磨細(xì)粉煤灰在水泥漿體中的活性分析

李 博 王大廣 白新理

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450045)

0 引言

粉煤灰是煤炭燃燒后，隨煙氣從鍋爐尾部排出經(jīng)收塵設(shè)備收集的固體顆粒，是我國主要工業(yè)固體廢棄物之一[1]。作為一種火山灰質(zhì)的礦物摻合料，吸附效果作為其主要的物理性能，另與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成水硬性化合物的化學(xué)性能。通過研磨或者分級提高粉煤灰的細(xì)度可以加速粘合劑的水化并且提高水泥膠砂或者混凝土的力學(xué)性能[2-4]，也促進(jìn)了粉煤灰的利用效率，提升經(jīng)濟(jì)效益[5,6]，從而制備高性能水泥、減輕環(huán)境壓力。由于粉煤灰原灰在摻入水泥混凝土后，對其部分性能有較為顯著的影響，為了更好的激發(fā)粉煤灰的活性，使粉煤灰得到更加合理的應(yīng)用，出現(xiàn)了將粉煤灰粉磨后用于水泥混凝土工藝。近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者針對磨細(xì)粉煤灰進(jìn)行了研究。Deschner Florian, Kumar Sanjay等[7-10]研究表明,通過研磨或分級提高粉煤灰的細(xì)度可以加速黏合劑的水化,提高水泥膠砂及混凝土的抗壓強(qiáng)度。邱軍付，葉強(qiáng)等[11,12]研究結(jié)果表明:水泥膠砂強(qiáng)度隨著磨細(xì)粉煤灰摻量的增加先增大后減小。Shaikh[13]研究表明當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為8%時，各齡期混凝土均表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。

以上研究表明磨細(xì)粉煤灰對混凝土的強(qiáng)度有較大的影響，而粉煤灰經(jīng)過機(jī)械粉磨后其活性也發(fā)生了改變。為了分析粉磨對粉煤灰活性的影響，本試驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)分別粉磨1 h，2 h制得磨細(xì)粉煤灰，分析其比表面積、粒度和顆粒形貌的變化，并使用磨細(xì)粉煤灰制備水泥漿體進(jìn)行力學(xué)性能測試，運(yùn)用鹽酸選擇性溶解法計算粉煤灰的反應(yīng)程度，使用X射線衍射物相分析法對水化體系進(jìn)行分析，進(jìn)而分析其活性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)使用的水泥為新鄉(xiāng)同力建材有限公司生產(chǎn)的型號為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為電廠原灰。水泥的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 水泥的基本性質(zhì)

1.2 磨細(xì)粉煤灰的制備和性能表征

磨細(xì)粉煤灰是使用試驗(yàn)室型號為SM500型球磨機(jī)分別粉磨1 h，2 h制得，分別標(biāo)記為Ⅰ，Ⅱ，對兩種粉磨時間得到的磨細(xì)粉煤灰和粉煤灰原灰分別進(jìn)行比表面積測試、掃描電鏡觀察和激光粒度分析，并計算其平均粒徑，分析粒度分布和形貌變化，結(jié)果如圖1，圖2和表2所示。

由圖1和表2的結(jié)果可以看出，粉煤灰原灰的粒徑主要集中分布在0 μm～100 μm之間，而經(jīng)過粉磨之后，其粒徑明顯有變小的趨勢。通過比較不同粉磨時間粉煤灰粒徑分布曲線，隨著粉磨時間的延長曲線峰值在逐漸向左偏移，表明粉煤灰的粒徑隨著粉磨時間的增加而減小。根據(jù)比表面積和平均粒徑測試的結(jié)果可知，粉煤灰的比表面積隨著粉磨時間的增加而增大且粒徑越小，粉煤灰的比表面積越大。而粉煤灰的平均粒徑在最初粉磨1 h減小的程度較大，之后隨著粉磨時間的增加粒徑的變化并不明顯。

表2 不同粉磨時間下粉煤灰比表面積和平均粒徑

圖2所示的結(jié)果表明，未經(jīng)粉磨的粉煤灰的顆粒形狀以光滑的球形顆粒為主，經(jīng)過機(jī)械粉磨后大部分球形顆粒被破壞。比較不同粉磨時間的磨細(xì)粉煤灰可知隨著粉磨時間的延長粉煤灰球形顆粒球形顆粒破壞程度增大，其中粉磨2 h的粉煤灰中出現(xiàn)了較多帶棱角狀的顆粒體。

1.3 試驗(yàn)配合比

分別使用不同粉磨時間的粉煤灰和粉煤灰原灰，水膠比為0.5，粉煤灰摻量為30%，制備規(guī)格為40 mm×40 mm×40 mm的摻粉煤灰的水泥凈漿試塊，并制備相同規(guī)格的純水泥凈漿試塊作為參照，配比如表3所示，將制備好的試塊放入水泥恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱(養(yǎng)護(hù)箱的溫度為20 ℃±0.5 ℃，相對濕度95%)中分別養(yǎng)護(hù)7 d,14 d,28 d，測試其抗壓強(qiáng)度，進(jìn)行鹽酸選擇性溶解測試不溶渣含量進(jìn)而計算粉煤灰反應(yīng)程度，并對齡期為7 d,28 d齡期的凈漿試塊進(jìn)行XRD分析觀察其水化產(chǎn)物。

表3 粉煤灰水泥凈漿試塊配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

由圖3的結(jié)果可知，當(dāng)粉煤灰替代部分水泥后，在摻量不變的情況下，摻粉煤灰的水泥漿體試塊的抗壓強(qiáng)度有所下降，在7 d齡期時摻入原灰的粉煤灰水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度僅為純水泥的66.7%，表明：在早期粉煤灰的水化反應(yīng)較慢，導(dǎo)致粉煤灰水泥凈漿試塊早期強(qiáng)度較低。通過對比粉磨前后的粉煤灰水泥凈漿試塊抗壓強(qiáng)度，摻粉煤灰原灰的水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度最小，經(jīng)過粉磨后的粉煤灰水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度均大于原灰。通過對比摻入不同粉磨時間的粉煤灰水泥凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度可知，在各齡期摻入粉磨2 h粉煤灰的凈漿試塊的抗壓強(qiáng)度均大于1 h的磨細(xì)粉煤灰。表明：隨著粉磨時間的增加粉煤灰的顆粒破壞程度增大，更容易激發(fā)其火山灰活性，在水泥漿體中的活性增強(qiáng)提高其抗壓強(qiáng)度。

2.2 粉煤灰反應(yīng)程度分析

根據(jù)粉煤灰不溶于鹽酸而水泥和其水化產(chǎn)物可溶液鹽酸的特性可知，將粉煤灰水泥漿體進(jìn)行鹽酸選擇性溶解后不溶渣主要為未參加反應(yīng)的粉煤灰。對齡期為7 d,14 d,28 d的粉煤灰水泥漿體用無水乙醇終止水化后進(jìn)行鹽酸選擇性溶解測試其不溶渣含量，進(jìn)而計算粉煤灰的反應(yīng)程度。

由圖4結(jié)果可知，在粉煤灰的摻量相同時，粉煤灰在水泥漿體中的反應(yīng)程度隨著齡期的增加而增加，其中未經(jīng)粉磨的粉煤灰的反應(yīng)程度最低，在齡期為7 d時僅為14%左右，在28 d齡期時其在水泥漿體中的反應(yīng)程度仍然低于30%。通過對比粉磨前后的粉煤灰在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時的反應(yīng)程度，粉磨時間為1 h的磨細(xì)粉煤灰的反應(yīng)程度達(dá)到了30%，而粉磨2 h的磨細(xì)粉煤灰有33%以上與水泥發(fā)生了水化反應(yīng)。然而對比不同粉磨時間在不同齡期的活性曲線可知，在齡期為7 d和14 d之間反應(yīng)活性提高的最快，其中未粉磨的粉煤灰的反應(yīng)程度增加了47.4%，但其反應(yīng)程度仍然低于粉磨后的粉煤灰。表明，粉煤灰經(jīng)過機(jī)械粉磨可以提高其化學(xué)活性，且隨著粉磨時間的增加化學(xué)活性提高的程度越大，與強(qiáng)度測試結(jié)果相符。

2.3 粉煤灰水泥漿體XRD結(jié)果分析

試驗(yàn)針對齡期為7 d和28 d的粉煤灰終止水化后進(jìn)行XRD測試，分析其在水泥中的水化產(chǎn)物的變化，分析粉煤灰在水泥水化體系中的反應(yīng)機(jī)理。由圖5的XRD衍射圖譜可知，在純水泥中加入粉煤灰后Ca(OH)2的衍射峰顯著下降，而SiO2的衍射峰表現(xiàn)的更為明顯，主要由于粉煤灰取代部分水泥后減小了水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2且引入了SiO2。而通過對比粉磨前后的粉煤灰水泥漿體的XRD衍射圖譜可知，摻入粉磨后的粉煤灰水泥漿體的Ca(OH)2的衍射峰較未粉磨粉煤灰的低，表明粉煤灰經(jīng)過粉磨后可以提高與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的反應(yīng)速率，在相同齡期時表現(xiàn)出較低的衍射峰值。然而通過比較不同粉磨時間的磨細(xì)粉煤灰，在齡期為7 d和28 d時SiO2和Ca(OH)2的衍射峰值均表現(xiàn)為粉磨1 h的粉煤灰大于粉磨2 h的磨細(xì)粉煤灰。表明粉磨時間越長粉煤灰球形顆粒破壞越嚴(yán)重在水泥漿體中的反應(yīng)程度越大，消耗更多的Ca(OH)2和活性SiO2。

3 結(jié)語

1)粉煤灰經(jīng)過機(jī)械粉磨后粒徑減小的同時顆粒形貌也發(fā)生了破壞，且隨著粉磨時間的增加粒徑越小，顆粒形貌破壞的程度越嚴(yán)重。

2)粉煤灰經(jīng)過粉磨后火山灰活性增強(qiáng)，且隨著粉磨時間的增加其在水泥漿體中的反應(yīng)程度越大，粉煤灰水泥漿體表現(xiàn)出的強(qiáng)度更高。