新型CSA膨脹劑的水泥基材料性能*

楊 璐， 王 妮

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

6CaO+Al2O3+3SO3+32H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

事實(shí)上，CSA水泥系統(tǒng)不僅被認(rèn)為有助于降低CO2的排放量，還可以在較低溫度下、凍融循環(huán)下及海水中具有優(yōu)異的耐久性，因此，CSA可以作為一種有效且對(duì)環(huán)境低負(fù)擔(dān)的膨脹劑被大量生產(chǎn).研究表明，鋁礬土和石膏等都可來源于工業(yè)副產(chǎn)品，這些工業(yè)副產(chǎn)品包括：C12A7型廢渣、富含氧化鋁的粉煤灰、礦渣、高嶺土、垃圾焚燒粉煤灰和低放射性廢料(LLW).研究發(fā)現(xiàn)，硫化燃?xì)夂弯X粉塵在催化作用下可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CSA膨脹劑的生產(chǎn)[5].

本文主要目的是探討根據(jù)硫化燃?xì)夂弯X粉塵催化作用下得到的CSA膨脹劑的摻入量、細(xì)度和燒制方法的不同對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，并且用X射線衍射(XRD)分析鈣礬石的含量和CSA膨脹劑的基本物理性能，包括強(qiáng)度和砂漿試塊凝結(jié)后的長(zhǎng)度變化.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

流化床鍋爐灰渣(FBA)通過氧化鋁粉塵催化反應(yīng)后得到CSA產(chǎn)物.表1為流化床鍋爐灰渣(FBA)的化學(xué)成分，表2為FBA的礦物組成，表3為FBA的物理性質(zhì)，F(xiàn)BA各成分含量的XRD圖譜見圖1，表4為鋁粉塵的化學(xué)成分，圖2為FBA各級(jí)配粒子的百分比分布圖，其中，曲線右縱坐標(biāo)表示各級(jí)配顆粒細(xì)度所占的百分比；左縱坐標(biāo)表示隨著顆粒細(xì)度不斷增加，各級(jí)配顆粒細(xì)度累加和的百分比.水泥品種采用GB8076規(guī)定的基準(zhǔn)水泥.

表1 流化床鍋爐灰渣的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of FBA %

表2 流化床鍋爐灰渣的礦物組成Tab.2 Mineral composition of FBA %

表3 流化床鍋爐灰渣的物理性質(zhì)Tab.3 Physical properties of FBA

圖1 流化床鍋爐灰渣的XRD圖譜Fig.1 XRD spectrum of FBA表4 鋁粉塵的化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of aluminium dust

%

圖2 FBA各級(jí)配粒子的百分比分布Fig.2 Percentage distribution of FBAparticles with various grades

1.2 燒結(jié)工藝及配比

燒結(jié)過程中，流化床鍋爐灰渣(FBA)和氧化鋁粉塵混合物質(zhì)量比率為6∶4，用球磨機(jī)研磨60 min后得到的混合物在20 MPa強(qiáng)度的前提下，將其放入到900 ℃(10 ℃/min)的環(huán)境中烘干30 min[6]，取出后分別置于900、1 000、1 100、1 200和1 300 ℃下煅燒30和60 min，煅燒完成后置于空氣中冷卻.完全冷卻后，再將混合物放入球磨機(jī)，在400 rad·min-1轉(zhuǎn)速下進(jìn)行研磨，控制混合物顆粒尺寸低于106 μm[7].試驗(yàn)采用普通波特蘭水泥，其中，CSA、CaO和CaSO4各成分摻量分別為2.9%、2.5%和4.5%，水膠比為1∶2.對(duì)催化合成的CSA膠凝材料膨脹劑通過抗壓強(qiáng)度和干燥收縮長(zhǎng)度變化等方面進(jìn)行力學(xué)及物理性能探究，其中，煅燒條件對(duì)膨脹劑干縮方面的影響試驗(yàn)參考《波特蘭水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》(ASTM C596-89)，試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm.水泥砂漿抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煅燒溫度

圖3為氧化鋁粉塵質(zhì)量混合率為40%時(shí)，煅燒時(shí)間分別為30和60 min，溫度分別為1 100、1 200和1 300 ℃下，混合物中各化學(xué)物質(zhì)含量的XRD衍射圖譜.由圖3可知，經(jīng)過煅燒后的混合物中主要成分為鋁酸鈣、鈣鋁氧化物氟化物、硬石膏和水泥，其中，水泥的主要成分為硅酸二鈣.一般情況下，硅酸二鈣的水化反應(yīng)較慢，從而會(huì)影響混凝土早期強(qiáng)度，但該問題可以通過加入適量的硼砂來解決[8].從圖3可以看出，隨著煅燒時(shí)間的增加，硫酸鈣成分逐漸減少，煅燒前后硫鋁酸鈣含量明顯增加，從硬石膏的消耗量來看，由于這種物質(zhì)形成了硫鋁酸鈣，并且氧化鈣的含量也隨煅燒溫度的增加而增加.

圖3 反應(yīng)前后混合物的XRD圖譜Fig.3 XRD spectrum of mixture before and after reaction

表5是由XRD衍射圖譜分析方法對(duì)每組樣品進(jìn)行定量分析的結(jié)果.由表5可知，鋁酸鈣會(huì)隨著煅燒溫度的升高，含量從46.2%升至59.8%，而硬石膏及鈣鋁氧化物會(huì)隨著煅燒溫度的升高，更多地作為生成鋁酸鈣的原料被消耗，硬石膏含量從20.7%降為18.4%；鈣鋁氧化物含量從30.7%降為20.2%.因此，鋁酸鈣的生成量與煅燒溫度成正比，隨著煅燒溫度的升高而增多.上述結(jié)果表明，煅燒溫度的高低在鋁酸鈣和硫鋁酸鈣形成過程中起著十分重要的作用.

表5 混合物成分定量分析Tab.5 Quantitative analysis for composition of mixture %

2.2 水化溫度

圖4a為CSA膨脹劑的布萊恩細(xì)度達(dá)到4.2×103cm3/g，且當(dāng)CSA摻入量分別為2.5%、5.0%、7.5%和10%時(shí)，不同摻入量對(duì)水泥基水化溫度的影響.需要注意的是，在硬化的初期階段，對(duì)照組會(huì)比加入CSA膨脹劑的各組水化溫度高，這是由于對(duì)照組中的硅酸二鈣成分少于其他CSA添加組，在硬化初期階段水化反應(yīng)稍快一些，所以水化溫度相對(duì)較高[9].隨著硬化的不斷進(jìn)行，CSA10的水化溫度趨于最高，對(duì)照組趨于最低.圖4b為不同摻入量下的最高水化溫度，隨著CSA摻入量的增多，最高水化溫度成正比持上升趨勢(shì)，即CSA添加量越多，水化溫度提高的也越多，會(huì)更加促進(jìn)硬化反應(yīng).

2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖5為CSA的摻入量和細(xì)度對(duì)砂漿試塊抗壓強(qiáng)度的影響.橫坐標(biāo)1、2、3分別為CSA0、CSA5、CSA10；4 200、4 700表示兩種平均顆粒細(xì)度.從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3和7 d的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)看來，含有CSA成分的砂漿試塊，隨著CSA摻入量的增大，抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨著增加.在早期養(yǎng)護(hù)階段，CSA的摻入量會(huì)影響檢查砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度，其原因是由于在水泥基材料水化反應(yīng)中形成鈣礬石，提高了強(qiáng)度.此外，CSA的顆粒細(xì)度對(duì)抗壓強(qiáng)度并沒有顯著影響.

圖4 水化溫度變化Fig.4 Change of hydration temperature

圖5 不同CSA摻入量和細(xì)度下砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strengths of mortar specimenswith different CSA contents and fineness

2.4 干燥收縮試驗(yàn)

圖6為CSA摻入量分別為0%、3%和5%時(shí)，砂漿試塊隨齡期變化的干燥收縮長(zhǎng)度變化.干燥收縮試驗(yàn)是采用模內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)2 d，再放入20 ℃恒溫水槽中24 h后拆模測(cè)得初長(zhǎng).水中養(yǎng)護(hù)5 d后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)量3、7、9、14、21、28和35 d時(shí)試件的長(zhǎng)度[10].試驗(yàn)結(jié)果表明，包含0%、5%和10%的CSA水泥砂漿試件均小于對(duì)照組硬化干縮后的長(zhǎng)度變化，這是因?yàn)镃SA水化反應(yīng)后的砂漿試件內(nèi)生成了有膨脹效果的鈣礬石的緣故.水泥基材料在干燥的過程中都會(huì)略有回縮的現(xiàn)象，根據(jù)測(cè)量，CSA摻入量相同的每組砂漿試件回縮的趨勢(shì)幾乎是相同的，這是由于鈣礬石的形成十分依賴水，濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間大致相同時(shí)，形成的鈣礬石量也接近相同.從上述結(jié)果可以看出，CSA膨脹劑的開發(fā)對(duì)于提高混凝土擴(kuò)展性方面是十分理想的，對(duì)于干縮長(zhǎng)度變化方面，注意控制CSA的摻入量是可以做到長(zhǎng)度零損失的.因此，本文使用流化床鍋爐灰催化得到的CSA膨脹劑，可作為一種可有效替代CSA膨脹劑的更為環(huán)保的膨脹劑.

圖6 不同CSA摻入量下砂漿試件長(zhǎng)度變化Fig.6 Length change of mortar specimenswith different CSA contents

3 結(jié) 論

為了開發(fā)一種更為環(huán)保的CSA膨脹劑合成方法和探討該CSA膨脹劑在早期水化溫度、干燥收縮性和抗壓強(qiáng)度等各項(xiàng)性能，本文在煅燒溫度對(duì)CSA合成的影響方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究.通過測(cè)定合成CSA時(shí)水泥砂漿的水化溫度，得到包括水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和干燥收縮性能，從而進(jìn)行評(píng)估，得到的結(jié)論如下：

1) 在通過氧化鋁粉塵和流化床鍋爐礦渣(FBA)合成硫鋁酸鈣的主要階段會(huì)得到鋁酸鈣和硅酸二鈣.合成得到鋁酸鈣最多含量59.8%時(shí)的煅燒溫度為1 300 ℃，時(shí)間為60 min，因此，最佳煅燒溫度為1 300 ℃，時(shí)間為60 min.

2) 砂漿中含CSA成分的試件水化反應(yīng)后得到了較高的水化溫度，隨著CSA摻入量的增多，早期最高水化溫度也會(huì)增高，而且CSA的摻入量在早期養(yǎng)護(hù)階段對(duì)砂漿試件的抗壓強(qiáng)度具有影響，而CSA的布萊恩細(xì)度對(duì)抗壓強(qiáng)度方面并沒有明顯影響.

3) 對(duì)含有CSA成分的水泥砂漿試件干燥收縮長(zhǎng)度變化進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，含量為5%和10%的砂漿試件長(zhǎng)度的變化與對(duì)照組相比有減少的趨勢(shì).因此，由工業(yè)副產(chǎn)品合成的鋁酸鈣CSA膨脹劑可以作為普通波特蘭水泥的膨脹劑.

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