摘要:在活性激发剂作用下,将粉煤灰、脱硫石膏和水泥混合,制备成一种新型的复合胶凝材料,然后在优选试验基础上确定了复合胶凝材料的基本配合比.研究了典型配合比粉煤灰-脱硫石膏-水泥净浆在复合激发剂作用下的水化过程,结果表明:粉煤灰早期火山灰活性显著提高;脱硫石膏除自身析晶、具有一定的增强效应外,还是粉煤灰火山灰活性理想的硫酸盐激发剂.粉煤灰3d即开始明显水化,脱硫石膏对粉煤灰水化活性激发效果明显.

关键词:粉煤灰;脱硫石膏;硫酸盐激发;水化过程


粉煤灰用于制造水泥、混凝土填料及墙体材料等,取得了很好的技术与经济效果.然而,一般而言,粉煤灰掺量越大,水泥或混凝土的早期强度越低,这与粉煤灰的早期水化活性不足有直接关系.为此研究者们纷纷致力于研究粉煤灰水化活性的激发及其对水泥、混凝土早期强度、变形性能、抗裂性能等的影响.脱硫石膏CaSO4含量较高,是粉煤灰火山灰活性理想的硫酸盐激发剂.脱硫石膏与粉煤灰、水泥优化复合,可产生交互水化作用,形成理想的三元胶凝材料体系.


在水泥中按一定比例混合双掺粉煤灰和脱硫石膏,同时辅加适量的活性激发剂,即可不经任何粉磨、烘干工序,成为一种新型的复合胶凝材料.本文在试验基础上确定了砂浆和混凝土中各胶凝组分的配合比,研究了粉煤灰-脱硫石膏-水泥净浆的水化过程.


1原材料


粉煤灰:平顶山姚孟电厂湿排粉煤灰(简写为WFA),其比表面积为335m2/kg,需水量比1)为98%,烧失量为2.31%,含水量为34.1%;低品质粉煤灰(简写为LFA),其比表面积为290m2/kg,需水量比为103%,烧失量为3.04%.粉煤灰化学组成见表1.




脱硫石膏(以下简称为FGD):平顶山姚孟电厂劣质石膏,其外观呈灰黄色粉状,主要成分为CaSO4·2H2O,附着水量9.89%,化学组成见表2.



水泥:湖南牛力水泥厂42.5普通硅酸盐水泥,其化学组成见表3.该水泥3d和28d实测抗折强度分别为6.0MPa和9.1MPa,实测抗压强度分别为23.7MPa和52.7MPa.



活性激发剂:CA,以市售硫酸盐、氯盐以及碱类材料按比例复配而成;生石灰(CaO),市售.减水剂:萘系高效减水剂,市售.

砂:ISO标准砂.


2胶凝组分基本配合比


2.1砂浆


为降低水泥用量,砂浆中胶凝组分以粉煤灰和脱硫石膏为主,其中粉煤灰采用技术品质达不到GB/T1596—2005《用于水泥与混凝土中的粉煤灰》所规定的Ⅰ,Ⅱ级粉煤灰标准的低品质粉煤灰(LFA).胶砂试件中胶凝组分掺量见表4.

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图1为灰膏比(m(LFA)︰m(FGD))对胶砂试件强度的影响.

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由图1可见:当m(LFA)︰m(FGD)由1︰1上升至3︰2时,胶砂试件抗折和抗压强度均随之上升;此后,随着灰膏比进一步上升,胶砂试件抗折和抗压强度则不断减小,即胶砂试件在mm(L(FFAG)D︰ )为 3 ︰2 时出现强度峰值.上述表明,当水泥用量为15.0%时,灰膏比佳比例为3︰2.保持m(LFA)︰m(FGD)为3︰2不变,测试水泥掺量对胶砂试件强度的影响,结果见图2.



由图2可知:(1)当水泥掺量从10%增加到20%时,胶砂试件抗折和抗压强度均随之提高.(2)相比未掺水泥胶砂试件,掺水泥胶砂试件7d抗折强度增加1~4倍,28d抗折强度增加1~7倍.(3)相比未掺水泥胶砂试件,当水泥掺量为10%时,胶砂试件7d抗压强度增加4~5倍,28d抗压强度增加2~3倍;当水泥掺量为15%时,胶砂试件7d抗压强度增加5倍以上,28d抗压强度增加5~6倍;当水泥掺量为20%时,胶砂试件7d抗压强度增至18倍左右,28d抗压强度则增加6倍以上.


上述结果表明,水泥掺量是决定胶砂试件强度的关键因素.基于砂浆强度要求和大限度降低材料成本、提高利废率考虑,笔者确定砂浆中胶凝组分的基本配合比为:m(LFA)︰m(FGD)=3︰2,水泥掺量15%.若采用品质相对较好的粉煤灰,水泥掺量可适当减少


在大掺量粉煤灰-脱硫石膏体系中掺入适量活性激发剂,将有利于激发粉煤灰水化活性,同时降低水泥掺量、节约成本.


活性激发剂对胶砂试件强度的影响见图3.



由图3可知,外掺1.5%CA后,胶砂试件强度显著提高,其中3,7,28,60d抗折强度分别增加31.3%,21.4%,9.0%和11.4%,抗压强度相应提高78.1%,58.9%,17.4%和6.7%.同时外掺1.5%CA和5.0%CaO,胶砂试件强度(尤其是早期强度)将进一步提高.这是因为掺加活性激发剂CaO后,灰膏体系液相介质中OH-浓度增加,从而促进粉煤灰中Si—O键断裂,并尽早参与水化反应的缘故.然而CaO掺量过多,将极易出现泛霜现象.根据文献的试验结果,CaO掺量以5.0%为宜.


2.2混凝土


粉煤灰采用品质相对较好、未烘干的湿排粉煤灰(WFA).控制水固比,将湿排粉煤灰、脱硫石膏、水泥以及活性激发剂按比例混合均匀,再加入砂石、高效减水剂,制备C25~C50混凝土.胶砂试件配合比与抗压强度见表5.

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由表5可见,相对纯水泥胶砂试件,掺WFA+FGD胶砂试件早期抗压强度均呈现出不同程度的降低,这归因于早期水化体系中水泥用量的减少.随着龄期的发展,胶砂试件抗压强度逐渐增加,有的甚至超过纯水泥胶砂试件.当灰膏比(m(WFA)︰m(FGD))为2︰1,且WFA+FGD等量取代水泥30%时,胶砂试件早期强度下降相对较少,28,60d抗压强度达到52.3,60.1MPa,超过纯水泥胶砂试件.基于中等强度混凝土力学性能要求和提高利废率考虑,混凝土适宜配合比为:WFA+FGD等量取代水泥30%,m(WFA)︰m(FGD)为2︰1,水胶比0.36,且外掺CaO 5.0%和CA 1.5%.值得强调的是,WFA+FGD在水胶比条件下早期活性,粉煤灰-脱硫石膏-水泥三元胶凝材料体系强度发展更理想,可适当放宽WFA+FGD的掺量至40%左右.


3结论


(1)采用过去难以利用的低品质粉煤灰和脱硫石膏制备建筑砂浆,配合比为:m(LFA)︰m(FGD)=3︰2,LFA+FGD总掺量85%,水泥掺量15%;采用湿排粉煤灰和脱硫石膏制备C25~C50混凝土,配合比为:WFA+FGD等量取代水泥30%,m(WFA)︰m(FGD)=2︰1,水胶比0.36,且外掺CaO5.0%和CA1.5%.


(2)粉煤灰-脱硫石膏-水泥净浆在复合激发剂作用下,粉煤灰早期火山灰活性显著提高;脱硫石膏除自身析晶、具有一定的增强效应外,还是粉煤灰火山灰活性理想的硫酸盐激发剂.粉煤灰3d即开始明显水化,脱硫石膏对粉煤灰水化活性激发效果明显.



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