杭美艷,蘇 京,張 平,王樹奇

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué),包頭 014010;2.包頭市鋼鹿建筑材料有限責(zé)任公司,包頭 014010)

粉煤灰助磨激發(fā)材料的應(yīng)用研究

杭美艷1,蘇 京1,張 平2,王樹奇2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué),包頭 014010;2.包頭市鋼鹿建筑材料有限責(zé)任公司,包頭 014010)

非等級(jí)低活性粉煤灰不能直接應(yīng)用于水泥混凝土中,該文通過(guò)大量試驗(yàn)研究,將幾種粉煤灰復(fù)合助磨激發(fā)材料與非等級(jí)低活性粉煤灰共同粉磨。研究表明:A、B、C三種粉煤灰助磨激發(fā)材料均能使粉煤灰需水量比減小,活性指數(shù)提高,其他指標(biāo)均符合Ⅰ級(jí)粉煤灰技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求?？紤]粉煤灰活性激發(fā)效果與經(jīng)濟(jì)效益等因素,選用B型粉煤灰助磨激發(fā)材料作為該電廠久置粉煤灰的激發(fā)材料,用該材料磨制的粉煤灰需水量比小,活性指數(shù)較高,可以大量應(yīng)用于水泥混凝中,該項(xiàng)研究成果解決久置粉煤灰的應(yīng)用問(wèn)題。

粉煤灰; 需水量比; 活性指數(shù); 適應(yīng)性

呼和浩特恒泰發(fā)電廠年產(chǎn)粉煤灰近60萬(wàn)t,堆積久置多年,目前該廠粉煤灰儲(chǔ)藏深度為9～12 m,儲(chǔ)量己達(dá)500萬(wàn)t以上,占地600多畝。由于該廠粉煤灰氧化鈣含量較低,需水量比高,28 d活性指數(shù)較小,不能直接應(yīng)用于水泥混凝土中,利用率低。發(fā)電廠排出的粉煤灰得不到有效利用,不僅浪費(fèi)資源,而且造成侵占耕地等不良影響。

該課題運(yùn)用機(jī)械粉磨和化學(xué)激發(fā)的方式將粉煤灰進(jìn)行粉磨,通過(guò)添加幾種復(fù)合粉煤灰助磨激發(fā)材料來(lái)提高粉磨效果,提高久置粉煤灰的活性指數(shù),即將細(xì)度大、需水量比大的久置非等級(jí)低活性粉煤灰研制成各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)規(guī)范要求的一級(jí)磨細(xì)粉煤灰,且磨細(xì)粉煤灰與萘系減水劑的適應(yīng)性良好。該項(xiàng)目研究成果提高了久置粉煤灰的使用價(jià)值,同時(shí)解決環(huán)境污染等技術(shù)問(wèn)題。

1 試驗(yàn)材料

水泥:冀東P·O42.5普通硅酸鹽水泥,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量26.7%,28 d抗壓強(qiáng)度為53.4 MPa,其余各項(xiàng)指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求。

原狀粉煤灰:恒泰發(fā)電廠排放久置非等級(jí)原狀粉煤灰,細(xì)度56%(45μm篩余量),需水量比122%,化學(xué)成分見表1。

表1 原狀粉煤灰化學(xué)成分 w/%

砂:檢驗(yàn)粉煤灰需水量比及活性指數(shù)試驗(yàn)采用砂為標(biāo)準(zhǔn)砂,符合《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)規(guī)定;檢驗(yàn)粉煤灰與萘系減水劑的適應(yīng)性試驗(yàn)采用砂為普通河砂,過(guò)2.36 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,細(xì)度模數(shù)為2.42,含泥量為3%。

助磨激發(fā)材料A、B、C三種(由激發(fā),助磨組分等組成)。

萘系減水劑:包頭市鋼鹿建筑材料有限責(zé)任公司生產(chǎn),性能指標(biāo)均符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)。

水:普通自來(lái)水,符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63—2006)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 助磨試驗(yàn)

該試驗(yàn)采用粉體助磨激發(fā)材料,摻量為0.6%。根據(jù)球磨機(jī)粉磨效果選取A、B、C三種復(fù)合助磨激發(fā)材料,將其分別摻入粉煤灰中,用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小磨?500 mm×500 mm進(jìn)行粉磨試驗(yàn)。在粉磨過(guò)程中嚴(yán)格控制粉磨時(shí)間(30 min),通過(guò)檢測(cè)細(xì)度、比表面積確定助磨激發(fā)材料的助磨效果。

2.2 需水量比及活性指數(shù)試驗(yàn)

粉煤灰需水量比為試驗(yàn)?zāi)z砂(J1-2、A-2、B-2、C-2)用水量與基準(zhǔn)膠砂(J-2)用水量(225 g)的比值,試驗(yàn)?zāi)z砂用水量為試驗(yàn)?zāi)z砂流動(dòng)度達(dá)到基準(zhǔn)膠砂流動(dòng)度±5 mm范圍內(nèi)時(shí)的用水量。該試驗(yàn)參照《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736—2002)進(jìn)行。粉煤灰的活性指數(shù)為測(cè)得相應(yīng)齡期(28 d)試驗(yàn)?zāi)z砂和基準(zhǔn)膠砂抗壓強(qiáng)度的比值。

2.3 磨細(xì)粉煤灰與萘系減水劑適應(yīng)性試驗(yàn)

參照《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736—2002)及《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119—2013),在相同的水膠比、膠砂比條件下,摻入一定量的外加劑,測(cè)定砂漿初始流動(dòng)度及10 min后流動(dòng)度,分析其適應(yīng)性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 粉煤灰助磨試驗(yàn)研究

粉煤灰助磨試驗(yàn)是將粉煤灰進(jìn)行磨細(xì)加工,以降低粉煤灰的細(xì)度,增大比表面積,強(qiáng)化粉煤灰火山灰效應(yīng),提高粉煤灰的水化程度。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2和圖1。

表2 粉煤灰助磨激發(fā)材料的助磨效果

從細(xì)度與比表面積試驗(yàn)來(lái)看,摻入助磨激發(fā)材料A、B、C后粉煤灰細(xì)度降低,比表面積提高,這說(shuō)明激發(fā)材料A、B、C均起到了一定的助磨效果,以激發(fā)材料B的45μm篩余量降低幅度最大。

粉煤灰通過(guò)球磨機(jī)的粉磨破壞使粉煤灰中玻璃體分散成單個(gè)微珠,改善表面特征和顆粒的級(jí)配分布。摻入助磨激發(fā)材料A、B、C后對(duì)粉煤灰玻璃體結(jié)構(gòu)的破壞力加強(qiáng),這是由于助磨材料的吸附作用,使粉煤灰的表面自由能下降,導(dǎo)致顆粒整體強(qiáng)度下降,最終提高粉磨效率。經(jīng)助磨材料作用的磨細(xì)粉煤灰顆粒分布更加均勻,粗大玻璃體被打碎后的粉體與細(xì)小密實(shí)的玻璃體均勻相間分布[1],故使磨細(xì)粉煤灰的比表面積增大,細(xì)度降低,成型的粉煤灰結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

3.2 磨細(xì)粉煤灰需水量比及活性指數(shù)試驗(yàn)研究

激發(fā)粉煤灰活性對(duì)粉煤灰使用價(jià)值有重要意義,粉煤灰活性激發(fā)方法主要分為化學(xué)激發(fā)、物理激發(fā)、熱力激發(fā)、電極化方法激發(fā)、復(fù)合激發(fā)等。本課題運(yùn)用機(jī)械粉磨和化學(xué)激發(fā)將粉煤灰進(jìn)行粉磨,通過(guò)添加幾種復(fù)合粉煤灰助磨激發(fā)材料用來(lái)提高粉磨效果,對(duì)粉煤灰進(jìn)行活性激發(fā)。磨細(xì)粉煤灰需水量比及活性指數(shù)試驗(yàn)見表3。

從表3中看出,未摻入助磨激發(fā)材料的粉煤灰需水量比為105%,在摻入助磨激發(fā)材料后,需水量比降為95%以下,符合Ⅰ級(jí)粉煤灰需水量比技術(shù)要求。摻入助磨激發(fā)材料,進(jìn)行機(jī)械粉磨,目的是改變其表面結(jié)構(gòu)、顆粒組成,粉煤灰顆粒表面被激發(fā)材料有效地包裹,使顆粒之間的表面能和表面張力降低,減少粉煤灰的團(tuán)聚,球形顆粒增多,發(fā)揮“滾珠”作用,體系的流動(dòng)性增加,和易性改善,從而降低需水量比[1,2]。

表3 磨細(xì)粉煤灰的活性指數(shù)

從表3和圖2看出,未摻入助磨激發(fā)材料(J1-2)的粉煤灰,3 d、28 d抗折抗壓強(qiáng)度與純水泥(J-2)相比下降明顯。摻入助磨激發(fā)材料的粉煤灰(A-2、B-2、C-2)與未摻加助磨激發(fā)材料相比,3 d抗折強(qiáng)度相近,抗壓強(qiáng)度提高1.7 MPa以上;28 d抗折強(qiáng)度略有提高,抗壓強(qiáng)度提高2.8 MPa以上。

粉煤灰活性激發(fā)最終都是使粉煤灰中活性SiO2、Al2O3與Ca(OH)發(fā)生二次水化反應(yīng)后能生成水化硅酸鈣(CS-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)。該試驗(yàn)在加入助磨激發(fā)材料后對(duì)粉煤灰進(jìn)行活性激發(fā),對(duì)體系進(jìn)行“補(bǔ)鈣”,提高體系的CaO/SiO2比,破壞粉煤灰致密的玻璃質(zhì)層,使內(nèi)部可溶性的SiO2、Al2O3釋放出來(lái),促進(jìn)二次水化反應(yīng),生成更多水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣,這些水化產(chǎn)物成為強(qiáng)度的主要來(lái)源,使粉煤灰3 d、28 d活性指數(shù)得到提升[3-5]。

3.3 磨細(xì)粉煤灰與萘系減水劑適應(yīng)性研究

粉煤灰主要用于水泥混凝土的生產(chǎn),特別適合配制泵送混凝土、大體積混凝土、高強(qiáng)高性能混凝土等,而其中必會(huì)摻加各種外加劑(如萘系減水劑、聚羧酸減水劑、引氣劑等),故需要研究粉磨后的粉煤灰與減水劑的適應(yīng)性。該試驗(yàn)以萘系減水劑為例,磨細(xì)粉煤灰與萘系減水劑的適應(yīng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

從表4可看出,在水膠比、膠砂比相同的情況下,摻入助磨激發(fā)材料A、B、C粉磨之后的粉煤灰與純水泥相比初始流動(dòng)度較小,但比未摻入粉煤灰助磨激發(fā)材料的初始流動(dòng)度大。這主要是由于,經(jīng)助磨激發(fā)材料粉磨之后的粉煤灰,團(tuán)聚現(xiàn)象減少,球形顆粒增多,滾珠作用和微細(xì)集料效應(yīng)明顯,體系流動(dòng)性增加,和易性改善,試驗(yàn)表現(xiàn)為流動(dòng)度增大,流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失量減小,與萘系減水材料的適應(yīng)性好,研制的磨細(xì)粉煤灰可應(yīng)用于水泥混凝土中大量取代水泥。

由表4還可看出,摻入助磨激發(fā)材料的粉煤灰與不摻加助磨激發(fā)材料相比3 d抗壓強(qiáng)度提高2 MPa以上,28 d抗壓強(qiáng)度提高4 MPa以上,活性指數(shù)達(dá)到91%以上,其原因是助磨激發(fā)材料與粉煤灰共同粉磨后,破壞粉煤灰致密保護(hù)層,二次水化反應(yīng)更加充分,使水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等增加強(qiáng)度的水化產(chǎn)物增多,再加上粉煤灰顆粒的粒徑比水泥顆粒小,可以更好的分布填充于水泥顆粒的間隙,改善砂漿孔隙結(jié)構(gòu),提高密實(shí)性,從而提高抗壓強(qiáng)度。

表4 磨細(xì)粉煤灰與萘系減水劑的適應(yīng)性

4 結(jié) 論

a.該文研究的粉煤灰激發(fā)材料A、B、C均能夠很好的激發(fā)粉煤灰活性,降低粉煤灰的細(xì)度,增大比表面積,降低需水量比,提高粉煤灰的活性指數(shù)。

b.摻入A、B、C的磨細(xì)粉煤灰砂漿流動(dòng)度比不摻入助磨激發(fā)材料的粉煤灰砂漿流動(dòng)度大,10 min損失量較小,與萘系減水劑適應(yīng)性更好。

c.A、B、C三種助磨激發(fā)材料均能夠很好的起到助磨與激發(fā)的效果,但考慮粉煤灰活性激發(fā)效果與經(jīng)濟(jì)性因素,最終選取助磨激發(fā)材料B應(yīng)用到該廠粉煤灰中,經(jīng)粉磨后,使粉煤灰的需水量比降到95%,達(dá)到了Ⅰ級(jí)粉煤灰要求,提高久置粉煤灰的使用價(jià)值,解決環(huán)境污染問(wèn)題。

[1] 江朝華,周際東,嚴(yán) 生.助磨材料作用下粉煤灰微細(xì)化機(jī)械力-化學(xué)的分析[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003,25(11),68-70.

[2] 楊曉鳳,彭龍貴,郭 蓓,等.乙二醇對(duì)粉磨Ⅲ級(jí)粉煤灰活性激發(fā)的影響研究[J].冶金工程,2010,30(1):84-86.

[3] 柯國(guó)軍,楊曉峰,彭 紅,等.化學(xué)激發(fā)粉煤灰活性機(jī)理研究進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報(bào),2005,30(3):366-370.

[4] 錢覺時(shí),范英儒,明德華,等.粉煤灰活性的激發(fā)[J].重慶建筑大學(xué)報(bào),1995,17(3):111-117.

[5] 任書霞,要秉文,王長(zhǎng)瑞.粉煤灰活性的激發(fā)及其機(jī)理研究[J].粉煤灰綜合利用,2008(4):50-52.

Research of Fly Ash Grinding Exciting Materials

HANG Mei-yan1,SU Jing1,ZHANG Ping2,WANG Shu-qi2
(1.Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;
2.Baotou Steel Deer Building Materials Company,Baotou 014010,China)

Non-low grade activity fly ash can not be directly used in the cement concrete.A lot of tests in which we ground together several fly ash composite grinding material and the high level of activity of fly ash are researched in this paper.The studies have shown that A,B,C three kinds of fly ash grinding exciting materials can not only decrease the ratio of water demand but also increase the activity index of the polished ash.And other indicators are in the line with fly technical standards requirements gradeⅠ.Considering the factors of active excitation effect and economic benefits of fly ash,we choose B-inspired material grinding fly ash as the main active material to make ash in the power plant.It has great benefits,high activity index,it can be widely used in cement and concrete,and solves the applicable matters of long-time saved ash.

fly ash; water demand ratio; grinding excitation; adaptability

2014-07-08.

內(nèi)蒙古自然基金(2013 MS0731).

杭美艷(1964-),教授級(jí)高級(jí)工程師.E-mail:hangmeiyan64@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.003