矿渣及脱硫石膏_粉煤灰复合胶凝材料的试验研究_吴敏

７．９８
１０．９６
１２．８４
４０
３∶７
３．０８
８．２８
１１．２０
１０．９４
４∶６
４．４２
８．７４
１４．５０
１３．９６
值 得 注 意 的 是 ： 当 矿 渣 掺 量 达 到 ３０％时 ， ＦＧＤ／ ＦＡ＝４∶６ 的试样 ５６ｄ 强度和 ２８ｄ 强度相比， 有很小程 度的倒缩现象发生， 并在矿渣掺量达到 ４０％时更为明 显 ， ＦＧＤ／ＦＡ＝３∶７ 和 ４∶６ 的 试 样 抗 压 强 度 分 别 发 生 了 ２．３２％和 ３．７２％的倒缩。
DOI:10.13739/j.cnki.cn11-1899/tq.2008.02.003
２００８．Ｎｏ．２
－ １－
矿渣及脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶凝材料的试验研究
吴 敏 １， 施惠生 １，２ （ １．同济大学 环境材料研究所， 上海 ２０００９２； ２．同济大学 先进土木材料教育部重点实验室， 上海 ２０００９２）
矿渣及其掺量对脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶凝材料 抗压强度的影响如表 ２ 所示。可以发现， 随着矿渣掺 量的增大， 体系各龄期的抗压强度也呈现增加的趋 势， 不论是早期强度还是后期强度都有极大程度的提
２００８．Ｎｏ．２
吴 敏， 等： 矿渣及脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶凝材料的试验研究
－ ３－
高。对于不同的 ＦＧＤ／ＦＡ 体系， 基本上是随着 ＦＧＤ／ＦＡ
对于单掺矿渣的脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶凝体 系， 较优的配合比为： 矿渣掺量 ３０％， ＦＧＤ／ＦＡ 为 ３∶７。 ２．４ 矿物外加剂对矿渣－ 脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶凝 材料抗压强度的影响
摘要： 研究了不同的煅烧温度及保温时间对脱硫石膏－ 粉煤灰新型复合胶凝体系抗压强度的影响。在此基础上引入矿 渣， 研究矿渣及其掺量对脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶凝体系的影响， 并通过掺加矿物激发剂和化学激发剂对其改性。对较 优配比的复合胶凝材料进行 ＸＲＤ 与 ＳＥＭ 研究， 分析了其水化产物的成分与形貌。最后， 对复合胶凝材料的基本性能 进行检测。结果显示， 适当的脱硫石膏的煅烧温度与保温时间、适宜掺量的矿渣、矿物激发剂与化学激发剂均能提高复 合胶凝体系的强度； 经改性的复合胶凝材料具有较好的性能。 关键词： 矿渣； 脱硫石膏； 粉煤灰； 激发剂； 水化产物； 改性 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｔ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｇｙｐｓｕｍ － ｆｌｙ ａｓｈ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ， ＧＧＢＦＳ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｔｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅｎ ｂｏｔｈ ｍｉｎｅｒａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｍｅｎｔｉｔｏｕｓ ｓｙｓｔｅｍ． ＸＲＤ ａｎｄ ＳＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｔｅｓ． Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｉｍｅ， ｓｕｉｔａｂｌｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ＧＧＢＦＳ， ｍｉｎｅｒａｌ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ａｌｌ ａｂｌｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ； ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｏｓｓｅｓｓｄ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｔｈｕｓ ｉｔ ｐｒｏｍｉｓｅｄ ａ ｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｓｌａｇ； ＦＧＤ； ｆｌｙ ａｓｈ； ａｃｔｉｖａｔｏｒ； ｈｙｄｒａｔｅ； ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ Ｆｉｒ ｓｔ ａｕｔｈｏｒ ＇ ｓ ａｄｄｒ ｅｓｓ： Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２， Ｃｈｉｎａ
０．４７
脱硫石膏 ４１．８０ ３１．２４ １．８２ ０．３９ ０．２０ ０．６４ ０．０５ ０．１３
粉煤灰
２．２８ ５５．９１ ３２．３３ ３．４８ １．２３
水泥 ２．５３ ６０．１４ ２０．５２ ７．６３ ２．６０ ２．５９ ０．２３ ０．６１ ０．３２
消石灰
９２．３７ １．４９ ０．５１ ０．２３ ０．５０
水 泥 标 准 稠 度 用 水 量 、凝 结 时 间 、安 定 性 检 验 方 法 参 照 ＧＢ／Ｔ１３４６—２００１， 收 缩 试 验 方 法 参 照 ＪＣ／ Ｔ６０３—１９９５。
将所得较优配比的复合胶凝材料试样按标准稠 度用水量加水， 充分拌和均匀后分装在数只塑料袋 中。将塑料袋密封， 在（２０±２）℃的环境下养护到各龄 期， 再用无水乙醇终止水化， 终止水化后的试样用来 进行 ＸＲＤ 与 ＳＥＭ 分析。
中图分类号： ＴＱ１７２．４６２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－ ９８７７（ ２００８） ０２－ ０００１－ ０６
０ 引言
粒化高炉矿渣由于其较高的活性以及对混凝土 耐久性的提高作用， 是目前配制高性能混凝土常用的 掺 合 料［１］。 粉 煤 灰 物 理 特 性 及 化 学 特 性 在 水 泥 与 混 凝 土中的应用研究已比较充分。脱硫石膏（ ＦＧＤ） 主要成 分和天然石膏相同， 都是 ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ， 其 物 理 、化 学 特征和天然石膏有着共同的规律， 所以在水泥工业 中， 脱硫石膏主要用来取代天然石膏作缓凝剂［２～４］。有 研究表明［５～８］， 粉煤灰和脱硫石膏在一定的条件下也可 以复合， 形成具有一定强度的胶凝材料。本文在此基 础上引入矿渣， 主要研究以矿渣、脱硫石膏与粉煤灰 为主的复合胶凝体系， 通过掺加矿物激发剂和化学激 发剂对其改性， 使之形成一种新型的绿色环保复合胶 凝材料。
（ＳＯ４）３·１８Ｈ２Ｏ、ＫＯＨ 及 ＮａＯＨ 为分析纯。原材料的主 要化学成分见表 １。
图 １ 脱硫石膏的 ＸＲＤ 图
表 １ 原材料的化学成分
％
名称 ＳＯ３ ＣａＯ ＳｉＯ２ Ａｌ２Ｏ３ Ｆｅ２Ｏ３ ＭｇＯ Ｎａ２Ｏ Ｋ２Ｏ ＴｉＯ２
矿渣 ０．２３ ４０．７４ ３３．８２ １４．４４ １．４４ ０．３６
脱硫石膏的保温时间对复合胶凝材料抗压强度 的影响如图 ３ 所示。
图 ３ 脱硫石膏保温时间对复合胶凝体系抗压强度的影响
从图 ３ 可以看出， 当脱硫石膏的煅烧温度为 ６００℃时 ， ７ｄ 抗 压 强 度 随 保 温 时 间 由 １ｈ 增 至 ３ｈ 时 ， 逐渐降低； 试件在 １４ｄ、２８ｄ 和 ５６ｄ 抗压强度随脱硫石 膏保温时间由 １ｈ 增至 ２ｈ 时， 有不同程度的增加， 而 在保温时间由 ２ｈ 增至 ３ｈ 时， 抗压强度又有很大程度 的下降。这说明适当延长脱硫石膏保温时间可以提高 复合体系的强度， 但保温时间过长对复合体系强度有 不利的影响。本试验条件下， ６００℃煅烧时， 当脱硫石 膏的保温时间为 ２ｈ 时， 其和粉煤灰复配的体系抗压 强度最好。因此， 本文后续进行的改性试验采用的脱 硫石膏都是在 ６００℃煅烧， 保温 ２ｈ。 ２．３ 矿渣及其掺量对脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶凝材 料抗压强度的影响
１．２ 试验方法 分别对脱硫石膏进行烘干处理及在低温下煅烧
处理： 烘干处理是将原状脱硫石膏在 ４０℃的烘箱内 烘干至恒重； 低温煅烧分别在 ５００℃、６００℃和 ７００℃ 的温度下进行， 煅烧制度为： 升温速率 １０℃／ｍｉｎ， 升至
－ ２－
２００８．Ｎｏ．２
规定的温度后保温一定的时间。将热处理后的脱硫石 膏按不同的配比与粉煤灰复配， 其中水固比为 ０．４０， 试件尺寸为 ２ｃｍ×２ｃｍ×２ｃｍ， 试件脱模后在空气中自 然养护至待测龄期， 参照 ＧＢ／Ｔ１７６７１—１９９９ 进行抗压 强度测试， 选出较优的煅烧温度与保温时间。在此基 础上用引入矿渣， 并用水泥、石灰及化学激发剂对其 改性。
１ 原材料和试验方法
１．１ 原材料 矿渣粉为上海宝田公司生产， 烧失量为 １．７７％，
磨细后比表面积为 ４５０ｍ２／ｋｇ； 脱硫石膏取自杭州半山 电厂的灰白色原状脱硫石膏， 原状脱硫石膏自由水含 量为 １８．５６％， 其 ＸＲＤ 分析见图 １； 粉煤灰为上海宝钢 发电厂排放， 比表面积为 ３８５ｍ２／ｋｇ； 水泥为海豹牌 Ｐ· Ｏ４２．５ 级水泥； 消石灰为市售产品； Ｎａ２ＳＯ４、ＣａＣｌ２、Ａｌ２
的增加， 体系强度也随之增加。
表 ２ 不同矿渣掺量下各体系的抗压强度
ＭＰａ
掺量／％ ＦＧＤ／ＦＡ
７ｄ
１４ｄ
２８ｄ
５６ｄ
２∶８
０．２０
０．７２
１．３６
１．５０
０
３∶７
０．４２
１．２４
２．５８
３．０４
４∶６
０．６０
１．９２
４．４４
５．００
２∶８
１．６０
２．９６
４．７８
５．１２
１０
３∶７
２．０８
４．９２
７．８６
８．０８
４∶６
４．０２
５．０４
８．８４
９．８６
２∶８
１．７２
６．３６
６．８０
７．８２
２０
３∶７
２．２０
５．１２
８．４０
９．３０
４∶６
４．４０
６．５６
９．９４
１０．５８
２∶８
２．２４
７．０２
８．５８
１１．４８
３０
３∶７
２．８６
７．７８
９．８８
１３．２４
４∶６
４．３８
８．０６
１２．８４
ຫໍສະໝຸດ Baidu
１２．７８
２∶８
２．５６
２ 试验结果与讨论
２．１ 煅烧温度对脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶 凝 材 料 抗 压强度的影响 有研究［８， ９］表明， 化工废石膏－ 粉煤灰复合胶凝材
料具有较优异的性能， 可以开发用作为道路建筑材 料， 但这种情况下化工废石膏的活性实际上并没有完 全发挥出来。本文分别将未煅烧的脱硫石膏和 经 ５００℃、６００℃和 ７００℃煅 烧 并 恒 温 ２ｈ 的 脱 硫 石 膏 与粉煤灰分别按 ２∶８、３∶７ 和 ４∶６ 复配， 结果显示， 未经 煅烧的脱硫石膏与粉煤灰复合体系一周内仍未凝结， 而且凝结后强度极低。经煅烧的脱硫石膏与粉煤灰复 合体系的强度结果如图 ２ 所示 （图例中， 第一个数 字 ５、６、７ 代 表 煅 烧 温 度 为 ５００℃、６００℃和 ７００℃， 第 二个数字代表保温时间， 单位为 ｈ， 第三个数字的 １、 ２、３ 分别表示脱硫石膏／粉煤灰 （ＦＧＤ／ＦＡ） 为 ２∶８、３∶７ 和 ４∶６； 下同）。
图 ２ 脱硫石膏煅烧温度对复合胶凝体系抗压强度的影响 试验表明， 高温煅烧后形成的硬石膏比二水石膏
更能激发粉煤灰的活性。从图 ２ 中可以看出： 将不同 温度下煅烧的脱硫石膏和粉煤灰复配， 虽然 ＦＧＤ／ＦＡ
不同， 除 Ａ５２１ 与 Ａ５２３ 在 ７ｄ 时的抗压强度分别略大 于 Ａ６２１ 与 Ａ６２３ 外（可能是因为经 ５００℃煅烧石膏的 活性比较大， 其溶解与水化的速率较快， 所以其 ７ｄ 强 度略大）， 其它任何一个龄期下都是经 ６００℃煅烧的脱 硫石膏与粉煤灰复配的体系抗压强度最大； 经 ５００℃ 煅 烧 的 石 膏 配 成 的 体 系 抗 压 强 度 大 于 ７００℃煅 烧 的 石 膏 配 成 的 体 系 ， ７００℃煅 烧 的 石 膏 配 成 的 体 系 直 到 ５６ｄ 才表现出强度。由此看出， 脱硫石膏经 ７００℃ 煅烧后活性大大降低了， 其强度发展缓慢； 随着 ＦＧＤ／ ＦＡ 的增大， 抗压强度增大。这是因为由于粉煤灰活性 很低， 其中的活性 Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２ 要游离出来需要一定的 时间， 早期强度主要由硬石膏水化成二水石膏形成的 晶体提供， 所以硬石膏的量越多， 其水化形成二水石 膏的量也就越多， 其强度也就越大。 ２．２ 保温时间对脱硫石膏－ 粉煤灰复合胶 凝 材 料 抗 压强度的影响