摘要:粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統能更為充分地激發粉煤灰的活性,有比較廣泛的應用前景。通過用于免燒磚、礦渣水泥生產中和對粉煤灰活性激發、膠砂強度等方面比較系統的試驗研究,揭示了粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統研究和應用的意義與可行性,并提出了進一步研究的方向。

關鍵詞:粉煤灰，石灰，硫酸鹽，礦渣水泥，免燒磚，膠砂強度

1　前言

人們早已從理論上認識到粉煤灰摻加石灰和硫酸鹽可作為膠凝材料,并進行了大量的試驗研究,由于作為膠凝材料強度太低未引起人們足夠的重視。但隨粉煤灰引起的環境問題日益惡化和粉煤灰在建材中應用后對節約能源、資源的積極作用,以及粉煤灰建材資源化觀點為更多人所接受,粉煤灰摻加石灰和硫酸鹽作為激發粉煤灰活性的一個系統的意義越來越大,對這一系統進行深入的研究不僅有比較重要的理論意義,也有非常廣泛的應用前景。

2　粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統的作用

粉煤灰屬于CaO-SiO2-Al2O3系統,相比于波特蘭水泥熟料只是CaO含量比較低。因此,理論上補充CaO,粉煤灰就可以水化硬化而形成強度,這實際上就是火山灰質材料的特性。但試驗結果顯示,即使所采用的粉煤灰品質比較好,粉煤灰水化硬化速度仍很慢,強度也極低,無實際應用價值,只有在高溫高壓條件下添加CaO,才可以獲得比較高的強度。

這里所提的粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統是指常溫常壓條件下,粉煤灰在這一系統中活性能得到比較充分、快速的激發,并且在粉煤灰建材中具有一定的適用性。常溫下粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統對粉煤灰活性激發雖然不象高溫高壓下那樣顯著,但這一系統無論是從應用角度還是理論層次都有比較重要的意義。甚至可以認為粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統是激發粉煤灰活性*為基本的系統。

2.1　直接用來制備粉煤灰建材

表1是采用這一系統壓制成型的粉煤灰磚的強度,粉煤灰的摻量可達80%以上,且對粉煤灰品質要求不十分嚴格。試驗時膠凝材料部分的配合比為粉煤灰84%(原狀灰),生石灰13%(熟石灰按CaO折算),Na2SO4 3%,砂為重慶特細砂,試件尺為4cm×4cm×16cm,成型壓力控制在20MPa;試件在空氣中標準養護。

表2是這一系統膠砂強度與70%粉煤灰+30%525#硅酸鹽水泥的膠砂強度對比。結果顯示采用這一系統來激發粉煤灰的活性,用22%左右的石灰和硫酸鈉相當于采用30%的525#硅酸鹽水泥的效果。

2.2　粉煤灰作摻合料生產礦渣水泥

粉煤灰作為水泥或混凝土的活性摻合料時,水泥熟料水化時將產生Ca(OH)2,水泥通常加有石膏,這時粉煤灰活性激發也與粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統有一定關系;一些研究者通過研究還發現,粉煤灰作為混凝土摻合料時,應加入CaO以更充分激發粉煤灰的活性,因此,粉煤灰作為水泥或混凝土的摻合料時,其活性激發一定程度上與粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統有關。采用這一系統和礦渣一起制備粉煤灰礦渣水泥,可用于配制325#低標號水泥。表3是強度試驗結果。

采用標準砂,按GB177-85進行測試,粉煤灰摻量為55%,石灰與礦渣摻量為44%,Na2SO4摻量為1%。只摻加CaO時粉煤灰與礦渣混合后強度也比較低,有關對比情況見表7測試結果。

2.3　是常溫下粉煤灰活性激發的*佳途徑

從其它研究者和我們的研究結果來看,相比而言常溫下粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統對粉煤灰活性的激發,技術和經濟指標綜合價值比較高。雖然我們采用其它的激發方式在粉煤灰摻量為70%～80%時,不摻水泥熟料常溫下28d強度可以比較容易達到30MPa,且早期強度發展也比較迅速,但經濟指標目前還無法與粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統相比。

2.4　常溫下粉煤灰活性激發機理有待認識

以往簡單的認為粉煤灰的活性在Ca(OH)2的作用下,活性氧化硅及氧化鋁水化生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,而水化鋁酸鈣在有石膏存在的條件下還會生成鈣礬石。可以肯定,常溫下粉煤灰活性的發揮是很復雜的,通過研究粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統可以從另一個側面來認識粉煤灰活性的激發。

3　強度試驗結果

3.1　原料

粉煤灰化學成分見表4。粉煤灰分原狀灰和磨細灰,磨細灰分別粉磨30min和3h。

礦渣采堿性系統為1.08,采用球磨機粉磨40min。生石灰,球磨機粉磨20min,硫酸鹽中的硫酸鈉為無水硫酸鈉,石膏為二水石膏和經煅燒的半水石膏。

3.2　膠砂強度試驗

膠砂強度試驗采用標準砂時按GB177-85,由于試驗研究數量比較大,考慮到試驗費用問題,在進行對比分析時采用特細砂(細度模數為0.9),試驗時參照GB117-85,灰砂比為1∶2,水灰比根據砂漿的流動度與采用標準砂相近進行調整,試件采用標準養護。采用特細砂與標準砂的膠砂強度有一定的可比性,特細砂的膠砂強度大約相當于標準砂膠砂強度的80%～85%。

3.3　強度測試結果

強度試驗主要考察這一系統與粉煤灰單摻CaO的對比情況。表5～表8是部分的膠砂強度試驗結果。

試驗結果顯示粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統比粉煤灰單摻CaO對粉煤灰活性激發效果更為顯著,不論這一系統單獨作為膠凝材料,還是作為活性摻合材使用時效果都很明顯。

4　討　論

從膠砂強度的試驗結果和微觀測試結果都可以看出粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統對粉煤灰活性的激發效果非常顯著,這與其它研究者的研究結果是比較一致的。從現有的試驗和測試結果還可以認為,要使粉煤灰活性激發生成類似于硅酸鹽水泥的水化產物,很顯然CaO或者Ca(OH)2是激發粉煤灰活性的必要條件,而硫酸鹽則是激發粉煤灰活性的充分條件,并且只在石灰存在的情況下才能發揮作用。雖然粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統對粉煤灰活性激發的效果極為顯著,但還有很多問題有待更為深入的研究。我們在前期研究的基礎上認為以下幾個方面值得進一步的研究。

4.1　Ca(OH)2的*佳量

粉煤灰中的SiO2平均占55%,Al2O3占25%,按水化硅酸鈣的鈣硅比為1∶1,鈣礬石的鈣鋁比為4∶1,假定與SO42-同比例的Al2O3參與生成鈣礬石,而SO42-按5%計算,又假定不計粉煤灰中的CaO以及Fe2O3,理論上粉煤灰的活性氧化物全部生成水化產物所需的CaO大約*少為55%(質量比),如假定有一半的活性氧化物反應需要22.5%CaO,而通常CaO的摻量為20%,折算成外摻大約為25%。因此,通常粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統石灰摻量在20%也有一定的依據。當然如假定水化硅酸鈣的鈣硅比大于1∶1,并且后期有水化鋁酸鈣生成,那么CaO的*佳摻量還應提高。

實際應用中還需要在早期就能比較充分的激發粉煤灰活性,并確定粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統中Ca(OH)2的量為多少時可在某齡期之前有效激發粉煤灰的活性,通常采用的是生石灰。當石灰摻量過多時,成型時會因體積膨脹而產生破壞,而生石灰摻量太少又難以**粉煤灰后期能不斷水化。在水化后期如能通過其它方式補充系統中的Ca(OH)2,這一矛盾就比較易于解決了。

4.2　采用生石灰還是熟石灰

從理論上看,粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統中的石灰如采用生石灰將會比較快速水化而生成Ca(OH)2,然后Ca(OH)2再與粉煤灰中的活性氧化物反應,因此系統采用熟石灰來代替生石灰效果應該差別不是很大,但以往的試驗結果顯示采用熟石灰的強度明顯低于采用生石灰的。因而系統中分別采用生石灰和熟石灰水化機理上有什么差別是值得研究的。或許將為粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統中采用熟石灰找到一種途徑。由于熟石灰不需要粉磨,這將大大促進粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統在粉煤灰建材中的應用。

4.3　不同情況下粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統的調整

當粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統作為水泥或混凝土的活性摻合材時,由于水泥總會不斷產生Ca(OH)2,后期能補充Ca(OH)2,可能硫酸鹽的激發更為持久,粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統對粉煤灰活性激發作用又有另一種特征。此時,系統如何具體調整,待進一步研究。

4.4　耐久性

粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統作為摻合料用于水泥和混凝土中,在通常的摻量范圍內耐久性是能滿足要求的,甚至還能有所提高。而粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統直接用于制備粉煤灰建材,如生產砌筑水泥、粉煤灰磚和砌塊,有關這方面的耐久性研究還比較少。

4.5　對外加劑的適應性

無論粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統單獨使用還是作為摻合材使用時,都將涉及外加劑的適應性問題,因為在澆注混凝土和生產建材制品時外加劑的使用已相當普遍。

我們選擇了幾種具有代表性的減水劑和不同電廠的粉煤灰,就粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統對減水劑的適應性進行了初步研究。研究結果表明這一系統單獨使用或作為活性混合材使用時,摻加減水劑后強度有不同程度的降低。而以往其他研究者的試驗結果均表明減水劑有利于強度的提高。值得指出,就我們的研究結果來看,粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統對減水劑的適應性較差,但這不等于這一系統研究和應用的意義降低了。因為這一系統現已自覺和不自覺地被使用了。因此,現在的問題是如果有關這一系統對減水劑適應性較差的現象是普遍存在的話,那么接下來的工作就是如何提高這一系統對減水劑的適應性。

文章來源：粉煤灰-石灰-硫酸鹽系統

作者：錢覺時,肖保懷,袁江,王智