陳蔚

（呼和浩特職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

粉煤灰具有活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，對(duì)混凝土的性能有改善作用[1-2]，因此，粉煤灰成為當(dāng)前高性能混凝土的首選摻合料。但隨著優(yōu)質(zhì)煤資源供應(yīng)緊缺，灰分多的低品位煤用量增多，低品位粉煤灰產(chǎn)量更多[3]。由于低品位粉煤灰中含碳量高，活性組分相對(duì)較少，并且疏松多孔的碳粒使粉煤灰用作水泥基材料時(shí)需水量增大，早期強(qiáng)度低，強(qiáng)度發(fā)展緩慢，限制了低品位粉煤灰在建材領(lǐng)域的消納。因此，如何激發(fā)低品位粉煤灰活性，降低低品位粉煤灰需水量，提高其在水泥基材料或混凝土中的摻量，是目前低品位粉煤灰建材資源化利用的一個(gè)有效途徑。一些學(xué)者研究認(rèn)為[4]，可以通過機(jī)械粉磨、化學(xué)激發(fā)和增鈣改性等方法提高低品位粉煤灰活性。粉煤灰細(xì)度增大，可供發(fā)生水化反應(yīng)的活性表面增多，產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，提高水泥基材料的強(qiáng)度[7]；摻入鋼渣、石灰石粉、石膏等材料對(duì)低品位粉煤灰性能進(jìn)行改善，提高低品位粉煤灰的摻量[5-7]。

本文通過膠砂性能試驗(yàn)，改變低品位粉煤灰細(xì)度，摻入鋼渣及石灰石粉，對(duì)低品位粉煤灰的性能進(jìn)行改善，對(duì)低品位粉煤灰用作水泥基材料的摻合料具有參考意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：拉法基P·O42.5水泥，密度3.11 g/cm3，比表面積367 m2/kg；低品位粉煤灰：燒失量為9.59%，來自河南；鋼渣：河南產(chǎn)；石灰石粉：市售；砂：標(biāo)準(zhǔn)砂；水：自來水。原材料的主要化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 低品位粉煤灰的改性方法

（1）通過控制粉磨時(shí)間，得到細(xì)度分別為304、423、495m2/kg的低品位粉煤灰，對(duì)其活性進(jìn)行改性，提高低品位粉煤灰在水泥基材料中的早期強(qiáng)度。

（2）采用鋼渣與低品位粉煤灰復(fù)摻，對(duì)低品位粉煤灰活性及需水量進(jìn)行改善，并得出最佳復(fù)摻配合比。

（3）采用石灰石粉與低品位粉煤灰復(fù)摻，對(duì)低品位粉煤灰需水量進(jìn)行改善，并得出最佳復(fù)摻配合比。

1.3 試驗(yàn)配合比

根據(jù)GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》規(guī)定的配合比，水泥450 g、砂1350 g、水225 g。低品位粉煤灰分別采用單摻、與鋼渣復(fù)摻、與石灰石粉復(fù)摻方式取代不同質(zhì)量的水泥。低品位粉煤灰、鋼渣和石灰石粉總體取代水泥比例分別為20%、30%、40%、50%；采用鋼渣與低品位粉煤灰復(fù)摻時(shí)，鋼渣和低品位粉煤灰質(zhì)量比分別為 1∶4、2∶3、3∶2；采用石灰石粉與低品位粉煤灰復(fù)摻時(shí)，石灰石粉和低品位粉煤灰質(zhì)量比分別為 1∶4、2∶3、3∶2。

1.4 測試方法

（1）砂漿制備：按照砂漿的配合比，將稱量好的不同配比的膠凝材料加入攪拌鍋內(nèi)，然后加入水，按照GB/T 17671—1999的相關(guān)要求進(jìn)行攪拌。

（2）擴(kuò)展度測試：按照砂漿的配合比設(shè)計(jì)及制備方法拌合好所需砂漿，根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》測試新拌膠砂的擴(kuò)展度。

（3）膠砂強(qiáng)度測試：按照砂漿的配合比設(shè)計(jì)及制備方法拌合好所需砂漿，按照GB/T 17671—1999中的相關(guān)要求成型、拆模、養(yǎng)護(hù)，測試3 d、28 d抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰細(xì)度對(duì)水泥基材料性能的影響

通過機(jī)械粉磨低品位粉煤灰，提高低品位粉煤灰的細(xì)度，增加了玻璃相的比表面積。同時(shí)，原來被包裹在粗顆粒里的小顆粒也被暴露出來，內(nèi)部具有活性的SiO2和 Al2O3釋放出來，促使其水化活性及早發(fā)揮。粉煤灰細(xì)度及摻量對(duì)新拌砂漿擴(kuò)展度及膠砂抗壓強(qiáng)度的影響見表2。

表2 粉煤灰細(xì)度和摻量對(duì)水泥基材料性能的影響

由表2可知：

（1）隨著低品位粉煤灰摻量的增加，砂漿擴(kuò)展度逐漸降低；隨著低品位粉煤灰細(xì)度的增大，砂漿擴(kuò)展度逐漸增大。低品位粉煤灰細(xì)度為495 m2/kg時(shí)，即使單摻40%的擴(kuò)展度也比細(xì)度為304 m2/kg單摻20%的高，說明磨細(xì)之后的低品位粉煤灰的需水量變小，這是由于磨細(xì)過程中碳粒發(fā)生變化以及磨細(xì)之后的粉煤灰呈現(xiàn)出“滾珠效應(yīng)”，降低了需水量。不摻粉煤灰時(shí)砂漿擴(kuò)展度為210 mm，當(dāng)粉煤灰磨細(xì)度為495 m2/kg、單摻20%時(shí)，在需水量上基本可與空白組相當(dāng)。

（2）不摻低品位粉煤灰的空白組膠砂28d抗壓強(qiáng)度為46.5 MPa。3種細(xì)度下的低品位粉煤灰單摻20%時(shí)強(qiáng)度和空白組相差較小，然而當(dāng)?shù)推肺环勖夯覔搅吭黾拥?0%時(shí)，無論細(xì)度變化如何，膠砂強(qiáng)度幾乎都較空白組明顯降低。3種細(xì)度的低品位粉煤灰28 d活性指數(shù)分別為72.01%、78.32%、84.44%，隨著細(xì)度的增大粉煤灰活性逐漸提高，但火山灰活性仍然沒有完全激發(fā)，二次水化反應(yīng)不充分。

因此，磨細(xì)低品位粉煤灰可以改善低品位粉煤灰需水量高的問題，低品位粉煤灰細(xì)度在495 m2/kg、單摻20%時(shí)需水量基本可與空白組相當(dāng)，膠砂擴(kuò)展度為205 mm；磨細(xì)低品位粉煤灰可以適當(dāng)提高其活性，細(xì)度為495 m2/kg時(shí)，28 d活性指數(shù)為84.44%。

2.2 鋼渣-粉煤灰復(fù)摻對(duì)水泥基材料性能的影響

低品位粉煤灰用在水泥基材料中時(shí)，不僅需要提高強(qiáng)度，還要降低需水量。鋼渣因?yàn)檩^低需水量或基本不需水這一特點(diǎn)，與低品位粉煤灰復(fù)合作為膠凝材料，不僅能改善體系需水量大的問題[8-9]，鋼渣中的CaO含量高，其水化生成Ca（OH）2，可以激發(fā)粉煤灰的火山灰活性。同時(shí)Ca（OH）2對(duì)硅酸鈣、鋁酸鈣產(chǎn)物有催化作用，彌補(bǔ)粉煤灰中的CaO含量低的不足，而粉煤灰中的SiO2和Al2O3含量相對(duì)較多，對(duì)鋼渣的水化也起到了促進(jìn)的作用。采用鋼渣與低品位粉煤灰復(fù)摻，低品位粉煤灰細(xì)度均為423 m2/kg，復(fù)摻取代水泥質(zhì)量分別為30%、40%、50%，鋼渣和低品位粉煤灰質(zhì)量比（鋼粉比）分別為1∶4、2∶3、3∶2，鋼渣-粉煤灰復(fù)摻對(duì)水泥基材料性能的影響見表 3。

表3 鋼渣-粉煤灰復(fù)摻對(duì)水泥基材料性能的影響

由表3可知：

（1）鋼渣占比越高，水泥基材料的擴(kuò)展度越大，即使水泥量僅為50%時(shí)，對(duì)體系需水量也能大大改善，膠砂擴(kuò)展度能從160 mm增大到201 mm。但是當(dāng)鋼粉比高于2∶3時(shí)，水泥材料擴(kuò)展度變化較小，鋼粉比3∶2擴(kuò)展度僅比鋼粉比2∶3時(shí)提高4~6 mm。

（2）適量的鋼渣不僅能夠提高體系的早期抗壓強(qiáng)度，對(duì)體系28 d抗壓強(qiáng)度也有改善，但是由于鋼渣中含有游離MgO和CaO，當(dāng)鋼粉比較高或者復(fù)摻摻量過大時(shí)，水泥基材料的28 d抗壓強(qiáng)度下降。

鋼渣能改善低品位粉煤灰在水泥基材料中需水量高的問題，提高體系的早期強(qiáng)度，但應(yīng)該控制鋼渣摻量，鋼粉比不宜大于2∶3。當(dāng)水泥摻量為70%、低品位粉煤灰18%、鋼渣12%時(shí)，膠砂擴(kuò)展度能達(dá)到201 mm，28 d抗壓強(qiáng)度為40.1 MPa。

2.3 石灰石粉-粉煤灰復(fù)摻對(duì)水泥基材料性能的影響

石灰石粉因?yàn)樵诨炷林芯哂辛己玫臏p水和填充效應(yīng)而受到關(guān)注和應(yīng)用。陸平和陸樹標(biāo)[10]研究發(fā)現(xiàn)，在水泥水化過程中，石灰石粉顆粒對(duì)Ca2+有著吸附作用，從而降低了C3S周圍因水化釋放的Ca2+，影響了化學(xué)反應(yīng)平衡，加速了C3S的水化反應(yīng)。胡曙光等[11]研究發(fā)現(xiàn)，石灰石粉摻量越多，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越小，石灰石粉對(duì)水泥的凝結(jié)時(shí)間無影響。Mustafa Sahmaran等[12]認(rèn)為，雖然石灰石粉顆粒形狀不如粉煤灰規(guī)則，但它增加了比表面積，對(duì)漿體的自由水有一定的吸附功能，摻有石灰石粉的混凝土保水性得到了提高，不易產(chǎn)生離析、泌水。因此，將石灰石粉與粉煤灰復(fù)合作為復(fù)合膠凝材料，按一定的比例配合，不僅能夠充分發(fā)揮其潛在的膠凝性能，使水化速率進(jìn)一步提高[13]，還可以降低低品位粉煤灰的需水量。試驗(yàn)中，采用石灰石粉與低品位粉煤灰復(fù)摻，改善低品位粉煤灰在水泥基材料中需水量高，以及避免由于摻入鋼渣導(dǎo)致的后期強(qiáng)度低等問題。其中低品位粉煤灰細(xì)度均為423 m2/kg，復(fù)摻取代水泥質(zhì)量分別為30%、40%、50%，石灰石粉和低品位粉煤灰質(zhì)量比（石粉比）分別為 1∶4、2∶3、3∶2，石灰石粉-粉煤灰復(fù)摻對(duì)水泥基材料性能的影響見表4。

表4 石灰石粉-粉煤灰復(fù)摻對(duì)水泥基材料性能的影響

由表4可知：

（1）隨石粉比的增加，水泥基材料的擴(kuò)展度逐漸增大。水泥摻量為 60%時(shí)，石粉比為 0、1∶4、2∶3 和 3∶2 的膠砂擴(kuò)展度分別為179、185、189、190 mm。這是因?yàn)?，石灰石粉有較好的分散作用，在拌制中能均勻分散于水泥顆粒及低品位粉煤灰中，釋放了顆粒之間包裹的自由水，起到分散劑的作用；石灰石粉有填充作用，填充于粉煤灰及水泥的間隙中，能夠形成連續(xù)級(jí)配的顆粒堆體系模型，但對(duì)水泥基材料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大。

（2）水泥摻量相同時(shí)，石灰石粉對(duì)膠砂3 d抗壓強(qiáng)度影響不大，但28 d抗壓強(qiáng)度隨石灰石粉摻量的增加有所提高。水泥摻量為 60%時(shí)，石粉比為 0、1∶4、2∶3 和 3∶2 的膠砂 3 d 抗壓強(qiáng)度分別為 15.0、15.4、16.8、15.9 MPa；28 d 抗壓強(qiáng)度分別為33.2、33.7、34.9、36.0 MPa。后期強(qiáng)度升高主要原因是低品位粉煤灰的二次水化作用。

石灰石粉與低品位粉煤灰復(fù)摻可以較好地改善低品位粉煤灰需水量高的問題，而且不影響水泥基材料的后期強(qiáng)度，有利于低品位粉煤灰發(fā)揮二次水化作用。

3 結(jié)語

低品位粉煤灰需水量大，在水泥基材料中摻量有限，本文通過磨細(xì)低品位粉煤灰、復(fù)摻鋼渣、復(fù)摻石灰石粉對(duì)低品位粉煤灰性能進(jìn)行改善，增大低品位粉煤灰在水泥基材料中的摻量。

（1）磨細(xì)低品位粉煤灰可以改善低品位粉煤灰需水量高的問題，隨著低品位粉煤灰細(xì)度的增大，水泥基材料的擴(kuò)展度不同程度的增大。低品位粉煤灰細(xì)度為495m2/kg、單摻20%時(shí)需水量基本可與空白組相當(dāng)，擴(kuò)展度為205 mm；磨細(xì)之后的低品位粉煤灰呈現(xiàn)了“滾珠效應(yīng)”，降低了需水量，而且磨細(xì)粉煤灰可以適當(dāng)提高低品位粉煤灰的活性，細(xì)度為495 m2/kg時(shí)，28 d活性指數(shù)為84.44%。

（2）鋼渣能有效改善體系的需水量，摻入鋼渣能夠提高體系的早期強(qiáng)度，但鋼渣含有較多的MgO和CaO，因此摻量不宜過高，鋼粉比應(yīng)小于2∶3，當(dāng)水泥摻量為70%、低品位粉煤灰18%、鋼渣12%時(shí)，擴(kuò)展度能達(dá)到201 mm，膠砂28 d抗壓強(qiáng)度為40.1 MPa。

（3）石灰石粉不僅可以改善體系的需水量，還可以填充于水泥及粉煤灰縫隙中，形成連續(xù)級(jí)配的顆粒堆體系模型，有利于粉煤灰更好地發(fā)揮二次水化反應(yīng)。水泥摻量為70%、低品位粉煤灰18%、石灰石粉12%時(shí)，擴(kuò)展度為201 mm，膠砂28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到42.7 MPa。