超細(xì)粉煤灰對普通硅酸鹽水泥性能的影響

楊鑫鑫 王其凱

(濟(jì)南萬科企業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

粉煤灰作為燃煤電廠燃燒過程中排出的微小灰粒，富含無定型SiO2和Al2O3，用作輔助性膠凝材料時，不僅降低成本和環(huán)境污染，還可以改善水泥的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能等[1-3]。然而，粉煤灰的活性較低。Lam等指出粉煤灰水泥漿體養(yǎng)護(hù)90天后仍約有80%粉煤灰未發(fā)生水化反應(yīng)[4]。超細(xì)粉磨處理是實(shí)現(xiàn)粉煤灰高品質(zhì)、高效應(yīng)和高附加值利用的重要手段之一。平均粒徑低于10μm，比表面積大于600m2/kg的超細(xì)粉煤灰具有良好的超細(xì)顆粒效應(yīng)，但粉磨過程中可能破壞粉煤灰的滾珠效應(yīng)，增加需水量[5-6]。因此，本文以超細(xì)粉煤灰為主要研究對象，研究了超細(xì)粉煤灰摻量對硅酸鹽水泥性能的影響規(guī)律。

1 原材料

1.1 普通硅酸鹽水泥

本文采用52.5普通硅酸鹽水泥，其主要化學(xué)組成見表1。

表1 水泥化學(xué)組成/wt.%

1.2 粉煤灰

本文選用超細(xì)粉煤灰的密度為2.13g/cm3，微觀形貌如圖1，其形貌為表面光滑、規(guī)則的球形顆粒，平均粒徑為3.93μm，粒徑分布如圖2所示。

圖1 粉煤灰的SEM形貌照片

圖2 超細(xì)粉煤灰粒度分析

2 結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時間

圖3顯示了超細(xì)粉煤灰對水泥凝結(jié)時間的影響。水泥的初凝時間和終凝時間分別為140 min和212min。超細(xì)粉煤灰的摻加明顯延長了凝結(jié)時間。當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量由5%增加至20%，初凝時間從147min增加至170min，終凝時間從218min增加至245min。

圖3 超細(xì)粉煤灰對水泥凝結(jié)時間的影響

2.2 標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量

圖4是摻加超細(xì)粉煤灰的水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。從圖中可以看出超細(xì)粉煤灰的摻加明顯增加了標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。純水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為24.1%，當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量由5%增加至20%，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量從24.6%增加至27.3%，比純水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量高了2.1%～13.3%。這是由于超細(xì)粉煤灰的高比表面積導(dǎo)致顆粒之間或?qū)λ囝w粒產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，有形成絮凝結(jié)構(gòu)的趨勢，降低了水泥漿體的流動性。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量

2.3 力學(xué)性能

超細(xì)粉煤灰對水泥的力學(xué)性能的影響結(jié)果如圖5所示。在圖5(a)中，隨著超細(xì)粉煤灰摻量的增加，3d和28d的抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為10%時，3d和28d抗折強(qiáng)度都達(dá)到最大，分別比純水泥高出7.3%和4.5%。當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為20%時，3d和28d抗折強(qiáng)度都達(dá)到最低，分別比純水泥低3.6%和3.0%。在圖5(b)中，抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度相近，隨著超細(xì)粉煤灰摻量的增加，3d和28d的抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)超細(xì)粉煤灰從5%增加到20%，3d抗壓強(qiáng)度從28.6MPa增加至33.1MPa又降低至26.0MPa，28d抗壓強(qiáng)度從56.7MPa增加至59.1MPa又降低至51.1MPa。所以，超細(xì)粉煤灰對水泥的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有明顯的影響，尤其在水化早期，這是由于超細(xì)粉煤灰在早期發(fā)揮了其“顆粒填充效應(yīng)”，提高了硬化體致密度。在水化后期超細(xì)粉煤灰中活性氧化硅和氧化鋁參與二次水化反應(yīng)，其水化產(chǎn)物能夠提高顆粒間粘結(jié)效應(yīng)，改善強(qiáng)度。

(a)

(b)圖5 超細(xì)粉煤灰對水泥的力學(xué)性能的影響

3 結(jié) 論

超細(xì)粉煤灰的摻加明顯延長了水泥的凝結(jié)時間，并且隨著粉煤灰摻量的增加，凝結(jié)時間越長。超細(xì)粉煤灰的高比表面積導(dǎo)致水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增加。當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為20%時，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增加了13.3%。摻量為5%～15%的超細(xì)粉煤灰能改善水泥強(qiáng)度，尤其當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為10%時，3d抗折強(qiáng)度增加7.3%，3d抗壓強(qiáng)度增加20.8%。