粉煤灰混凝土中粉煤灰的火山灰效应综述_董文辰

粉煤灰混凝土中粉煤灰的火山灰效应综述

董文辰1

　康德君

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　王立久

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(1.大连理工大学;2.大连市甘区建筑工程质量监督站)

摘　要:　介绍了应用活性矿物掺料拌制混凝土的优势,着重介绍了活性矿物材料粉煤灰的性质,并对其在粉煤灰混凝土中的火山灰效应进行分析。

关键词:　活性矿物掺料;　粉煤灰;　混凝土强度;　比强度

在现代水泥与混凝土中,掺入活性矿物掺料(粉煤灰、硅灰、矿渣、天然火山灰等)是一项具有重要科学意义的措施,科技界对活性矿物掺料在水泥与混凝土中所起重要作用的高度重视。归纳起来,活性矿物掺料在水泥和混凝土中有下列4个方面的作用:¹提高水泥的标号或混凝土的强度。º改善混凝上的耐久性。»促进环境保护。¼降低成本,节约能源。

由于掺入活性矿物掺料可以带来上述技术、经济、环境、社会等诸多方面的重要效益,因此对活性矿物掺料的研究已成为水泥与混凝土科学中的重要研究领域。

1　活性矿物掺料的反应机理

众所周知,约占水泥重量75%的硅酸盐熟料矿物C3S和C2S在水化后主要形成钙硅比为1.6～1. 9的高碱性水化硅酸钙(C/S>1.5)和大量游离石灰。相对于低碱性水化硅酸钙(C/S< 1.5),其强度要低得多,特别是游离石灰的强度极低,稳定性很差,这样就导致水泥石和混凝土的强度不高,耐久性降低。掺入足够数量的活性矿物掺料以后,掺料中的活性SiO2能逐步地与水泥石中的Ca(OH)2和高碱性水化硅酸钙产生二次反应,即所谓的火山灰反应,生成低碱性水化硅酸钙,其反应式为

(0.8～1.5)Ca(OH)2+SiO2+ûn-(0.8～1.5)ûH2O(0.8～1.5)CaO・SiO2・n H2O

x(1.5～2.0)CaO・SiO2・n H2O+y SiO2z(0.8～1.5)CaO・SiO2・n H2O

此外,游离石灰也能与掺料中的活性Al2O3反应,生成水化铝酸钙。或与SiO2及Al2O3生成水化铝硅酸钙。这样,不但水化物的质量提高,而且数量增多,使得水泥石的强度及其他性能指标得以大幅度提高。

2　活性矿物掺料—粉煤灰的效应分析

粉煤灰的颗粒构成以微细玻璃质球体为主,主要化学成分为SiO2、Al2O3。粉煤灰在混凝土中的有益效应包括形态效应、火山灰效应(即活性效应)和微集料效应3种。

(1)形态效应　形态效应泛指各种应用于混凝土和砂浆中的矿物质粉料,由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。粉煤灰中含有大量的玻璃微珠,粒形完整,表面光滑。即使粉煤灰等量取代水泥(通常是超量),粉煤灰玻璃微珠除极少量的富铁微珠外,密度均小于水泥颗粒,能使砂浆中浆体的体积增加,因此可以明显地改善砂浆的和易性。

(2)火山灰效应　粉煤灰中的SiO2、A l2O3等硅酸盐玻璃体,与水泥、石灰拌水后产生碱性激发剂

Ca(OH)2发生化学反应,生成水化硅酸钙等凝胶,对砂浆起到增强作用。粉煤灰的活性效应就是指粉煤灰活性成分所产生的这种化学效应。如将粉煤灰用作胶凝组分,则这种效应自然就是最重要的基本效应。粉煤灰水化反应的产物在粉煤灰玻璃微珠表层交叉连接,对促进砂浆或混凝土强度增长(尤其是抗拉强度的增长)起了重要的作用。

(3)微集料效应　粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相之中,就象微细的集料一样,这样的硬化浆体,也可以看作“微混凝土”。砂浆或混凝土的硬化过程及其结构和性质的形成,不仅取决于水泥,而且还取决于微集料。

其中粉煤灰的形态效应和微集料效应主要和混凝土的工作性和耐久性相关,而和混凝土强度最相关的火山灰效应是指粉煤灰中玻璃质的SiO2、Al2O3能和水泥水化产生的高碱型水化硅酸钙凝胶及Ca(OH)2晶体发生反应(即“火山灰反应”),生成低碱型的水化硅酸钙凝胶,有利于混凝土中凝胶数量的增多和结构的增密。综合来看,可认为粉煤灰效应对混凝土强度的影响过程是随龄期的增长从负效

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应逐渐向正效应转变的过程。

3　粉煤灰活化方法

要充分利用粉煤灰以便减少污染和充分利用资源,必须提高粉煤灰的活性,使其能够满足不同得需要,特别是用作混合材使用方面。通过对粉煤灰中火山灰作用的试验研究表明,粉煤灰硅酸盐制品6个月后,大于7L m的颗粒未受石灰的侵蚀。这说明大于7L m的颗粒大多是起填料作用,而小于该粒径的颗粒主要起火山灰作用。须知,粉煤灰的颗粒组成一般都在5～200L m之间,而50%以上的颗粒粒径是50～100L m,因此至少有50%以上的粉煤灰在早期没有参与火山灰反应。从这个角度看,提高粉煤灰的火山灰效应的潜在能力是很大的。王爱勤的研究表明,通过机械活化作用,可有效提高粉煤灰的水化能力,但其早期强度不如后期强度提高得多;钱觉时等的研究结果表明,采用化学外加剂激发粉煤灰活性,可以明显提高粉煤灰混凝土的强度;孟志良等的研究显示,采用复合活化(机械活化加化学外加剂)方法对粉煤灰活性的增强效果更加明显。提高粉煤灰活性的方法主要有以下4种:

3.1　磨细粉煤灰

众所周知,粉煤灰中的玻璃质颗粒是其火山灰活性的主要来源。在这种玻璃质颗粒外层均由一层坚硬玻璃质外壳所包裹,细度不同,这层硬质玻璃体也不同,从而阻碍了粉煤灰火山灰活性的产生。破坏这层硬质玻璃体,粉煤灰活性将会大大提高。

根据H tting等人提出的固体颗粒粉磨破碎的3种破坏模型,粉煤灰颗粒的破碎应是[A]、[B]2种模型的叠加,[B]模型构成稳定成分,[A]模型构成过渡成分。依作用机理,粉磨能破坏阻碍粉煤灰火山灰效应的颗粒外层坚硬的玻璃质外壳,增加参与火山灰效应的表面,有利于Ca2+渗透和玻璃体中硅、铝的溶解。从微观角度讲,粉磨能促进粉煤灰颗粒原生晶格的破坏,切断网络中Si-O键和Al-O键,生成基(原子团)和带电荷的破断面,提高结构不规则和缺陷程度,反应活性增大。

无疑,磨细可提高粉煤灰的活性.但它不能从根本上改变粉煤灰的结构特性。因此,单用磨细法提高粉煤灰活性是有限的。试验证明,粉煤灰的磨细时间与其比重、容重、比表面积、标准稠度需水量等物理特性参数有很大关系。各种粉煤灰在一个最佳的粉磨时间。

3.2　化学物质活化

利用化学物质活化粉煤灰,可采用:¹碱性物质:NaOH、Ca(OH)2、水泥熟料等;º碱金属盐: Na2CO3、Na2O・n SiO2等;»硫酸盐:Na2SO4、Ca-SO4等。

扫描电镜研究表明,未经化学活化的粉煤灰玻璃体表面光滑致密,经过化学激发剂活化后的粉煤灰玻璃体表面粗糙,受到严重侵蚀,其可能的活化机理为:

第一,在碱性介质中,OH-使粉煤灰中玻璃体表面层的[SiO4]4-和[AlO4]4-四面体网络破坏,聚合度降低,表面活性中心增加,水化反应加快。玻璃体表面的硬质外壳通过机械粉磨被破坏,表面活性中心数目增加,活性进一步提高

第二,Ca(OH)2与活性SiO2和活性Al2O3发生反应生成具有胶凝性的水化产物:水化硅酸钙和水化铝酸钙。

第三,在石膏存在下,水化产物转化成更稳定的具有高强度的水化产物:三硫型水化硫铝酸钙(3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O)。

介绍几种用碱性激发剂激发粉煤灰火山灰活性的方法有:

(1)以石灰和石膏为激发剂在蒸养条件下激发粉煤灰活性;(2)以石灰或水泥为激发剂在高温高压养护下激发粉煤灰活性;(3)以水泥熟料和石膏为激发剂在常温养护下激发粉煤灰活性;(4)以食盐氯化钙等作早强剂间接激发粉煤灰活性。

3.3　改变粉煤灰组成和物相结构

目前已有此方面的研究成果。改变粉煤灰组成和物相结构的主要影响因素为石灰石的加入量、矿化剂的加入量、煅烧温度及煅烧时间。研究中将粉煤灰、石灰石、矿化剂按一定量比例配合,在适当温度下煅烧一定的时间,然后对煅烧样品做X射线衍射分析及密度、fCaO、安定性、凝结时间、抗压强度、抗折强度等性能测定。研究结果表明:X射线分析表明燃烧试样的主要矿物为B-C2S等;采用煅烧法改变粉煤灰组成和物相结构得到的粉煤灰期活性很高,掺量较高时能得到高标号的水泥产品。

3.4　热力活化法

采用热力活化法激活粉煤灰,其主要影响因素为石灰石的加入量、压蒸温度、压蒸制度、脱水温度与脱水时间等。研究中将粉煤灰、石灰石按拟定的比例配合,搅拌均匀,成型放入放入高压釜内,按拟定的压蒸温度、压蒸时间进行热力活化后,从蒸压釜中取出放入箱式电炉中按拟定的脱水时间和脱水温度脱水,取出冷却,作强度测试。找出最佳条件活化粉煤灰,作相应的性能测试。结果表明,采用热力活化法,可得到活性很高的活化粉煤灰,得到高掺量高标号的水泥产品。

由于各地电厂粉煤灰品质不尽相同,在采用粉煤灰活化方法时,应对粉煤灰的化学组成、矿物组成、碱度和颗粒级配等做必要分析,以确定最佳活化方案。

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