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原材料

机械活化和化学激发剂对粉煤灰活性的影响

时间:2018-4-18 14:26:19 来源: 点击次数:2025

机械活化和化学激发剂对粉煤灰活性的影响

刘军1,孟书灵1,王玉娟1,李晓文1,李绍纯1,2*,陈旭1

(1.中建西部建设股份有限公司,新疆乌鲁木齐 830000

(2.青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033)

摘要:以球磨为机械活化方式,以氢氧化钠和硫酸钠为两种激发剂,通过正交试验,研究了球磨时间和激发剂用量对粉煤灰活性影响,以及活化后不同掺量的粉煤灰对胶砂试块强度的影响。XRD和粒度测试结果表明:随着球磨时间的增长,粉煤灰细度增大,降低了粉煤灰中SiO2结晶峰的高度,从而提高粉煤灰活性;正交试验结果表明:Na2SO4激发效果更好,在激发剂掺量为3%,球磨时间在90min以上时,可以有效地提高粉煤灰活性,且增加活性后的粉煤灰掺量范围可扩大至40%而保证了胶砂试块的强度损失控制在20%以内,很大程度的提高了该粉煤灰的使用率。

关键词:粉煤灰;机械活化;激发剂;正交试验;强度

引言

随着我国科学技术的不断发展,越来越多的重大混凝土结构开始服役在极严酷恶劣的环境下,常见的有海底隧道工程、跨海大桥工程、海上采油平台工程等,尤其是在有毒有害废物处置的特殊需求的建筑工程也呈现出快速增长的趋势。该类混凝土建筑工程对于施工环境、施工技术提出了更高的要求,耐久性要求也十分高,在施工或者服役阶段,如果出现安全事故,不仅需要巨资进行修复,而且对周边的人民安全也造成巨大的威胁。目前,国际上广泛推广使用具有高耐久性、高工作性和高强度等特性的高性能混凝土,在特殊环境下用高性能混凝土代替传统的混凝土,不仅安全可靠,还具有显著的经济效益[1]。

优质矿物掺合料作为高性能混凝土中极为重要的组成部分,其功能性组分主要通过复合胶凝效应、诱导激活效应、表面微晶化效应、界面耦合效应、微集料效应,改善混凝土的工作性能,进而提高混凝土的耐久性[2-3]。但是,优质矿物掺合料日益稀缺,许多地区掺合料已经无法满足建筑市场需求,在这种情况下,如何充分利用具有潜在活性的矿物掺合料,通过物理及化学激活的方法提高这些掺合料的活性,拓展更多的掺合料资源是目前有待解决的科研难题。本文主要研究了新疆当地一种粉煤灰掺合料,通过机械球磨和化学激发剂增活的方式,改善其活性,研究其掺量对水泥基材料强度的影响情况,得到一份最优内掺方案。

1.实验原料及测试方法

1.1 实验原料

本次试验所使用的的基准水泥来源于新疆青松建材水泥有限公司,其检测依据是GB175-2007《通用硅酸盐水泥》,主要项目检测数据见表1。

次试验使用的粉煤灰来源于红雁池二电厂F·III级粉煤灰,检测标准采用是GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》,主要项目检测数据如表2所示。从检测数据中可以看出,本文所用的粉煤灰品质较低,属于III级粉煤灰。

1.3 X射线衍射(XRD)

试验使用D8 Advance型X射线衍射仪,将经过烘干处理的粉煤灰,压在盛装样品的浅框中,压制过程中注意粉磨平面与外框平面严格保持在同一平面。通过比对PDF卡片,确定不同2θ角所对应的晶面从而进行物相分析,从5°扫描到80°,主要观察样品SiO2结晶峰的变化。

1.4 机械活化方法

使用YXQM行星球磨机对粉煤灰进行粉磨,在粉磨前加入助磨剂——三乙醇胺,加入量为粉煤灰质量的0.02%。设置不同的球磨时间:30min、60min、90min、120min,转速为240r/min。

1.5 球磨后的粒度测试

使用HELOS-RODOS干法激光粒度分析仪测试不同球磨时间后的粉煤灰粒度分布,从而判断出球磨时间对粉煤灰粒度变化的影响。

1.正交试验设计

本试验将激发剂掺量(粉煤灰用量的百分比),球磨时间,粉煤灰掺量(水泥用量的百分比)作为影响因素,选择NaOH和Na2SO4两种化学助剂作为激发剂。通过测试不同对照组不同龄期的胶砂试块强度,研究探讨各因素对粉煤灰活性的影响,以及粉煤灰掺量对胶砂强度的影响,进而找出最优内掺方案。试验设计L16(43)正交表格,如表5所示。

按照正交试验表5,计算出激发剂和粉煤灰的用量,成型胶砂试块,放入标准养护箱内(温度(20±1)℃,相对湿度大于90%)养护24h后脱模,然后将试块放入20℃水中,水化至各龄期(3d、28d、90d)测其抗压强度(注:三个龄期选择分别为早期强度、标准养护龄期强度、后期强度)。

1.结果分析

3.1 XRD结果分析

对比图A、B、C三种粉煤灰,可以看出,粉煤灰的主要成分是SiO2,而且结晶峰较为尖锐,说明其中的SiO2结晶程度较好[5],这也是其活性较低的原因之一。但是,经过球磨后,SiO2的结晶峰高度有所下降,说明在球磨过程中,SiO2在被磨碎的同时其结晶度也有所下降,活性有所提高。但通过图B、图C的对比发现,粉煤灰在实验室粉磨20min后的结晶峰高度大于粉煤灰车间生产的磨细粉煤灰,说明实验室粉煤灰粉磨程度远远不足、粉磨时间短,后续试验需要延长其球磨时间,将结晶SiO2进一步磨碎,提高其活性。

3.2 球磨前后粒度结果分析

图2和图3是粉煤灰球磨前和球磨120min后的粒径正态分布曲线,在加入三乙醇胺球磨120min后,粉煤灰的平均粒径从24.65μm,降低到3.55μm。表 列出了球磨各个阶段的粉煤灰平均粒径,并计算出了其比表面的变化。随着球磨时间的增长,粉煤灰的细度值越来越大。球磨120min后的比表面积接近于球磨前粉煤灰比表面积的3倍。

图4对粉煤灰随球磨时间平均粒度变化进行了总结。可以发现,在球磨时间超过90min以后,粉煤灰的平均粒径值降低到4μm以下,且变化趋于平缓,这说明粉磨过程进入了破碎(细化)与团聚(粗化)的动态平衡阶段,粉煤灰粉体颗粒的粒径已经达到了粉磨极限[6]。如果综合考虑节能环保等因素,建议粉煤灰的球磨时间控制在90~120min左右。

3.3 抗压强度结果分析

对于混凝土材料来说,抗压强度的提升有助于自身抗折效果的提升,所以本文分析的强度指标为抗压强度,且对比分析了3d、28d、90d强度变化,从而判断出粉煤灰从早期至后期全部贡献过程。

通过对正交试验的试验结果进行因素指标分析,得到各因素的极差值,如表7所示,为正交试验在不同龄期时各因素的极差值,可以直观的看出粉煤灰用量这个因素对强度的贡献值最大(极差值越大,则该因素对强度贡献值越大),而球磨时间和激发剂用量这两个因素各有高低,所以并不能直接比较出两者的贡献度高低。需要注意的是,因为NaOH和Na2SO4并不在正交试验内,所以两者的极差值并不具有可比性,需要从强度值方面判断两种激发剂对粉煤灰的活性影响。

通过正交试验的效应曲线图,得到不同龄期时,分别在两种激发剂作用下达到最大强度的试验方案,如表8所示。从表中可以发现,每组中激发剂的用量均为3%,粉煤灰用量为20%,球磨时间为120min,但是合理的提高粉煤灰掺量以及尽可能的缩短球磨时间是本试验所追求的目标,所以下文就粉煤灰掺量和球磨时间这两个因素展开分析讨论。

在判断出粉煤灰掺量为最显著因素后,对其进行单因素分析,即分析了不同掺量的粉煤灰对不同龄期的胶砂试块强度影响,并同时分析了激发剂种类(NaOH和Na2SO4两种激发剂)对粉煤灰的激发效果。如图5所示。具体强度值(正交试验直观分析表中粉煤灰掺量因素对应的均值)如表9所示。

可从试验结果中可以发现,随着粉煤灰掺量的提高,水泥胶砂的整体强度呈下降趋势,当激发剂为Na2SO4时,胶砂的强度等级会更高。养护龄期为28d时,抗压强度可达40~50MPa,在养护龄期为90d时,抗压强度仍有增长,可达50~60MPa,且每个龄期的强度值均比NaOH为激发剂的对照组高出30%~40%。主要原因在于,硫酸盐主要通过激发粉煤灰中的活性Al2O3改善粉煤灰颗粒包裹层的结构,同时增加粉煤灰活性成分的溶解度来加快粉煤灰活性的激发速度和提高粉煤灰活性激发的程度[7]。另外,Na2SO4与Ca(OH)2之间的反应,提高了介质碱度和硫酸盐的反应活性,改善了包裹层水化产物的结构,促进了粉煤灰活性激发[8]。

表10为粉煤灰掺量对不同龄期胶砂试块强度的影响。从试验结果中可以看出,当粉煤灰掺量小于30%时,粉煤灰掺量胶砂强度影响不大,未低于空白试块的20%;当继续增加粉煤灰掺量时,胶砂试块早期强度会出现明显的损失,强度损失率超过了25%,但同等掺量条件下的标准和后期强度仍然呈现较慢的降低趋势;当粉煤灰掺量为40%时,28d和90d强度分别降低了16.51%和17.31%,而当粉煤灰掺量为50%时,28d和90d强度仅分别降低了23.30%和20.45%。综合考虑粉煤灰掺入量和强度损失结果,该粉煤灰掺量应控制在40%左右。图6更直观的反映出粉煤灰掺量对胶砂试块强度降低的程度。

如表11所示,为粉煤灰球磨时间对胶砂强度的影响。从表中可以看出,粉煤灰球磨90min和120min后,胶砂试块各龄期强度值变化不大,说明球磨超过90min后,粉煤灰的细度对强度值改善不再明显,所以建议球磨时间为90min,过度球磨意义不大。

1.结论

本文主要使用机械球磨和化学激发剂的方法对新疆当地的一种粉煤灰进行增活。通过正交试验分析了球磨时间,激发剂种类,激发剂用量对该粉煤灰激活效果,并探究了该粉煤灰最优掺量范围,主要得到以下结论:

(1)增加球磨时间有助于提高粉煤灰的细度,降低粉煤灰中SiO2结晶峰的高度,从而增加了粉煤灰活性,但是需注意粉磨极限问题,最终确定该粉煤灰球磨时间为90min。

(2)正交试验分析结果显示,激发剂的用量应控制在3%,且Na2SO4的激发效果优于NaOH的激发效果。粉煤灰的掺量在40%时,对胶砂试块标准强度和后期强度损失率在15%左右。

参考文献

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[2]陈杨升. 矿物掺合料微细集料效应和形态效应的研究[D].华南理工大学,2011.

[3]金勇刚. 石灰石粉—粉煤灰—水泥胶凝材料性能的研究[D].中南大学,2011.

[4]宋小兰, 沈劲松, 王毅, 等. 几种助磨剂对氢氧化铝微粉形貌改性研究[J]. 科技展

望,2017,11:42-43.

[5]董维佳,覃理利. 矿渣微粉、粉煤灰微观分析比较研究[J]. 粉煤灰,2001,05:17-19.

[6]竺昌海,刘望生,吕正雄,等. 碳化硅粉的球磨整形研究[J]. 四川建材,2017,02:43-45.

[7]Ferna’ndez-Jime’nez A, Palomo A, Criado M. [J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35:

1984-1992.

[8]黄士元,李志华,程吉平.粉煤灰-Ca(OH)2-H2O系统中的反应动力学[J]. 硅酸盐学报.

1986(02)

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