粉煤灰與礦粉對(duì)地聚物水泥性能的影響研究*

左李萍，蒙海寧，許彥明，朱祥，陸小軍，伊立

（1. 鎮(zhèn)江建科建設(shè)科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004；2. 江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004）

0 引言

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其資源的消耗越來越多，尤其是非再生資源，無法循環(huán)使用，消耗一點(diǎn)就減少一點(diǎn)。而在人類的發(fā)展史上非金屬材料一直都有著舉足輕重的地位，自從 19 世紀(jì)水泥問世以來，在社會(huì)的建設(shè)當(dāng)中發(fā)揮著巨大作用，但普通水泥在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生較大污染。因此，采用無機(jī)礦物制備多功能的無機(jī)材料[1-5]是當(dāng)今世界材料學(xué)研究的重要方向之一。無機(jī)聚合物材料因能符合這些要求而引起學(xué)術(shù)界的重視，地聚物水泥就是一類新型的高性能無機(jī)聚合物材料[6-9]。單獨(dú)使用偏高嶺土來制備地聚物水泥還是有許多不足之處，因此，本文中考慮采用粉煤灰和礦粉進(jìn)行復(fù)摻改性研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）偏高嶺土：本試驗(yàn)采用的偏高嶺土取自河北省靈壽縣，其化學(xué)成分見表 1。

（2）粉煤灰：選用鎮(zhèn)江諫壁電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分見表 2。

表 2 Ⅱ級(jí)粉煤灰的化學(xué)組成 wt%

（3）礦粉：選用江南水泥粉磨公司生產(chǎn)的 S95 級(jí)磨細(xì)礦粉，其化學(xué)成分見表 3。

表 3 礦粉的化學(xué)組成 wt%

（4）激發(fā)劑

1）固體激發(fā)劑：NaOH 為分析純，純度在 95% 以上。

2）液體激發(fā)劑（硅酸鈉）：青島優(yōu)索化學(xué)科技有限公司生產(chǎn)，為半透明狀粘稠液體，其化學(xué)成分見表4，用 NaOH 和水調(diào)節(jié)至所要求的水玻璃模數(shù)。

表 4 水玻璃技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備（表 5）

表 5 試驗(yàn)儀器

1.3 試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

1.3.1 粉煤灰單摻試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

粉煤灰的摻入量分別為 5%、 10% 以及 15% 的不同比例，具體配方見表 6，其中 N9 是前期研究最好的偏高嶺土基地聚物水泥的試驗(yàn)配比（即，硅酸鈉模數(shù)為1.4，堿引入量為 18%，偏高嶺土的摻量為 100%），因而在本文中作為空白組對(duì)比。

表 6 單摻粉煤灰的試驗(yàn)配合比

1.3.2 礦粉單摻試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)與單摻粉煤灰類似的配合比，便于對(duì)比，詳見表 7。

表 7 單摻礦粉的試驗(yàn)配合比

1.3.3 粉煤灰和礦粉復(fù)摻配比設(shè)計(jì)

粉煤灰和礦粉復(fù)摻配比設(shè)計(jì)為 80% 的偏高嶺土，礦粉和粉煤灰合起來占比為 20%，配比詳見表 8。

表 8 復(fù)摻礦粉的試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰摻量對(duì)地聚物水泥流動(dòng)性能的影響

圖 1 為不同摻量的粉煤灰對(duì)地聚物水泥流動(dòng)性能的影響。由圖 1 可見，當(dāng)粉煤灰摻入量從 5% 增加到 15%時(shí)，其流動(dòng)性逐漸增大，當(dāng)摻入 15% 粉煤灰時(shí)，其流動(dòng)度達(dá)到 235mm。這是由于粉煤灰是球形顆粒，產(chǎn)生“滾珠效應(yīng)”，地聚物水泥的流動(dòng)性能得到提高。

圖 1 粉煤灰的摻量對(duì)地聚物水泥流動(dòng)性能的影響

2.2 粉煤灰摻量對(duì)地聚物水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

表 9 表示了不同摻量的粉煤灰對(duì)地聚物水泥凝結(jié)時(shí)間的影響。由表 9 中可知隨著粉煤灰摻量的增加，地聚物水泥的初凝和終凝時(shí)間都會(huì)延長(zhǎng)。這是由于偏高嶺土的火山灰活性要比粉煤灰高，偏高嶺土?xí)?yōu)先發(fā)生火山灰反應(yīng)，而粉煤灰反應(yīng)的滯后性導(dǎo)致了地聚物水泥的凝結(jié)時(shí)間增加。

表 9 粉煤灰的摻量對(duì)地聚物水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

2.3 粉煤灰摻量對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰摻量對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響如表 10和圖 2 所示。隨著粉煤灰摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。另外隨著粉煤灰的摻入，地聚物水泥的 3d 抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，之后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩慢。

表 10 粉煤灰的摻量對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響MPa

圖 2 粉煤灰的摻量對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響

2.4 礦粉摻量對(duì)地聚物水泥流動(dòng)性能影響

圖 3 為不同摻量的礦粉對(duì)地聚物水泥流動(dòng)性能的影響。由圖 3 可見，當(dāng)?shù)V粉摻入量增加時(shí)，地聚物水泥的流動(dòng)性也會(huì)增加，當(dāng)?shù)V粉的摻入量為膠凝材料的 15%時(shí)，流動(dòng)性能達(dá)到了 220mm。這主要是因?yàn)榈V粉的粒度很細(xì)，從而使地聚物水泥有更好的流動(dòng)性，但礦粉對(duì)地聚物水泥流動(dòng)性的增加卻沒有粉煤灰好。從圖 3 還可看出，當(dāng)?shù)V粉的摻入量達(dá)到 5% 時(shí)，流動(dòng)性增長(zhǎng)幅度最多，隨著增加礦粉的摻入量，地聚物水泥的流動(dòng)度增長(zhǎng)幅度逐漸趨于平緩。

圖 3 礦粉摻量對(duì)地聚物水泥流動(dòng)性能的影響

2.5 礦粉摻量對(duì)地聚物水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

從表 11 中可以看出隨著礦粉的摻入，地聚物水泥的凝結(jié)時(shí)間明顯縮短。由于礦粉是高鈣物質(zhì)，能迅速發(fā)生堿激發(fā)反應(yīng)，減少凝結(jié)時(shí)間。

表 11 礦粉的摻量對(duì)地聚物水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

2.6 礦粉摻量對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響

表 12 和圖 4 是不同礦粉的摻量對(duì)地聚物水泥強(qiáng)度的影響。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出摻入礦粉能提高地聚物水泥的抗壓強(qiáng)度，其中地聚物水泥 3d 抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度最大，達(dá)到了 10.3%， 28d 抗壓強(qiáng)度比不加礦粉的增加了 8%。礦粉是高鈣礦物，其能迅速參與堿激發(fā)反應(yīng)，加快堿激發(fā)的水化進(jìn)程。隨著礦粉摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度增大。

表 12 礦粉摻量對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度性能的影響MPa

圖 4 礦粉摻量對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度性能的影響

2.7 粉煤灰與礦粉的復(fù)摻對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響

由表 13 和圖 5 顯示了粉煤灰和礦粉的復(fù)摻對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響。由圖可以看出與純偏高嶺土的空白樣相比，M7（5% 粉煤灰，15% 礦粉）組的強(qiáng)度最高，礦粉的摻入對(duì)其強(qiáng)度有明顯的促進(jìn)作用，從 M9 這一組（15% 粉煤灰，5% 礦粉）來看，由于摻入較多的粉煤灰，試塊的抗壓強(qiáng)度最低，對(duì)于 M8，該組抗壓強(qiáng)度處于 M7 和 M9 之間。

表 13 粉煤灰—礦粉復(fù)摻對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響 MPa

圖 5 粉煤灰—礦粉復(fù)摻對(duì)地聚物水泥抗壓強(qiáng)度的影響

3 小結(jié)

（1）隨著粉煤灰摻量的增加漿體的流動(dòng)性增大，工作性能得到改善。此外，當(dāng)粉煤灰摻量增加時(shí)，地聚物水泥的凝結(jié)時(shí)間也會(huì)增加，同時(shí)地聚物水泥的抗壓強(qiáng)度也會(huì)降低。

（2）礦粉是高鈣礦物，能迅速參與堿激發(fā)反應(yīng)，同時(shí)放出大量的水化熱，從而能夠提高其漿體的溫度，加快偏高嶺土的水化進(jìn)程。

（3）綜合對(duì)流動(dòng)性能和抗壓強(qiáng)度性能的影響，其較優(yōu)配方是摻入 5% 的粉煤灰＋15% 的礦粉，3d 強(qiáng)度達(dá)到 40.6MPa，28d 強(qiáng)度達(dá)到 47.5MPa。