譚天戈,柯國軍,陳 聰,鄒品玉

(南華大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

我國是一個(gè)用電大國，我國所使用的電絕大部分是火電，粉煤灰是火電的附帶產(chǎn)物。隨著工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排量每年都會增加。大批的粉煤灰不加處理，會產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣;還會造成水污染，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會對人體健康構(gòu)成傷害[1]。粉煤灰的價(jià)格遠(yuǎn)低于水泥，當(dāng)用粉煤灰取代部分水泥制作混凝土?xí)r，可以降低混凝土的制作成本，同時(shí)可起到資源再利用的作用。因此，摻加粉煤灰的混凝土在實(shí)際工程中得到了越來越多的應(yīng)用。由于我國電廠排放的粉煤灰中優(yōu)質(zhì)灰較少，大多數(shù)電廠粉煤灰的品質(zhì)低，主要是低鈣灰，多為三級灰或等外灰，一二級灰只占5%左右，使粉煤灰產(chǎn)品的強(qiáng)度低，這極大地限制了粉煤灰這一高性價(jià)比的資源利用[2]。

粉煤灰在常溫下或未經(jīng)處理時(shí)參與反應(yīng)的能力較弱，若不進(jìn)行處理而直接利用，其中有用成分就不能充分發(fā)揮其作用，最終導(dǎo)致其利用率偏低，資源不能得到高效合理利用。因此，要想使惰性較強(qiáng)的粉煤灰真正發(fā)揮作用，達(dá)到大批量應(yīng)用的目的，必須采用活性激發(fā)的方法，對于粉煤灰的活性激發(fā)或改性的方法很多，主要有物理、化學(xué)、復(fù)合激發(fā)及改性四個(gè)方面[3]。本試驗(yàn)主要研究通過蒸壓后水泥膠砂試件強(qiáng)度的情況與對照組對比，觀察在粉煤灰代替水泥不同摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下形成的規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：強(qiáng)度等級為P·O 42.5級水泥，密度為4.02 g/cm3，堆積密度為1 479 kg/cm3。比表面積為323 m2/kg?；瘜W(xué)成分如表1所示。

粉煤灰：Ⅲ級灰,45 μm篩余量31%，密度3.15 g/cm3，堆積密度2.02 g/cm3?；瘜W(xué)成分如表1所示。

細(xì)骨料：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂(1 350 g)。

水：自來水。

1.2 配合比

粉煤灰作為摻合料以不同質(zhì)量取代水泥制備復(fù)合砂漿。膠砂比(質(zhì)量比)為1∶3，水膠比為0.5，分為對照組和實(shí)驗(yàn)組，未進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)的為對照組，分為基準(zhǔn)組C1，F(xiàn)10、F20、F30、F40分別代表粉煤灰取代基準(zhǔn)砂漿中水泥質(zhì)量的10%、20%、30%、40%。經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護(hù)，分為基準(zhǔn)組C2，F(xiàn)S10、FS20、FS30、FS40分別代表粉煤灰取代基準(zhǔn)砂漿中水泥質(zhì)量的10%、20%、30%、40%，基準(zhǔn)組是未加粉煤灰的純水泥砂漿。詳細(xì)如表2所示。

表1 粉煤灰和水泥的化學(xué)組成

表2 膠砂試件配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 粉煤灰粒徑分布測試

取原狀粉煤灰約5 g左右，用崛場LA-960S激光粒度儀測試其粒徑分布。

1.3.2 抗折抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

制備尺寸40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試塊，共計(jì)10組，每組3塊。試塊成型后放于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，室溫為20 ℃左右。將拆模后實(shí)驗(yàn)組的試塊在蒸壓釜內(nèi)蒸壓10 h(1.3 MPa，180 ℃)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)護(hù)7 d、60 d、90 d。然后參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法(ISO法)》測試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。將實(shí)驗(yàn)組和對照組的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出粉煤灰在不同摻量和養(yǎng)護(hù)齡期下的活性程度。

1.3.3 XRD分析

選取對照組F20，7 d、60 d、90 d三個(gè)齡期的試樣，經(jīng)過抗折抗壓實(shí)驗(yàn)后，用PE薄膜包裹留樣待測，終止其水化。測試前將試樣放在100 ℃烘干箱內(nèi)烘干24 h后敲碎，取試塊中間部分將其在研磨機(jī)中研磨約1 min成粉末狀，送檢測中心測試。測試設(shè)備為理學(xué)D/max2500，掃描角度為廣角5°～90°，掃描時(shí)間8 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰粒徑分析

為進(jìn)一步量化表征粉煤灰顆粒群的特征，采用多個(gè)細(xì)度參數(shù)如平均粒徑及中位粒徑來表征，從而分析粒徑與粉煤灰活性的關(guān)系。

測試結(jié)果如圖1、圖2所示。圖1為粉煤灰粒徑分布的頻度圖，粒徑大小分布在1.510 μm～262.376 μm，粗細(xì)不均勻。圖2為粒徑累計(jì)百分比，D10為6.65 μm，D50中徑為23.746 μm，D90為94.821 μm。平均徑為40.785 μm，幾何平均徑為24.727 μm，頻徑為12.323 μm。

相關(guān)研究通過灰色關(guān)聯(lián)分析表明[4]粒徑小于19.953 μm的粉煤灰顆粒體積分?jǐn)?shù)與粉煤灰活性均為正關(guān)聯(lián)，在5.012～19.953 μm范圍內(nèi)的顆粒對其活性的貢獻(xiàn)最大，大于19.953 μm的粉煤灰顆粒體積分?jǐn)?shù)與粉煤灰活性為負(fù)關(guān)聯(lián)，削弱了其活性，大于45 μm的顆粒對其活性的負(fù)面影響最大。本實(shí)驗(yàn)粉煤灰透過累計(jì)分?jǐn)?shù)50%在23.746 μm，粒徑大于19.953 μm的顆粒占比大于50%，大于45 μm的顆粒占比30%左右，可看出此灰屬于低等級灰，整體細(xì)度較粗，比表面積較小。因此本文試驗(yàn)用水熱合成的方法最大程度激發(fā)其活性。

2.2 抗折抗壓試驗(yàn)結(jié)果

砂漿試件的抗折強(qiáng)度fs和抗壓強(qiáng)度fc如表3所示，由表3可看出在粉煤灰摻量相同的情況下實(shí)驗(yàn)組試件的抗拉和抗壓強(qiáng)度都高于對照組，并且與齡期和摻量存在一定關(guān)系。

表3 膠砂試件的強(qiáng)度

2.3 水熱合成對粉煤灰活性的影響分析

水熱合成即是在蒸壓條件下進(jìn)行一段時(shí)間處理。本實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)組拆模后膠砂試件進(jìn)行了蒸壓處理10 h，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。而對照組在拆模后即進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，不進(jìn)行蒸壓處理。兩組都分別養(yǎng)護(hù)了7 d、60 d、90 d三個(gè)齡期。將三個(gè)齡期所測得抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)分別作出折線圖進(jìn)行對比(D為對照組，S為實(shí)驗(yàn)組)，可較為直觀地觀察其規(guī)律，并判斷不同條件對粉煤灰活性的影響。

圖3和圖4為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后的測試結(jié)果，可看出實(shí)驗(yàn)組的抗折強(qiáng)度在9 MPa～9.5 MPa，抗壓強(qiáng)度在40 MPa～55 MPa，實(shí)驗(yàn)組的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于其對照組強(qiáng)度，說明經(jīng)過高溫高壓處理下，大大激發(fā)了粉煤灰活性，提高了其水化速度。且可看出在早期對照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，由于粉煤灰活性未被激發(fā)，水泥的水化速度快于粉煤灰的水化速度，因此粉煤灰摻量越高早期強(qiáng)度越低。

圖5和圖6為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d后的測試結(jié)果，相比于標(biāo)養(yǎng)7 d，其整體強(qiáng)度都有提高?？捎^察出在對照組中，純水泥膠砂試件的強(qiáng)度高于摻加了粉煤灰的試件，說明在未進(jìn)行蒸壓下，粉煤灰還未發(fā)生具體反應(yīng)。相對于實(shí)驗(yàn)組可看出，摻加了粉煤灰試件的強(qiáng)度高于純水泥試件，這可能與粉煤灰自身化學(xué)性質(zhì)相關(guān)。

由于粉煤灰是在高溫流態(tài)化條件下快速形成，冷卻后大量粉煤灰粒子仍保持高溫液態(tài)玻璃相結(jié)構(gòu)，較為致密，阻礙了活性SiO2、Al2O3的溶出[5]，不容易斷裂形成單體。而在高溫下，四面體聚合體解聚后形成單聚體和雙聚體，加快了礦物結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移和水化產(chǎn)物的形成[6]。

圖7和圖8為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 d后的測試結(jié)果，對照組抗折強(qiáng)度在8 MPa～8.7 MPa，抗壓強(qiáng)度在40 MPa～49 MPa，整體強(qiáng)度都大于7 d和60 d的，但隨著粉煤灰摻量增加，強(qiáng)度下降。實(shí)驗(yàn)組的強(qiáng)度整體相比于60 d齡期的變動范圍不大，但經(jīng)過蒸壓后，隨著粉煤灰摻量的變化有不同大小的浮動，整體來說在摻量在20%～30%左右效果較好。

2.4 粉煤灰活性與齡期的關(guān)系

圖9和圖10選了三個(gè)齡期(7 d、60 d、90 d)對照組和實(shí)驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，可發(fā)現(xiàn)對照組和實(shí)驗(yàn)組都隨著齡期的增長抗壓強(qiáng)度也逐漸提高，但增幅大小不一樣。經(jīng)計(jì)算，對照組中60 d齡期較7 d齡期強(qiáng)度平均增長了95%，90 d齡期較60 d齡期強(qiáng)度平均增長了15%，實(shí)驗(yàn)組中60 d齡期較7 d齡期強(qiáng)度平均增長了9.5%，90 d齡期較60 d齡期強(qiáng)度平均增長了2%?？煽闯鲈谖凑魤呵闆r下，隨著齡期的增長水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2濃度不斷增大，粉煤灰活性逐漸被激發(fā)，與Ca(OH)2發(fā)生火山灰效應(yīng)[7]，并且在后期由于沒有外界條件的干擾，反應(yīng)逐漸達(dá)到飽和，從而增幅速度減慢。而實(shí)驗(yàn)組經(jīng)過蒸壓后在初期就幾乎達(dá)到了對照組在后期的強(qiáng)度，其原理是經(jīng)過蒸壓后破壞了粒子表面致密玻璃質(zhì)外殼，將網(wǎng)絡(luò)聚集體[SiO4]4-解聚成單聚體和雙聚體，與Ca(OH)2發(fā)生火山灰效應(yīng)，生成C—S—H、C—A—H等水硬性膠凝物質(zhì)，填補(bǔ)已形成的水泥石空隙，增強(qiáng)了其強(qiáng)度[8]。而在后期反應(yīng)逐漸達(dá)到峰值，不再生成新的物質(zhì)，其強(qiáng)度增幅相當(dāng)微弱。

2.5 XRD分析

在此前的抗折抗壓試驗(yàn)結(jié)果中可看出，在粉煤灰以摻量20%等質(zhì)量取代水泥時(shí)效果較為理想。所以選取對照組F20中7 d、60 d、90 d三個(gè)齡期的膠砂試件，分為樣品1、2、3做X射線衍射分析，觀察不同齡期對粉煤灰活性的影響。經(jīng)過整理結(jié)果如圖11所示。

圖11中所標(biāo)注樣品1、2、3分別對應(yīng)齡期7 d、60 d、90 d的試件測試結(jié)果，可看出主要出現(xiàn)三個(gè)峰值，利用Jade5.0軟件物相組成匹配，在2θ為20°～40°間衍射峰較強(qiáng)，匹配物相組成為SiO2,20°時(shí)出現(xiàn)了水化硅酸鈣，50°時(shí)出現(xiàn)少量鈣礬石。說明粉煤灰主要成分為石英SiO2，在早期還未完全發(fā)生反應(yīng)，但出現(xiàn)了少量的C—S—H和C—A—H。在后期60 d和90 d中，SiO2特征衍射峰高度逐漸減小，C—S—H和鈣礬石特征衍射峰逐漸增大[9]。說明SiO2不斷被消耗并且水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2與粉煤灰中活性SiO2和Al2O3發(fā)生火山灰反應(yīng)，C—S—H凝膠和鈣礬石不斷生成與結(jié)晶，所以隨著齡期的增加膠砂試件的強(qiáng)度也逐漸增大。

3 結(jié) 論

1)水泥膠砂試件在脫模后進(jìn)行高溫高壓處理，對其初期強(qiáng)度(7 d)有顯著的影響，抗折強(qiáng)度提高了110%左右，抗壓強(qiáng)度提高了120%左右，說明水熱合成法激發(fā)了粉煤灰的活性。

2)水泥的水化速度大于粉煤灰的水化速度，因此早期摻粉煤灰的試件強(qiáng)度小于純水泥膠砂試件強(qiáng)度，且粉煤灰摻量越高其早期強(qiáng)度越低。

3)在對照組和實(shí)驗(yàn)組中，隨著時(shí)間的增長，粉煤灰試件強(qiáng)度逐漸提高，說明摻粉煤灰的試件強(qiáng)度發(fā)展緩慢，在后期較有優(yōu)勢，且摻量20%～30%時(shí)效果較好。

4)微觀測試中，X射線衍射譜圖可看出物質(zhì)的消耗和生成。Ca(OH)2促進(jìn)了粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成C—S—H和C—A—H，填充了空隙，使結(jié)構(gòu)不斷致密，因此試件強(qiáng)度在后期不斷增長。