摘要:

論述了影響堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料性能的主要因素，就粉煤灰礦渣比、堿的類型及摻量、粉煤灰的機械活化和堿激發的復合作用、早強劑及晶種等因素進行了系統的研究。

0 前言

粉煤灰主要組成為玻璃態物質，其內能高，熱力學上處于不穩定狀態，具有潛在活性。但粉煤灰玻璃網絡結構中［SiO4］4-聚合度高，以通常的堿激發礦渣方法來激發粉煤灰效果不大。根據粉煤灰的結構和水化特點，筆者就影響堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料性能的主要因素進行了試驗研究，并取得了較好的效果。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗用原料：

粉煤灰：鹽城發電廠干排灰，比重1 820 kg/m3，比表面積173.2 m2/kg。

礦渣：揚州鋼鐵廠，粉磨至比表面積351.9 m2/kg；工業水玻璃：模數為2.31。作為堿性激發劑使用時，模數調整為1；化學純NaOH；晶種：安徽繁昌天然沸石，為斜方沸石、絲光沸石的集合體，粉磨至比表面積686.5 m2/kg。早強劑N，為一種工業廢渣。原材料化學成分見表1。

表1 原材料化學成分 %

原料 燒失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O

粉煤灰 7.2 47.76 30.12 7.63 3.70 0.82 0.95

礦渣 36.78 9.24 5.53 43.26 5.12

1.2 試驗方法：遵照GB177-85進行強度測定。

2 試驗結果與討論

2.1 粉煤灰礦渣最佳配合比

以0、10%、20%、30%、40%、50%的礦渣取代粉煤灰，外摻3%、模數為1的水玻璃。為控制凝結時間處于正常范圍內，另外摻0.5%～1%的Ca(OH)2。同組試驗，Ca(OH)2摻入量相同(下同)。試驗結果見表2。

表2 粉煤灰礦渣試驗結果

序 粉煤灰 礦渣 水玻璃 抗折強度/MPa 抗壓強度/MPa
號 % 模數 摻量/% 3d 28d 3d 28d

C1 100 0 1 3 1.77 3.62 3.12 19.44

C2 90 10 1 3 2.43 4.53 4.61 28.13

C3 80 20 1 3 3.26 5.34 5.46 32.72

C4 70 30 1 3 3.94 6.43 6.22 35.14

C5 60 40 1 3 4.15 6.96 6.81 37.45

C6 50 50 1 3 3.72 6.58 6.43 36.41

結果表明：因粉煤灰玻璃結構網絡中［SiO4］4-聚合度高，較難為堿激活，因此純粉煤灰試樣C1表現在宏觀性能上硬化體強度不高。礦渣玻璃結構網絡中［SiO4］4-?聚合度低，易被堿激發，水化速度較粉煤灰快，先期形成的水化產物對粉煤灰的水化有誘導作用，因此礦渣取代粉煤灰后，堿?粉煤灰礦渣系統硬化體強度有所增加。由表2亦可知，粉煤灰與礦渣最佳配合比為60∶40。?

2.2 堿的類型及摻量的影響

為探討不同類型、摻量的堿對堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料性能的影響，以粉煤灰礦渣最佳配合比，外摻不同比例的NaOH和模數為1的水玻璃，試驗結果見表3。

表3 堿的類型及摻量的影響

序 粉煤灰 礦渣 水玻璃 NaOH 抗折強度/MPa 抗壓強度/MPa
號 % 模數 摻量/% % 3d 28d 3d 28d

D1 60 40 1 2 3.52 6.01 5.72 33.13

D2 60 40 1 3 4.15 6.96 6.81 37.45

D3 60 40 1 4 5.24 7.22 7.13 38.26

D4 60 40 2 3.91 5.27 4.84 28.69

D5 60 40 3 4.15 5.62 5.59 34.21

D6 60 40 4 4.63 6.24 6.35 35.78

從表3可以看出，堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料硬化體強度隨NaOH或水玻璃摻量增加而增加，水玻璃較NaOH作用效果要好。這是因為水玻璃水解產物為NaOH和Si(OH)4，Si(OH)4呈膠體狀態存在，膠體有吸附相同組份的性能，一方面Si(OH)4吸附液相中硅氧陰離子團和Ca2+?、Na+等，導致液相中簡單聚體的縮聚，促使水化產物的形成；另一方面Si(OH)4有助于消除粉煤灰、礦渣周圍硅氧陰離子團的過飽和現象，促進粉煤灰、礦渣的解聚過程。考慮摻量與效益關系，水玻璃摻量以3%為宜。

2.3 粉煤灰機械活化和堿激發的復合作用

粉煤灰中［SiO4］4-?聚合度高，在常溫下受堿激發較難，因此用通常堿激活礦渣的措施對粉煤灰不完全有效，需要對粉煤灰進行活化處理。本試驗采用機械活化和堿激發的復合作用。噴入0.05%助磨劑三乙醇胺的粉煤灰在球磨機中分別粉磨0 min、10 min、20 min、30 min、40 min，測得粉煤灰的比表面積分別為173.2 m2/kg、556.2 m2/kg、629.3m2/kg、686.1 m2/kg、732.9 m2/kg。取粉煤灰最佳配合比，再外摻3%、模數為1的水玻璃進行堿激發，試驗結果見表4。

表4 機械活化及堿激發復合作用影響?

序號 粉磨時間 粉煤灰細度 粉煤灰 礦渣 水玻璃 抗折強度/MPa 抗壓強度/MPa? min m2·kg-1 % 模數 摻量/%
?3d 28d 3d 28d

F1 0 173.2 60 40 1 3 4.15 6.96 6.81 37.45

F2 10 556.2 60 40 1 3 5.48 7.82 21.22 48.34

F3 20 628.3 60 40 1 3 6.17 8.14 24.41 49.15

F4 30 696.1 60 40 1 3 6.59 8.52 25.65 53.32

F5 40 732.9 60 40 1 3 7.10 8.06 25.79 51.46

從表4可以看出，粉煤灰經機械活化和堿激發的復合作用后，能顯著提高堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料硬化體的強度。這是因為粉煤灰經機械活化，其表面積ΔA增加，表面自由焓ΔG=γΔA(γ為粉煤灰表面自由能)增加，其活性提高；同時，機械活化，使粉煤灰表面缺陷化，活化中心增多。再施以堿激發，提高了液相中OH-和SiO44-離子的濃度，使粉煤灰、礦渣玻璃結構網絡加速解聚，液相中陰離子的濃度增大，聚合成水化產物的速度加快，因此堿-粉煤灰-礦渣基膠凝材料硬化體的強度顯著提高。由表4亦可看出，粉煤灰粉磨時間過長，早期強度雖有所提高，但后期強度增幅不大，因此粉煤灰的比表面積控制在550 m2/kg～600 m2/kg較為合適。

作者：潘群雄 張長森