超細粉煤灰對普通硅酸鹽水泥性能的影響

楊鑫鑫 王其凱

(濟南萬科企業有限公司，山東 濟南 250013)

粉煤灰作為燃煤電廠燃燒過程中排出的微小灰粒，富含無定型SiO2和Al2O3，用作輔助性膠凝材料時，不僅降低成本和環境污染，還可以改善水泥的工作性能、力學性能和耐久性能等[1-3]。然而，粉煤灰的活性較低。Lam等指出粉煤灰水泥漿體養護90天后仍約有80%粉煤灰未發生水化反應[4]。超細粉磨處理是實現粉煤灰高品質、高效應和高附加值利用的重要手段之一。平均粒徑低于10μm，比表面積大于600m2/kg的超細粉煤灰具有良好的超細顆粒效應，但粉磨過程中可能破壞粉煤灰的滾珠效應，增加需水量[5-6]。因此，本文以超細粉煤灰為主要研究對象，研究了超細粉煤灰摻量對硅酸鹽水泥性能的影響規律。

1 原材料

1.1 普通硅酸鹽水泥

本文采用52.5普通硅酸鹽水泥，其主要化學組成見表1。

表1 水泥化學組成/wt.%

1.2 粉煤灰

本文選用超細粉煤灰的密度為2.13g/cm3，微觀形貌如圖1，其形貌為表面光滑、規則的球形顆粒，平均粒徑為3.93μm，粒徑分布如圖2所示。

圖1 粉煤灰的SEM形貌照片

圖2 超細粉煤灰粒度分析

2 結果與討論

2.1 凝結時間

圖3顯示了超細粉煤灰對水泥凝結時間的影響。水泥的初凝時間和終凝時間分別為140 min和212min。超細粉煤灰的摻加明顯延長了凝結時間。當超細粉煤灰摻量由5%增加至20%，初凝時間從147min增加至170min，終凝時間從218min增加至245min。

圖3 超細粉煤灰對水泥凝結時間的影響

2.2 標準稠度需水量

圖4是摻加超細粉煤灰的水泥的標準稠度需水量。從圖中可以看出超細粉煤灰的摻加明顯增加了標準稠度需水量。純水泥的標準稠度需水量為24.1%，當超細粉煤灰摻量由5%增加至20%，標準稠度需水量從24.6%增加至27.3%，比純水泥的標準稠度需水量高了2.1%～13.3%。這是由于超細粉煤灰的高比表面積導致顆粒之間或對水泥顆粒產生吸附現象，有形成絮凝結構的趨勢，降低了水泥漿體的流動性。

圖4 標準稠度需水量

2.3 力學性能

超細粉煤灰對水泥的力學性能的影響結果如圖5所示。在圖5(a)中，隨著超細粉煤灰摻量的增加，3d和28d的抗折強度都呈現先增加后降低的趨勢。當超細粉煤灰摻量為10%時，3d和28d抗折強度都達到最大，分別比純水泥高出7.3%和4.5%。當超細粉煤灰摻量為20%時，3d和28d抗折強度都達到最低，分別比純水泥低3.6%和3.0%。在圖5(b)中，抗壓強度的變化規律與抗折強度相近，隨著超細粉煤灰摻量的增加，3d和28d的抗壓強度也呈現先增加后降低的趨勢。當超細粉煤灰從5%增加到20%，3d抗壓強度從28.6MPa增加至33.1MPa又降低至26.0MPa，28d抗壓強度從56.7MPa增加至59.1MPa又降低至51.1MPa。所以，超細粉煤灰對水泥的抗壓強度和抗折強度都有明顯的影響，尤其在水化早期，這是由于超細粉煤灰在早期發揮了其“顆粒填充效應”，提高了硬化體致密度。在水化后期超細粉煤灰中活性氧化硅和氧化鋁參與二次水化反應，其水化產物能夠提高顆粒間粘結效應，改善強度。

(a)

(b)圖5 超細粉煤灰對水泥的力學性能的影響

3 結 論

超細粉煤灰的摻加明顯延長了水泥的凝結時間，并且隨著粉煤灰摻量的增加，凝結時間越長。超細粉煤灰的高比表面積導致水泥的標準稠度需水量增加。當超細粉煤灰摻量為20%時，標準稠度需水量增加了13.3%。摻量為5%～15%的超細粉煤灰能改善水泥強度，尤其當超細粉煤灰摻量為10%時，3d抗折強度增加7.3%，3d抗壓強度增加20.8%。