間對水泥安定性的影響

分別將球磨時(shí)間0 min，10 min，20 min的兩種粉煤灰按照不同摻量進(jìn)行漿料的安定性試驗(yàn)。試餅全部合格，雷氏夾結(jié)果見表3。

表3 不同摻量的粉煤灰水泥雷氏值

由表3可以看出，隨著粉煤灰的添加，雷氏值發(fā)生一定增加;隨著粉煤灰球磨時(shí)間的增加，對安定性影響相應(yīng)減小。

這項(xiàng)試驗(yàn)表明，在水泥中添加粉煤灰時(shí)，粉煤灰球磨時(shí)間和摻量對水泥安定性具有一定影響。水泥中游離CaO引起的膨脹是水泥安定性不良的主要原因，如果水泥里的游離CaO集中，就會(huì)引起水泥硬化后產(chǎn)生不均勻的體積變化，即為體積安定性不良。粉煤灰經(jīng)過球磨后可以減少游離CaO的粒度，增大游離CaO在水泥漿體中的分散程度，同時(shí)粉煤灰經(jīng)過球磨后細(xì)度增加，有利于漿體吸收生成的Ca(OH)2。當(dāng)摻量為30%時(shí)，粉煤灰球磨時(shí)間為10 min對應(yīng)的水泥雷氏值為2 mm，粉煤灰球磨時(shí)間為20 min對應(yīng)的水泥雷氏值為1 mm。因此，當(dāng)在水泥中添加粉煤灰時(shí)，增加粉煤灰的球磨時(shí)間，也就是增加粉煤灰的細(xì)度，有利于改善水泥漿料安定性。

2.2 粉煤灰球磨時(shí)間對水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

圖1 不同摻量的粉煤灰水泥的初凝時(shí)間

圖2 不同摻量的粉煤灰水泥的終凝時(shí)間

由圖1和圖2可以看出，隨著粉煤灰摻加量的增加，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都相應(yīng)增加。在相同摻量的情況下，隨著粉煤灰球磨時(shí)間的增加，水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都相應(yīng)減少。

由圖1和圖2可以看出，粉煤灰摻量越大，水泥的凝結(jié)時(shí)間越長。其原因是粉煤灰取代水泥進(jìn)行配制漿體使?jié){體中水泥數(shù)量減少，水泥漿體的有效水灰比增大，減慢水泥的水化速率，水泥基體系形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的速度也相應(yīng)減慢，表現(xiàn)為初凝時(shí)間和終凝時(shí)間相應(yīng)延長。在相同摻量的情況下，隨著粉煤灰球磨時(shí)間的增加，水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都相應(yīng)減少。這是由于粉煤灰經(jīng)過球磨，其顆粒被粉碎，結(jié)構(gòu)缺陷數(shù)量相應(yīng)增加，在破碎面上形成的不飽和鍵和斷鍵數(shù)量增加，粉煤灰被磨細(xì)后的活性比原狀粉煤灰的活性高［5］。當(dāng)摻量為30%時(shí)，粉煤灰球磨時(shí)間為10 min對應(yīng)的水泥初凝時(shí)間為175 min，終凝時(shí)間為200 min;粉煤灰球磨時(shí)間為20 min對應(yīng)的水泥初凝時(shí)間147 min，終凝時(shí)間為172 min。

2.3 粉煤灰球磨時(shí)間對水泥強(qiáng)度的影響

粉煤灰摻加量對水泥不同齡期的抗壓強(qiáng)度具有很大的影響。本試驗(yàn)對粉煤灰不同球磨時(shí)間和不同摻量對水泥強(qiáng)度發(fā)展的影響進(jìn)行了工藝研究，結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 水泥3 d抗折強(qiáng)度與粉煤灰球磨時(shí)間的關(guān)系

圖4 水泥28 d抗折強(qiáng)度與粉煤灰球磨時(shí)間的關(guān)系

圖5 水泥3 d抗壓強(qiáng)度與粉煤灰球磨時(shí)間的關(guān)系

由上圖可以看出，與不添加粉煤灰的水泥相比，在水泥中添加未球磨的粉煤灰時(shí)，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有不同程度的下降;在水泥中添加球磨時(shí)間為10 min的粉煤灰時(shí)，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有升有降;在水泥中添加球磨時(shí)間20 min的粉煤灰時(shí)，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有不同程度的上升。未經(jīng)球磨的粉煤灰影響水泥強(qiáng)度的原因在于［6］:粉煤灰顆粒結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，比表面積小，存在很多球形顆粒，吸水能力較弱。在早齡期，粉煤灰?guī)缀醪粫?huì)發(fā)生火山灰反應(yīng)。隨著粉煤灰摻量的增加，水泥的抗折強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度持續(xù)降低，如圖5和圖6所示。在晚齡期，由于粉煤灰的火山灰作用以及水泥熟料水化反應(yīng)之間的相互促進(jìn)作用，再加上粉煤灰的微集料反應(yīng)，使得在摻量為20%的情況下，添加未經(jīng)球磨粉煤灰的水泥的強(qiáng)度可以趕上不摻粉煤灰的水泥的強(qiáng)度;當(dāng)摻量變大時(shí)，其強(qiáng)度則出現(xiàn)大幅度下降。粉煤灰經(jīng)過10 min球磨后，摻量為20%時(shí)，水泥的3 d和28 d強(qiáng)度與不摻粉煤灰水泥的強(qiáng)度相差不大。粉煤灰經(jīng)過20 min球磨后，摻量為20%時(shí)，水泥的3 d和28 d強(qiáng)度則超過不摻粉煤灰水泥的強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰摻量升到30%時(shí)，水泥的強(qiáng)度則出現(xiàn)下降。這是由于粉煤灰經(jīng)過球磨后，其顆粒被破碎，增加了粉煤灰顆粒的活性點(diǎn)，增大了其活性和水化速率，可以充分發(fā)揮粉煤灰的火山灰作用，再與水泥熟料的水化反應(yīng)共同作用，增強(qiáng)水泥的強(qiáng)度。因此，在水泥中添加粉煤灰時(shí)，以粉煤灰球磨20 min、摻量為20% ～30%為宜。

圖6 水泥28 d抗壓強(qiáng)度與粉煤灰球磨時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié)語

1)加入粉煤灰對水泥安定性有一定影響。2)添加粉煤灰延長水泥的凝結(jié)時(shí)間。在相同摻量的情況下，添加的粉煤灰越細(xì)，水泥凝結(jié)時(shí)間越短。3)當(dāng)粉煤灰球磨時(shí)間在20 min，摻加量在20%～30%時(shí)能夠顯著提高水泥的強(qiáng)度。

［1］ 劉愛新.粉煤灰混凝土的性能及其應(yīng)用［J］.混凝土，2001(12):6-8.

［2］ 王云朝.粉煤灰對水泥混凝土性能的影響［J］.現(xiàn)代公路，2010(21):148-149.

［3］ Xu Aimin，Shondeep L Sarkar.Microstructural Study of Gypsum Activated Fly Ash Hydration in Cement Paste［J］.Cem Concr Res，1991(21):1137-1147.

［4］ FERNANDEZ JIMENEZ A，PALOMO A.Composition and microstructure of alkali activated fly ash binder;effect of the activator［J］.Cem.Concr.Res.，2005(35):1984-1992.

［5］ 黃 瑩，謝友均.粉煤灰摻量及細(xì)度對水泥凝結(jié)時(shí)間的影響［J］.水泥，2003(12):4-6.

［6］ 田 卿，劉 丹.粉煤灰對混凝土的影響及其原因［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2008(6):90-92.