新型粉煤灰水泥早強性能影響研究

王子航

（安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232000）

隨著我國煤炭能源的需求增大，煤炭開采深度也隨之增加。然而在煤炭開采過程中，巷道圍巖巖體強度弱，煤體易遭到破壞，致使瓦斯涌出，引發各種瓦斯事故，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡，所以，瓦斯災害的治理非常重要。在煤層開采過程中，通常采用瓦斯抽放和煤層注水的方法來降低空氣中瓦斯濃度，預防災害發生。采用密封效果好的封孔材料和封孔工藝則是瓦斯抽放的重要環節，其效果決定了瓦斯的抽放效率，且封孔材料對于瓦斯抽放時鉆孔的圍巖有一定的加固作用。但是，隨著國家對于封孔材料性能標準的提高，高性能封孔材料的成本問題、耐久性問題、環保問題等都有待解決。

在水泥基材料中摻加一定量的粉煤灰等工業副產品有助于降低封孔成本，提高材料的綜合性能。粉煤灰是電力工業等工業大量排放的副產品之一，通過其活性組分與Ca（OH）2發生火山灰反應，從而加強水泥綜合性能。改善粉煤灰水泥早期性能的方法可分為兩類，一類是用機械方法將粉煤灰磨細提高其表面能，另一類是采用加入一些堿或含堿的鹽類化學激發劑的方法，促進其化學反應。而氮化鋰，則是一種具有超強堿性的無機金屬氮化合物，且易制備。本文采用氮化鋰作為新型無機早強劑，將氮化鋰固體研磨為粉末狀，通過探討不同摻量氮化鋰對粉煤灰水泥封孔材料的抗壓強度性能的影響，進而確定氮化鋰的最佳摻量。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

P·O32.5普通硅酸鹽水泥，八公山水泥廠生產；早強劑：氮化鋰，上海先芯新材料科技有限公司生產；Ⅰ級粉煤灰（FA），鄭州眾恒凈化生產。

1.2 實驗方法

抗壓強度測試，依據國家規范標準，利用CSSYAW3000型伺服壓力試驗機進行抗壓強度測試。TG分析，采用TGA/SDTA851e型同步熱分析儀，在氮氣保護環境下對干燥粉末狀試樣加熱并進行TG分析。DSC分析，試驗采用島津DSC-60 PLUS 230V儀器對試樣進行DSC檢測分析，檢測主要反應產物氮化鋰晶體的含量變化。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度分析

以空白水泥作為基礎組R0, 另外分別向另外三組空白水泥中加入水泥質量的1%、2%、3%的新型無機早強劑氮化鋰，作為實驗組R1～R3，在常壓條件下進行養護，分別測試1d齡期、3d齡期、7d齡期和28d齡期時的抗壓強度，通過對比分析不同實驗組別間的抗壓強度，以評價氮化鋰對于水泥基封孔材料的早強效果影響規律。抗壓強度測試結果如圖1、圖2所示。

圖1 實驗組和基礎組抗壓強度增量的比較

圖2 抗壓強度折線圖

早強劑加量為0%時即R0組對應的數值為水泥的抗壓強度。圖1和圖2表明：不同摻量氮化鋰的加入均可以提高粉煤灰水泥各個齡期的抗壓強度性能。氮化鋰在摻量低于2%時，粉煤灰水泥的各齡期抗壓強度均隨著氮化鋰摻量提高而呈上漲趨勢；氮化鋰摻量為3%時，粉煤灰水泥的7d的抗壓強度隨著早強劑摻量增加反而呈降低趨勢。由結果可知，取氮化鋰摻量2%作為本實驗研究的最優摻量。

2.2 機理分析（TG-DSC分析）

圖3給出了粉煤灰水泥水化反應1d后，基礎組與實驗組TG圖和DSC圖分析結果。

從圖3中可以看出，基礎組和實驗組的熱重曲線類似，有3個明顯的熱失重過程。在82℃開始第一個分解過程，水泥試樣中游離態的水開始脫離；在405℃～460℃時，Ca（OH）2開始分解；第三個分解過程在650℃～720℃，主要發生的反應則是水化硅酸鈣以及碳酸鈣等的分解。在第二個熱失重過程中，實驗組和基礎組的質損分別是1.1628和0.803，對應的Ca（OH）2損耗量則是4.78和3.30，這說明氮化鋰的加入極大程度上促進了反應的進行，從而增加水泥的抗壓強度。

圖3 基礎組和實驗組1dTG和DSC曲線

3 結論

（1）摻入適量的氮化鋰可以不同程度地提高粉煤灰水泥早期、中期和后期的抗壓強度，隨著氮化鋰摻量增加，水泥抗壓強度先增加后下降。綜合考慮氮化鋰的最優摻量為2%。摻量為2%時，其1d、3d、7d、28d的抗壓強度分別為7.60MPa、17.84MPa、26.48MPa和44.90MPa，分別比基礎組強度提高了28.20%、21.30%、22.50%和16.80%。該類早強劑在封孔材料中具有一定的應用前景。

（2）摻入氮化鋰，水泥基的反應物不發生變化，但加速了水泥基的水化反應速率，顆粒狀氮化鋰填補了粉煤灰水泥的孔隙，使水泥的內部結構更密實，增大了和粉煤灰水泥的接觸面積，從而激發粉煤灰水泥的火山灰活性，加速水泥熟料的水化。