磨細粉煤灰在水泥漿體中的活性分析

李 博 王大廣 白新理

(華北水利水電大學土木與交通學院,河南 鄭州 450045)

0 引言

粉煤灰是煤炭燃燒后，隨煙氣從鍋爐尾部排出經收塵設備收集的固體顆粒，是我國主要工業固體廢棄物之一[1]。作為一種火山灰質的礦物摻合料，吸附效果作為其主要的物理性能，另與水泥水化產物反應生成水硬性化合物的化學性能。通過研磨或者分級提高粉煤灰的細度可以加速粘合劑的水化并且提高水泥膠砂或者混凝土的力學性能[2-4]，也促進了粉煤灰的利用效率，提升經濟效益[5,6]，從而制備高性能水泥、減輕環境壓力。由于粉煤灰原灰在摻入水泥混凝土后，對其部分性能有較為顯著的影響，為了更好的激發粉煤灰的活性，使粉煤灰得到更加合理的應用，出現了將粉煤灰粉磨后用于水泥混凝土工藝。近年來國內外眾多學者針對磨細粉煤灰進行了研究。Deschner Florian, Kumar Sanjay等[7-10]研究表明,通過研磨或分級提高粉煤灰的細度可以加速黏合劑的水化,提高水泥膠砂及混凝土的抗壓強度。邱軍付，葉強等[11,12]研究結果表明:水泥膠砂強度隨著磨細粉煤灰摻量的增加先增大后減小。Shaikh[13]研究表明當超細粉煤灰摻量為8%時，各齡期混凝土均表現出較高的強度。

以上研究表明磨細粉煤灰對混凝土的強度有較大的影響，而粉煤灰經過機械粉磨后其活性也發生了改變。為了分析粉磨對粉煤灰活性的影響，本試驗使用實驗室球磨機分別粉磨1 h，2 h制得磨細粉煤灰，分析其比表面積、粒度和顆粒形貌的變化，并使用磨細粉煤灰制備水泥漿體進行力學性能測試，運用鹽酸選擇性溶解法計算粉煤灰的反應程度，使用X射線衍射物相分析法對水化體系進行分析，進而分析其活性。

1 試驗

1.1 試驗原材料

試驗使用的水泥為新鄉同力建材有限公司生產的型號為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為電廠原灰。水泥的基本性質如表1所示。

表1 水泥的基本性質

1.2 磨細粉煤灰的制備和性能表征

磨細粉煤灰是使用試驗室型號為SM500型球磨機分別粉磨1 h，2 h制得，分別標記為Ⅰ，Ⅱ，對兩種粉磨時間得到的磨細粉煤灰和粉煤灰原灰分別進行比表面積測試、掃描電鏡觀察和激光粒度分析，并計算其平均粒徑，分析粒度分布和形貌變化，結果如圖1，圖2和表2所示。

由圖1和表2的結果可以看出，粉煤灰原灰的粒徑主要集中分布在0 μm～100 μm之間，而經過粉磨之后，其粒徑明顯有變小的趨勢。通過比較不同粉磨時間粉煤灰粒徑分布曲線，隨著粉磨時間的延長曲線峰值在逐漸向左偏移，表明粉煤灰的粒徑隨著粉磨時間的增加而減小。根據比表面積和平均粒徑測試的結果可知，粉煤灰的比表面積隨著粉磨時間的增加而增大且粒徑越小，粉煤灰的比表面積越大。而粉煤灰的平均粒徑在最初粉磨1 h減小的程度較大，之后隨著粉磨時間的增加粒徑的變化并不明顯。

表2 不同粉磨時間下粉煤灰比表面積和平均粒徑

圖2所示的結果表明，未經粉磨的粉煤灰的顆粒形狀以光滑的球形顆粒為主，經過機械粉磨后大部分球形顆粒被破壞。比較不同粉磨時間的磨細粉煤灰可知隨著粉磨時間的延長粉煤灰球形顆粒球形顆粒破壞程度增大，其中粉磨2 h的粉煤灰中出現了較多帶棱角狀的顆粒體。

1.3 試驗配合比

分別使用不同粉磨時間的粉煤灰和粉煤灰原灰，水膠比為0.5，粉煤灰摻量為30%，制備規格為40 mm×40 mm×40 mm的摻粉煤灰的水泥凈漿試塊，并制備相同規格的純水泥凈漿試塊作為參照，配比如表3所示，將制備好的試塊放入水泥恒溫恒濕養護箱(養護箱的溫度為20 ℃±0.5 ℃，相對濕度95%)中分別養護7 d,14 d,28 d，測試其抗壓強度，進行鹽酸選擇性溶解測試不溶渣含量進而計算粉煤灰反應程度，并對齡期為7 d,28 d齡期的凈漿試塊進行XRD分析觀察其水化產物。

表3 粉煤灰水泥凈漿試塊配合比

2 試驗結果分析

2.1 抗壓強度分析

由圖3的結果可知，當粉煤灰替代部分水泥后，在摻量不變的情況下，摻粉煤灰的水泥漿體試塊的抗壓強度有所下降，在7 d齡期時摻入原灰的粉煤灰水泥凈漿試塊的抗壓強度僅為純水泥的66.7%，表明：在早期粉煤灰的水化反應較慢，導致粉煤灰水泥凈漿試塊早期強度較低。通過對比粉磨前后的粉煤灰水泥凈漿試塊抗壓強度，摻粉煤灰原灰的水泥凈漿試塊的抗壓強度最小，經過粉磨后的粉煤灰水泥凈漿試塊的抗壓強度均大于原灰。通過對比摻入不同粉磨時間的粉煤灰水泥凈漿試塊的抗壓強度可知，在各齡期摻入粉磨2 h粉煤灰的凈漿試塊的抗壓強度均大于1 h的磨細粉煤灰。表明：隨著粉磨時間的增加粉煤灰的顆粒破壞程度增大，更容易激發其火山灰活性，在水泥漿體中的活性增強提高其抗壓強度。

2.2 粉煤灰反應程度分析

根據粉煤灰不溶于鹽酸而水泥和其水化產物可溶液鹽酸的特性可知，將粉煤灰水泥漿體進行鹽酸選擇性溶解后不溶渣主要為未參加反應的粉煤灰。對齡期為7 d,14 d,28 d的粉煤灰水泥漿體用無水乙醇終止水化后進行鹽酸選擇性溶解測試其不溶渣含量，進而計算粉煤灰的反應程度。

由圖4結果可知，在粉煤灰的摻量相同時，粉煤灰在水泥漿體中的反應程度隨著齡期的增加而增加，其中未經粉磨的粉煤灰的反應程度最低，在齡期為7 d時僅為14%左右，在28 d齡期時其在水泥漿體中的反應程度仍然低于30%。通過對比粉磨前后的粉煤灰在養護齡期為28 d時的反應程度，粉磨時間為1 h的磨細粉煤灰的反應程度達到了30%，而粉磨2 h的磨細粉煤灰有33%以上與水泥發生了水化反應。然而對比不同粉磨時間在不同齡期的活性曲線可知，在齡期為7 d和14 d之間反應活性提高的最快，其中未粉磨的粉煤灰的反應程度增加了47.4%，但其反應程度仍然低于粉磨后的粉煤灰。表明，粉煤灰經過機械粉磨可以提高其化學活性，且隨著粉磨時間的增加化學活性提高的程度越大，與強度測試結果相符。

2.3 粉煤灰水泥漿體XRD結果分析

試驗針對齡期為7 d和28 d的粉煤灰終止水化后進行XRD測試，分析其在水泥中的水化產物的變化，分析粉煤灰在水泥水化體系中的反應機理。由圖5的XRD衍射圖譜可知，在純水泥中加入粉煤灰后Ca(OH)2的衍射峰顯著下降，而SiO2的衍射峰表現的更為明顯，主要由于粉煤灰取代部分水泥后減小了水泥水化產生的Ca(OH)2且引入了SiO2。而通過對比粉磨前后的粉煤灰水泥漿體的XRD衍射圖譜可知，摻入粉磨后的粉煤灰水泥漿體的Ca(OH)2的衍射峰較未粉磨粉煤灰的低，表明粉煤灰經過粉磨后可以提高與水泥水化產物Ca(OH)2的反應速率，在相同齡期時表現出較低的衍射峰值。然而通過比較不同粉磨時間的磨細粉煤灰，在齡期為7 d和28 d時SiO2和Ca(OH)2的衍射峰值均表現為粉磨1 h的粉煤灰大于粉磨2 h的磨細粉煤灰。表明粉磨時間越長粉煤灰球形顆粒破壞越嚴重在水泥漿體中的反應程度越大，消耗更多的Ca(OH)2和活性SiO2。

3 結語

1)粉煤灰經過機械粉磨后粒徑減小的同時顆粒形貌也發生了破壞，且隨著粉磨時間的增加粒徑越小，顆粒形貌破壞的程度越嚴重。

2)粉煤灰經過粉磨后火山灰活性增強，且隨著粉磨時間的增加其在水泥漿體中的反應程度越大，粉煤灰水泥漿體表現出的強度更高。