粉煤灰摻量對硫氧鎂泡沫水泥性能的影響

摘" " " 要：研究了改變粉煤灰的摻量對硫氧鎂泡沫水泥性能的影響，試驗結果表明，摻入定量的粉煤灰后，混凝土性能將得到明顯提高，且隨粉煤灰摻量的變化而變化。

關" 鍵" 詞：粉煤灰； 硫氧鎂泡沫水泥； 性能

中圖分類號：TQ013.1" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）08-1139-03

煤炭資源在我國的儲量豐富，因此我國成為世界最大的煤炭生產國和消費國。火力發電就是以煤為燃料運行的，我國每年的發電量約為2.3億kW·h，火力發電量約在其中的75%，因此伴隨燃煤而產生的大量固廢粉煤灰量就逐年增加，2020年我國的粉煤灰排放量已達到2.2億t，粉煤灰累計的存量已超過18億t，占地約31萬畝，因此如何處理這些粉煤灰已經成為全社會關注的問題。自1987年以來，中國政府已經明確把粉煤灰作為一種再生資源進行再利用的政策，如何將粉煤灰資源合理有效地進行利用已然成為我國地一項長遠戰略。

粉煤灰是一種具有火山灰質地地材料，它的優點在于潛在活性高，化學性能穩定，顆粒細小并且重金屬含量低，添加到混凝土中能夠提高混凝土或砂漿的物理性能。將粉煤灰充分利用起來可以改善生態環境、實現資源再利用，因此社會效益、環境效益、經濟效益非常顯著。例如，采用干法排灰可以將粉煤灰采用堆放均化和高細粉磨的“兩高三分超細法”工藝，生產的早強粉煤灰硅酸鹽水泥可以添加灰渣40％～50％的灰渣代替粘涂料，一條年產20萬t的生產線可以使用掉12萬t的粉煤灰，產生5 000萬的產值，創造600萬元的利稅。另外，經過廣大科研工作者的共同努力，粉煤灰的綜合利用技術日益成熟，在冶金、建材、交通、化工、礦山、水利、農業等領域都有廣泛的應用前景。

發泡水泥最早是由德國人發明的，該技術在1980年左右傳入我國，它是通過發泡機的發泡系統將發泡劑通過機械方式充分發泡，然后與水泥漿均勻混合，再經過發泡機的泵送系統進行現澆施工或模具成型，經自然養護所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫防火材料。發泡水泥的突出特點是在混凝土內部形成封閉的泡沫孔，使混凝土輕質化和保溫隔熱化。

發泡水泥的原材料可以是鈣質材料、硅質材料或鎂質材料，其中，鎂質材料水泥是一種堿式鎂質膠凝材料，主要有氯氧鎂水泥，硫氧鎂水泥和磷酸鎂水泥三種。氯氧鎂水泥是一種MgO·MgCl2·H2O三元體系的鎂質膠凝材料，其主要成分為堿式氯化鎂，它具有一系列優點，例如：不需要濕養護，粘結性能好，防火性能好，耐磨性好，導熱系數小，早期強度高，耐油、抗有機溶劑，抗無機鹽和硫化物侵蝕。可用于制造輕質墻體材料、隔斷材料、防火材料、裝飾板材、輕質保溫材料、混凝土材料、發泡砌塊、工藝品等產品，在建筑、裝飾等領域具有廣泛的應用[1-3]。磷酸鎂水泥是一種通過酸堿反應及物理作用而凝結硬化的材料，該材料具有水化迅速、環境適應性廣和早期強度高等特點，有著非常重要的軍事運用價值，在高速公路與市政主干道的快速修補及有害物質固化等方面也有廣闊的應用前景[4-5]。硫氧鎂水泥是指由活性MgO和一定濃度的MgSO4水溶液組成的一種MgO·MgSO4·H2O三元凝膠體系組成的鎂質材料，與氯氧鎂水泥，磷酸鎂水泥材料的區別僅僅在于拌合漿料時所使用溶液的酸根不同。硫氧鎂水泥具有防火、質量輕、隔聲、絕熱、凝結快等特點。氯氧鎂水泥與硫氧鎂這兩種凝膠材料的諸如阻燃性、耐磨性、低熱導率和環境友好等性質大體相似，不同點在于硫氧鎂水泥與氯氧鎂水泥相比，優點主要在于對鋼筋腐蝕性能低，抗溫性能好的特點。

從目前國內外文獻來看，硫氧鎂水泥的文獻遠少于氯氧鎂水泥，特別是對硫氧鎂水泥發泡材料的研究更少。另外，燃煤電廠在煤燃燒后的煙氣中會產生大量的粉煤灰，其主要成分是SiO2、Al2O3等，隨著電力工業的發展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，成為我國當前排量較大的工業廢渣之一，如果能將這些粉煤灰填充到硫氧鎂泡沫水泥中，將體現出巨大的環境和經濟效益。本文使用本公司電廠產生的粉煤灰添加到硫氧鎂發泡水泥中，考察不同摻量對該泡沫水泥各項性能的影響。

1" 實驗部分

1.1" 實驗藥品

實驗主要藥品見表1。

1.2" 實驗設備

實驗所用主要儀器設備見表2。

1.3" 實驗過程

取硫氧鎂水泥100份，水35份，30%過氧化氫5份，粉煤灰份數為變量。首先按配比稱量各種原料，其次將硫氧鎂水泥，粉煤灰和水中加入到砂磨分散多用攪拌機中，將其攪拌成均勻漿體，攪拌時間控制在90～180 s，接著將發泡劑加入到漿體中，繼續攪拌至均勻，攪拌時間控制在5～10 s。最后將漿體澆注入模成型，靜停發泡。產品在溫度為25 ℃，濕度為90%的恒溫恒濕箱中養護14 d，之后脫模，用于測試。

1.4" 測試方法

1.4.1" 發泡水泥容重測試

本實驗為測試14 d齡期的發泡水泥的容重，即將養護14 d齡期的發泡水泥試塊切割為較為規則的圓臺狀，計算其體積，再測其圓臺狀水泥試塊的重量。計算可得容重，公式如下：

γ＝G/V （1）

其中： γ—容重，N/m³；

G—重量，N；

V—體積，m³。

1.4.2" 測試的發泡水泥吸水率

參考GB/T 5486測試發泡水泥試塊14 d齡期的吸水率。

1.4.3" 觀察發泡水泥的形貌

采用體視顯微鏡觀察水泥試塊14 d齡期的形貌。

1.4.4" 測試發泡水泥的導熱系數

參考GB/T22588—2008測試水泥試塊14d齡期的導熱系數。

1.4.5" 測試發泡水泥的抗壓強度

參考GB/T 11969測試水泥試塊14 d齡期的抗壓強度。

2" 結果與討論

2.1" 粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響

由表3可知，粉煤灰的摻入會使混凝土強度提高的速度放緩，而且粉煤灰摻量越大，混凝土抗壓強度提高的速度越慢，當粉煤灰的摻量為20%時，混凝土的抗壓強度明顯降低，約為不摻粉煤灰混凝土時強度的60%左右。粉煤灰是一種活性摻合料，摻入的粉煤灰會發生水化反應，但這個過程較為緩慢的。有文獻指出[6]，在水化初期，粉煤灰的顆粒表面并沒有發生改變，這表明在混凝土初始形成階段，粉煤灰相當于惰性填料，僅表現為可以改善混凝土的流動性，對抗壓強度貢獻不大，但隨著混凝土保養時間的延長，粉煤灰表面會產生越來越多的水化產物，生成的大量纖維狀晶體會相互交叉連接，從而表現為越來越高的粘結能力，這些水化的纖維狀晶體與硫氧鎂水泥結構緊密連接，顯著提高了粉煤灰混凝土的力學強度[7-10]。

2.2" 粉煤灰摻量對混凝土吸水性的影響

硫氧鎂水泥在固化時會在內部產生很多微孔，這些相互連通微孔是混凝土具有吸水性的主要原因。當混凝土中摻入粉煤灰之后，因為粉煤灰會發生二次水化反應，產生的大量細小的纖維狀水化物會填充在混凝土的微孔之中，可以有效的阻塞水泥中相互連通微孔，進而提高了水泥的耐水性。研究發現：養護條件對混凝土吸水性影響很大，特別是蒸汽高溫養護時間的長短對前期性能提高的影響很大。在相同的溫度下，養護7 d要比養護3 d的耐水性有十分明顯提高 （約40％左右 ）。養護7 d以后，摻加了粉煤灰的混凝土的耐水性的增長潛力得到充分的提高。如果將養護時間提高到28 d以后，耐水性能提高不大。因此可以認為，高溫養護的時間對混凝土的后期耐水性的影響不大。此外，發現養護3 d以后，提高養護的溫度，可以顯著提高混凝土的耐水性（100 ℃下進行養護要比在80 ℃下養護耐水性高40%）。但是，養護7 d以后，溫度對耐水性的提高影響就不明顯了。這是由于隨著水泥養護溫度的提高和養護期的延長，粉煤灰的水化程度也會不斷提高。因此，提高粉煤灰的摻量，混凝土的耐水能力也將提高， 如表4所示。

2.3" 粉煤灰摻量對混凝土容重和導熱系數的影響

粉煤灰的化學成份主要包括SiO2和Al2O3，其中SiO2的含量約為48%，Al2O3含量約為27%左右。粉煤灰的外觀以玻璃質中空微珠為主，孔隙率在50%～80%之間，因此粉煤灰的堆積密度一般為550～700 kg/m3之間。由表3可以看出，隨著粉煤灰添加量的增加，硫氧鎂水泥的容重逐漸降低，同時導熱系數也逐漸降低，這說明提高低密度的粉煤灰用量有利于提高混凝土的保溫效果，如表5所示。

2.4" 粉煤灰摻量對混凝土形貌的影響

圖1所示的是摻加了不同含量粉煤灰的水泥試塊的體視顯微鏡照片，通過對比可以發現：摻加了粉煤灰的發泡水泥試塊的孔隙比未摻加粉煤灰的發泡水泥試塊孔隙更大且均為閉孔結構，而改變粉煤灰的摻加量對水泥試塊孔隙影響不大。

3" 結 論

混凝土中摻入粉煤灰，可 以利用工業廢料，對工業生產和環境有重要的意義。 硫氧鎂泡沫水泥摻入粉煤灰后，混凝土的初期強度提高速度比較慢，但后期的強度同未加粉煤灰的混凝土相比有一定程度的提高，且后期混凝土的強度隨著粉煤灰摻加量的提高而提高。

參考文獻：

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Effect of Fly Ash Content on Properties of Magnesium Oxysulfate Foam Cement

TIAN Hai-yan

（1. China Energy Engineering Group Northeast No.3 Electric Power Construction Co.， Ltd.， Jinzhou Liaoning 121001， China;

2. Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：" The effect of changing the content of fly ash on the performance of magnesium oxysulfate foam cement was studied. The test results showed that the performance of concrete was obviously improved after adding quantitative fly ash， and the performance changed with the change of fly ash content.

Key words：" Fly ash; Magnesium oxysulfate foam cement; Performance