粉煤灰助磨激發材料的應用研究

杭美艷,蘇 京,張 平,王樹奇

(1.內蒙古科技大學,包頭 014010;2.包頭市鋼鹿建筑材料有限責任公司,包頭 014010)

粉煤灰助磨激發材料的應用研究

杭美艷1,蘇 京1,張 平2,王樹奇2

(1.內蒙古科技大學,包頭 014010;2.包頭市鋼鹿建筑材料有限責任公司,包頭 014010)

非等級低活性粉煤灰不能直接應用于水泥混凝土中,該文通過大量試驗研究,將幾種粉煤灰復合助磨激發材料與非等級低活性粉煤灰共同粉磨。研究表明:A、B、C三種粉煤灰助磨激發材料均能使粉煤灰需水量比減小,活性指數提高,其他指標均符合Ⅰ級粉煤灰技術規范標準要求。考慮粉煤灰活性激發效果與經濟效益等因素,選用B型粉煤灰助磨激發材料作為該電廠久置粉煤灰的激發材料,用該材料磨制的粉煤灰需水量比小,活性指數較高,可以大量應用于水泥混凝中,該項研究成果解決久置粉煤灰的應用問題。

粉煤灰; 需水量比; 活性指數; 適應性

呼和浩特恒泰發電廠年產粉煤灰近60萬t,堆積久置多年,目前該廠粉煤灰儲藏深度為9～12 m,儲量己達500萬t以上,占地600多畝。由于該廠粉煤灰氧化鈣含量較低,需水量比高,28 d活性指數較小,不能直接應用于水泥混凝土中,利用率低。發電廠排出的粉煤灰得不到有效利用,不僅浪費資源,而且造成侵占耕地等不良影響。

該課題運用機械粉磨和化學激發的方式將粉煤灰進行粉磨,通過添加幾種復合粉煤灰助磨激發材料來提高粉磨效果,提高久置粉煤灰的活性指數,即將細度大、需水量比大的久置非等級低活性粉煤灰研制成各項指標均符合技術規范要求的一級磨細粉煤灰,且磨細粉煤灰與萘系減水劑的適應性良好。該項目研究成果提高了久置粉煤灰的使用價值,同時解決環境污染等技術問題。

1 試驗材料

水泥:冀東P·O42.5普通硅酸鹽水泥,標準稠度用水量26.7%,28 d抗壓強度為53.4 MPa,其余各項指標均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求。

原狀粉煤灰:恒泰發電廠排放久置非等級原狀粉煤灰,細度56%(45μm篩余量),需水量比122%,化學成分見表1。

表1 原狀粉煤灰化學成分 w/%

砂:檢驗粉煤灰需水量比及活性指數試驗采用砂為標準砂,符合《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)規定;檢驗粉煤灰與萘系減水劑的適應性試驗采用砂為普通河砂,過2.36 mm標準篩,細度模數為2.42,含泥量為3%。

助磨激發材料A、B、C三種(由激發,助磨組分等組成)。

萘系減水劑:包頭市鋼鹿建筑材料有限責任公司生產,性能指標均符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)。

水:普通自來水,符合《混凝土用水標準》(JGJ 63—2006)。

2 試驗方法

2.1 助磨試驗

該試驗采用粉體助磨激發材料,摻量為0.6%。根據球磨機粉磨效果選取A、B、C三種復合助磨激發材料,將其分別摻入粉煤灰中,用標準試驗小磨?500 mm×500 mm進行粉磨試驗。在粉磨過程中嚴格控制粉磨時間(30 min),通過檢測細度、比表面積確定助磨激發材料的助磨效果。

2.2 需水量比及活性指數試驗

粉煤灰需水量比為試驗膠砂(J1-2、A-2、B-2、C-2)用水量與基準膠砂(J-2)用水量(225 g)的比值,試驗膠砂用水量為試驗膠砂流動度達到基準膠砂流動度±5 mm范圍內時的用水量。該試驗參照《高強高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736—2002)進行。粉煤灰的活性指數為測得相應齡期(28 d)試驗膠砂和基準膠砂抗壓強度的比值。

2.3 磨細粉煤灰與萘系減水劑適應性試驗

參照《高強高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736—2002)及《混凝土外加劑應用技術規范》(GB 50119—2013),在相同的水膠比、膠砂比條件下,摻入一定量的外加劑,測定砂漿初始流動度及10 min后流動度,分析其適應性。

3 試驗結果及分析

3.1 粉煤灰助磨試驗研究

粉煤灰助磨試驗是將粉煤灰進行磨細加工,以降低粉煤灰的細度,增大比表面積,強化粉煤灰火山灰效應,提高粉煤灰的水化程度。該試驗數據見表2和圖1。

表2 粉煤灰助磨激發材料的助磨效果

從細度與比表面積試驗來看,摻入助磨激發材料A、B、C后粉煤灰細度降低,比表面積提高,這說明激發材料A、B、C均起到了一定的助磨效果,以激發材料B的45μm篩余量降低幅度最大。

粉煤灰通過球磨機的粉磨破壞使粉煤灰中玻璃體分散成單個微珠,改善表面特征和顆粒的級配分布。摻入助磨激發材料A、B、C后對粉煤灰玻璃體結構的破壞力加強,這是由于助磨材料的吸附作用,使粉煤灰的表面自由能下降,導致顆粒整體強度下降,最終提高粉磨效率。經助磨材料作用的磨細粉煤灰顆粒分布更加均勻,粗大玻璃體被打碎后的粉體與細小密實的玻璃體均勻相間分布[1],故使磨細粉煤灰的比表面積增大,細度降低,成型的粉煤灰結構更加密實。

3.2 磨細粉煤灰需水量比及活性指數試驗研究

激發粉煤灰活性對粉煤灰使用價值有重要意義,粉煤灰活性激發方法主要分為化學激發、物理激發、熱力激發、電極化方法激發、復合激發等。本課題運用機械粉磨和化學激發將粉煤灰進行粉磨,通過添加幾種復合粉煤灰助磨激發材料用來提高粉磨效果,對粉煤灰進行活性激發。磨細粉煤灰需水量比及活性指數試驗見表3。

從表3中看出,未摻入助磨激發材料的粉煤灰需水量比為105%,在摻入助磨激發材料后,需水量比降為95%以下,符合Ⅰ級粉煤灰需水量比技術要求。摻入助磨激發材料,進行機械粉磨,目的是改變其表面結構、顆粒組成,粉煤灰顆粒表面被激發材料有效地包裹,使顆粒之間的表面能和表面張力降低,減少粉煤灰的團聚,球形顆粒增多,發揮“滾珠”作用,體系的流動性增加,和易性改善,從而降低需水量比[1,2]。

表3 磨細粉煤灰的活性指數

從表3和圖2看出,未摻入助磨激發材料(J1-2)的粉煤灰,3 d、28 d抗折抗壓強度與純水泥(J-2)相比下降明顯。摻入助磨激發材料的粉煤灰(A-2、B-2、C-2)與未摻加助磨激發材料相比,3 d抗折強度相近,抗壓強度提高1.7 MPa以上;28 d抗折強度略有提高,抗壓強度提高2.8 MPa以上。

粉煤灰活性激發最終都是使粉煤灰中活性SiO2、Al2O3與Ca(OH)發生二次水化反應后能生成水化硅酸鈣(CS-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)。該試驗在加入助磨激發材料后對粉煤灰進行活性激發,對體系進行“補鈣”,提高體系的CaO/SiO2比,破壞粉煤灰致密的玻璃質層,使內部可溶性的SiO2、Al2O3釋放出來,促進二次水化反應,生成更多水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣,這些水化產物成為強度的主要來源,使粉煤灰3 d、28 d活性指數得到提升[3-5]。

3.3 磨細粉煤灰與萘系減水劑適應性研究

粉煤灰主要用于水泥混凝土的生產,特別適合配制泵送混凝土、大體積混凝土、高強高性能混凝土等,而其中必會摻加各種外加劑(如萘系減水劑、聚羧酸減水劑、引氣劑等),故需要研究粉磨后的粉煤灰與減水劑的適應性。該試驗以萘系減水劑為例,磨細粉煤灰與萘系減水劑的適應性試驗數據見表4。

從表4可看出,在水膠比、膠砂比相同的情況下,摻入助磨激發材料A、B、C粉磨之后的粉煤灰與純水泥相比初始流動度較小,但比未摻入粉煤灰助磨激發材料的初始流動度大。這主要是由于,經助磨激發材料粉磨之后的粉煤灰,團聚現象減少,球形顆粒增多,滾珠作用和微細集料效應明顯,體系流動性增加,和易性改善,試驗表現為流動度增大,流動度經時損失量減小,與萘系減水材料的適應性好,研制的磨細粉煤灰可應用于水泥混凝土中大量取代水泥。

由表4還可看出,摻入助磨激發材料的粉煤灰與不摻加助磨激發材料相比3 d抗壓強度提高2 MPa以上,28 d抗壓強度提高4 MPa以上,活性指數達到91%以上,其原因是助磨激發材料與粉煤灰共同粉磨后,破壞粉煤灰致密保護層,二次水化反應更加充分,使水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等增加強度的水化產物增多,再加上粉煤灰顆粒的粒徑比水泥顆粒小,可以更好的分布填充于水泥顆粒的間隙,改善砂漿孔隙結構,提高密實性,從而提高抗壓強度。

表4 磨細粉煤灰與萘系減水劑的適應性

4 結 論

a.該文研究的粉煤灰激發材料A、B、C均能夠很好的激發粉煤灰活性,降低粉煤灰的細度,增大比表面積,降低需水量比,提高粉煤灰的活性指數。

b.摻入A、B、C的磨細粉煤灰砂漿流動度比不摻入助磨激發材料的粉煤灰砂漿流動度大,10 min損失量較小,與萘系減水劑適應性更好。

c.A、B、C三種助磨激發材料均能夠很好的起到助磨與激發的效果,但考慮粉煤灰活性激發效果與經濟性因素,最終選取助磨激發材料B應用到該廠粉煤灰中,經粉磨后,使粉煤灰的需水量比降到95%,達到了Ⅰ級粉煤灰要求,提高久置粉煤灰的使用價值,解決環境污染問題。

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Research of Fly Ash Grinding Exciting Materials

HANG Mei-yan1,SU Jing1,ZHANG Ping2,WANG Shu-qi2
(1.Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;
2.Baotou Steel Deer Building Materials Company,Baotou 014010,China)

Non-low grade activity fly ash can not be directly used in the cement concrete.A lot of tests in which we ground together several fly ash composite grinding material and the high level of activity of fly ash are researched in this paper.The studies have shown that A,B,C three kinds of fly ash grinding exciting materials can not only decrease the ratio of water demand but also increase the activity index of the polished ash.And other indicators are in the line with fly technical standards requirements gradeⅠ.Considering the factors of active excitation effect and economic benefits of fly ash,we choose B-inspired material grinding fly ash as the main active material to make ash in the power plant.It has great benefits,high activity index,it can be widely used in cement and concrete,and solves the applicable matters of long-time saved ash.

fly ash; water demand ratio; grinding excitation; adaptability

2014-07-08.

內蒙古自然基金(2013 MS0731).

杭美艷(1964-),教授級高級工程師.E-mail:hangmeiyan64@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.003