礦渣粉與粉煤灰改善水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性能差異研究

宮經(jīng)偉，謝剛川，賈洪全，秦 燦

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引 言

摻礦渣粉與粉煤灰水泥基材料抗侵蝕性能的差異，主要與粉煤灰和礦渣粉的化學(xué)成分、火山灰活性有關(guān)。多數(shù)學(xué)者研究表明，摻粉煤灰水泥基材料的抗侵蝕性能優(yōu)于摻礦渣粉水泥基材料；少數(shù)學(xué)者的研究得出相反結(jié)論[8-11]。目前，已有研究硫酸鹽濃度設(shè)置較為單一，還未深入研究粉煤灰與礦渣粉活性礦物含量、侵蝕前的火山灰反應(yīng)程度對水泥基材料抗侵蝕性能的影響。為此，本文通過硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，宏觀上分析不同濃度硫酸鹽侵蝕下?lián)降V渣粉與粉煤灰水泥基材料抗侵蝕性能的差異；并運(yùn)用掃描電子顯微鏡和X射線衍射等微觀測試手段，深入分析礦渣粉與粉煤灰的活性礦物含量、火山灰活性和硫酸鹽濃度對其抗侵蝕性能的影響及作用機(jī)理，為新疆地區(qū)合理應(yīng)用礦渣粉與粉煤灰改善水泥基材料的抗侵蝕性能提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用新疆阜康天山水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥，混合材為粉煤灰和石灰石，比表面積389 m2/kg。礦渣粉采用新疆寶新盛源建材有限公司生產(chǎn)的S75級礦渣粉，比表面積427 m2/kg。粉煤灰采用新疆五彩灣火力發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，比表面積424 m2/kg，3種材料的化學(xué)和礦物組成見表1。砂采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》要求的標(biāo)準(zhǔn)砂；拌和用水為實(shí)驗(yàn)室自來水，配制侵蝕溶液用水為蒸餾水；硫酸鈉采用天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司的無水硫酸鈉(分析純)。

表1 試驗(yàn)原材料的化學(xué)和礦物組成 %

礦渣粉與粉煤灰的XRD圖譜及粒徑分布曲線如圖1所示。由圖1a、1b可知，礦渣粉的XRD圖譜上無明顯尖銳結(jié)晶峰，譜線呈“駝峰狀”分布，說明礦渣粉中晶態(tài)固體含量較少，玻璃體含量較高。粉煤灰的XRD圖譜上有一定程度的結(jié)晶峰，結(jié)晶體主要為莫來石和石英；在2θ=10°～30°有一定程度的玻璃相特征峰丘，但峰背底高度與面積均小于礦渣粉，說明其玻璃體含量較少。玻璃體含量越高，火山灰活性越強(qiáng)[12]。由圖1c可知，礦渣粉與粉煤灰的顆粒粒徑分布相差甚小。

圖1 礦渣粉與粉煤灰的XRD圖譜及粒徑分布曲線

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 試驗(yàn)過程

選取部分侵蝕后的試件，用Quanta FEG 250型掃描電子顯微鏡觀測其微觀形貌，用帕納科銳影XpertProMPD X射線衍射儀(XRD)分析其化學(xué)組分。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配比水泥膠砂試件的抗蝕系數(shù)劣化規(guī)律

圖2 不同濃度硫酸鹽侵蝕下各配比水泥膠砂試件的抗蝕系數(shù)變化曲線

2.2 侵蝕前礦渣粉與粉煤灰火山灰反應(yīng)的差異

摻礦渣粉與粉煤灰膠凝體系中，當(dāng)水泥石孔溶液的pH值大于13.3時(shí)，礦渣粉與粉煤灰中的硅和鋁才能被有效溶解出來發(fā)生火山灰反應(yīng)[14]?；鹕交曳磻?yīng)將消耗膠凝體系中的Ca(OH)2，生成C-A-H凝膠和低堿度C-S-H凝膠?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下[6]：2SiO2+3Ca(OH)2+H2O→3CaO·2SiO2·4H2O； Al2O3+3Ca(OH)2+3H2O→3CaO·Al2O3·6H2O。

摻礦渣粉與粉煤灰膠凝體系的堿環(huán)境主要由水泥熟料中的C3S快速水化生成的Ca(OH)2提供；另外，礦渣粉與粉煤灰中的CaO遇水反應(yīng)也會(huì)生成Ca(OH)2，進(jìn)一步增加水泥石孔溶液的堿度。首先，粉煤灰對水泥水化有一定的阻礙作用，礦渣粉對水泥水化有促進(jìn)作用。其次，礦渣粉的CaO含量約為粉煤灰的7.2倍，且摻量小于70%時(shí)，基本不影響礦渣粉的反應(yīng)程度；故摻礦渣粉膠凝體系中的Ca(OH)2供給量更為充足，礦渣粉自加水就開始發(fā)生火山灰反應(yīng)，而粉煤灰的火山灰反應(yīng)開始于加水24 h后[15]。此外，相比于粉煤灰而言，礦渣在收集過程中，冷卻過程更劇烈，玻璃體含量相對較高。圖1的XRD圖譜也表明礦渣粉的玻璃體含量高于粉煤灰，這使得礦渣粉的火山灰活性更強(qiáng)，反應(yīng)速率更快。

綜上所述，相比于粉煤灰而言，礦渣粉的火山灰反應(yīng)開始時(shí)間較早，且火山灰反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于粉煤灰。28 d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度只有1.5%～5.5%[16]，而礦渣粉的火山反應(yīng)程度達(dá)到了30%～50%[17]，是粉煤灰的5～9倍。因礦渣粉的火山灰反應(yīng)開始時(shí)間較早，且反應(yīng)速率較快，將消耗更多的Ca(OH)2，抑制侵蝕發(fā)生。同時(shí)，火山灰反應(yīng)會(huì)生成水化鋁酸鈣(C-A-H)凝膠與低鈣硅比水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，再次填充水泥石的凝膠孔，進(jìn)一步改善孔結(jié)構(gòu)，減緩侵蝕速率。因此，侵蝕前礦渣粉對水泥基材料抗侵蝕性能的改善效果更好。

2.3 侵蝕后摻礦渣粉與粉煤灰水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)的差異

圖3 試件在濃度為20 000 mg/L的溶液中侵蝕9個(gè)月后的SEM照片

微觀測試結(jié)果表明，礦渣粉與粉煤灰顆粒分散填充在膠凝材料中，并發(fā)生火山灰反應(yīng)生成新的膠凝產(chǎn)物填充水泥石凝膠孔，增強(qiáng)水泥石密實(shí)度。另外，摻入礦渣粉與粉煤灰減少了水泥用量，特別是C3S、C3A含量。本試驗(yàn)中礦渣粉與粉煤灰的粒徑分布相近，摻量相同時(shí)，水泥熟料中的C3S、C3A含量減少比例也相同。然而，因礦渣粉的火山灰反應(yīng)程度遠(yuǎn)高于粉煤灰，消耗了更多易被侵蝕的Ca(OH)2，并生成更多的C-S-H凝膠填充水泥石凝膠孔；故摻礦渣粉膠砂試件水泥石孔隙孔徑較小，密實(shí)度較高，侵蝕產(chǎn)物生成量較少，抗侵蝕性能更為優(yōu)異。

2.4 侵蝕后摻礦渣粉與粉煤灰水泥基材料化學(xué)組分的差異

圖4 試件在不同硫酸鹽濃度溶液中侵蝕9個(gè)月后的XRD圖譜

3 結(jié) 論

(2)侵蝕前，礦渣粉的火山灰反應(yīng)程度是粉煤灰的5～9倍，大量消耗膠凝體系中的Ca(OH)2生成新的膠凝產(chǎn)物，顯著改善了水泥石孔結(jié)構(gòu)，對水泥基材料抗侵蝕性能的改善效果更好。