水玻璃激发粉煤灰、矿粉活性的试验探究

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粉煤灰和矿粉是比较典型的可以被激发剂激发而发生水化、产生强度的胶凝材料。利用粉煤灰、矿粉取代混凝土中的部分水泥和细集料，较好地改善混凝土的某些性能并节约水泥，一直是人们研究、关注的课题，而发挥粉煤灰、矿粉的活性或活性成分，却是充分利用粉煤灰和矿粉作用的关键。目前，国内外关于粉煤灰和矿粉的活性激发方法主要有物理细磨、单掺化学激发剂、加钙处理等。通过大量研究人们发现粉煤灰和矿粉的活性在碱性介质或酸性介质，特别是碱性介质中可以得到激发，同时也找到一些激发粉煤灰和矿粉活性的方法和途径，但存在难以快速、充分和经济地激发其活性的问题，表现在粉煤灰和矿粉成型制品早期强度比较低。因此寻找激发粉煤灰和矿粉活性优化方法，成为现在矿物充分利用的重要课题。

文章在研制出一种矿粉- 粉煤灰水泥基材料的基础上，针对该种水泥基材料，采取对粉煤灰物理细磨和添加水玻璃化学激发剂结合的方法，进一步通过实验研究粉煤灰、矿粉替代水泥胶凝材料制作轻型节

能混凝土砌块时，水玻璃掺量对粉煤灰、矿粉及水泥组成的胶凝体系力学性能的影响和粉煤灰、矿粉活性激发作用机理等问题。

1 原材料及试验方法

1. 1 原材料

水泥: 采用广西柳州鱼峰水泥有限公司生产的P. O42. 5级普通硅酸盐水泥。粉煤灰( Ⅰ) : 柳州电厂II 级粉煤灰，密度为2. 24g /cm3，比表面积423m2 /kg。矿粉: 柳州市鱼峰水泥有限公司生产的磨细矿粉，密度2. 64g /cm3，比表面积462m2 /kg。砂子: 柳江河沙，中砂。激发剂: 水玻璃。减水剂: MN -Ⅱ型高效减水剂，柳州市威安混凝土助剂厂，减水率20%左右。

1. 2 试验方法

试验的主要目的是确定粉煤灰- 矿粉矿物掺合料在完成物理细磨激活后，进一步选择激发剂水玻璃激活，制作轻型混凝土砌块的优化结果，最终找到一条有效激发粉煤灰和矿粉活性的方法。因此按照《普通混凝土配合比设计规程》( JGJ55 - 2011) 并结合矿粉-粉煤灰水泥基材料研究成果，设计胶凝材料450g( 水泥、粉煤灰、矿粉掺量分别占胶凝材料总质量的70%、15%、15%) ，砂子1350g，胶砂比1: 1. 5; 减水剂取胶凝材料总质量的5%，水灰比为0. 4; 水玻

璃用量分别按总胶凝材料质量的3%、4%、5%、6%、7%，配合比设计方案见表2。将粉煤灰、矿粉磨细、筛分，初步激活后与水泥、砂子拌合搅拌，加入减水剂与水的混合溶液及水玻璃与水的混合溶液，按标准《水泥胶砂强度检验方法》( GB /T17671 - 1999) 制作40mm × 40mm ×160mm 试块，并按规定成型、养护，测其7d、28d 抗折、抗压强度。

2 试验结果与分析

2. 1 试验结果

( 1) 水玻璃掺量与砌块抗压强度的关系试验结果显示: 添加水玻璃会增强混凝土砌块的抗压强度，当水玻璃掺量逐步提升分别为胶凝材料质量的3%、4%、5%、6%、7% 时，对比空白样混凝土砌块7d 抗压强度分别提高8. 61%、19. 14%、35. 25%、33. 47%、34. 21%; 28d 抗压强度分别提高2. 09%、13. 70%、%、5. 67%、4. 13%。显然水玻璃对砌块抗压强度增强效果前期较后期好; 掺量由少到多，砌块抗压强度基本趋势逐步提升然后逐步回落，但掺量达到5% 时7d 抗压强度达到峰值，然后趋于稳定。28d 的抗压强度是在水玻璃掺量为4%和5% 时达到峰值，掺量为6%以后强度逐步回落。

( 2) 水玻璃掺量与砌块抗折强度的关系试验结

果也显示: 掺加水玻璃对砌体的抗折强度影响不大，掺量为3%时，对比空白样砌块7d、28d 抗折强度分别降低了5. 73%、提高了7. 93%，即7d 的抗折强度不增反而下降，但随时间延长后期28d 的抗折强度却回升了;当水玻璃掺量为4%时，对比空白样砌块7d 抗折强度提高了9. 16%、28d 抗折强度几乎不变; 当水玻璃掺量为5%、6%、7%时，对比空白样砌块7d 抗折强度分别提高了9. 52%、6. 53%、3. 67%，28d 抗折强度分别提高了4. 89%、8. 90%、4. 51%。掺量为5% 时，水玻璃对7d 抗折强度增强作用略微好些，而28d 的抗折强度则在掺量为6%时效果相对较好。

2. 2 现象分析

( 1 ) 粉煤灰的主要成分中含有大量的SiO2和Al2O3，水化可产生具有胶凝性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙，但粉煤灰不具备自身水化硬化特性。其活性来源于煤粉在高温燃烧后收缩成球状液珠后迅速冷却而形成的玻璃体，这种玻璃体常温常压下具有较高的化学稳定性和较低的活性。对粉煤灰进行物理细磨处理后，粉煤灰表层玻璃体结构遭到破坏，其粒度分布得到改变，内部活性SiO2、Al2O3溶出，聚合度降低，早期和后期反应能力提高，为后期在活性激发剂作用下产生强度奠定基础。

( 2) 粒化高炉矿渣是一种具有潜在水硬性的亚稳态的玻璃态物质，其主要成分除SiO2和Al2O3外还有CaO，因此它的活性成分多于粉煤灰，活性略高于粉煤灰。矿渣有水硬活性，用纯水与磨细的矿渣拌合，水化非常慢，强度也很低，没有实际意义的水硬性，如果提高拌合介质的PH、增加OH - 离子，则矿渣的水硬性会增大。

( 3) 水玻璃是一种碱性激发剂，粉煤灰、矿粉水泥基材料添加水玻璃后可有效地激发他们的活性。当水玻璃用量较少( 掺量为小于5%) 时，其水解生成的硅酸胶体有限，OH - 离子的量不多，虽然部分OH - 离子能进入浆体内部但扩散到矿物掺合料表面的会很少。OH - 离子的浓度不大，不能使矿物掺合料玻璃体中的Si - O、Al - O 键断裂，既而玻璃体也不会充分解体，那么就不会有充分的Ca2 +、Mg2 + 和硅氧阴离子团溶出，生成网络状的凝胶体。因此，分散的矿物掺合料颗粒不能被有效地连接起来，浆体的力学性能得不到有效地改善，砌块的抗压强度提高程度也不会明显。上述水玻璃掺量为3% 和4% 的试验显示: 砌块的7d 抗压强度仅有8. 61%、19. 14% 的提高，没有达到预期的效果。当水玻璃掺量较大( 5% 以上) 时，水玻璃水解生成了大量的Si( OH)4硅酸胶体，并