固体碱激发制备碱矿渣高钙粉煤灰水泥的研究

固体碱激发制备碱-矿渣-高钙粉煤灰水泥的研究Prepa ra t ion of A lka l i- Sla g- H igh L im e F ly A sh Cem en t Exc ited by So l id A lka l i马保国( 武汉理工大学朱平华430070) ( 湖北双环科技股份有限公司)黄立付( 武汉理工大学)摘 要 研究了采用固体碱激发制备碱- 矿渣- 高钙粉煤灰水泥的方法途径。 结果表明: 在碱激发剂最佳掺量条件下, 调整矿渣与高钙粉煤灰的配比, 可制备出 325 号 525 号的碱- 矿渣- 高钙粉煤灰水泥。该水泥生产成本低、性能优良, 是一种具有发展前景的绿色环保节能建材。关键词 碱激发 高钙粉煤灰 矿渣中图分类号: TQ 172: X 705前言文献标识码: A用, 其活性组分 S iO 2 + A l2O 3 + F e2O 3 = 68. 26% , 活性较高。矿渣取自武汉钢铁公司, 为水淬粒化高炉矿渣,化学成分见表 2。高钙粉煤灰是火力发电厂采用褐煤、次烟煤作为动力燃料而排放出来的。 由于其含有较高的 f2C aO ,将其作为水泥混合材料或混凝土掺合材料有可能会 带来水泥或混凝土体积稳定性不良等后果, 加上人们对高钙粉煤灰的认识没有低钙灰那样充分, 因而至今仍未能得到很好的应用。 高钙粉煤灰的大量堆积, 已 造成了严重的环境污染。目前制备碱激发水泥常常采用液体碱 (如水玻璃等) 作为碱性激发剂, 但同时具有以下缺点: ( 1) 不能 直接生产出碱激发类水泥, 只能生产碱激发水泥混凝土, 使用十分不便。 (2) 凝结时间难以控制, 缓凝问题有待进一步研究。用固体碱激发制备碱- 矿渣- 高钙粉煤灰水泥, 从实验中寻找高钙粉煤灰与矿渣的匹配关系, 确定固 体碱激发剂的最佳掺量范围, 从而最大程度地提高高 钙粉煤灰的利用率, 同时又使该种新型水泥具有生产 成本低、性能优良、能满足工业化生产要求的优势, 其 巨大的经济效益与社会效益不言而喻。1原材料与实险1. 1原材料高 钙粉煤灰渣 (H C FA ) 取自湖北双环科技股份 有限公司热电厂, 其化学成份见表 1。表 2矿渣的化学成分化学成份 C aOS iO 2A l2O 3 F e2O 3 T iO 2 M gO M nO 2 IL T o ta l%34. 9134. 09 11. 83 1. 660. 58 7. 40 0. 27 1. 10 91. 86C aO + M gO =碱度系数: M o =0. 92 1. 0S iO 2 + M nO 2 + T iO 2A l2O 3活度系数: M n = S iO 2 = 0. 347在前期探索实验的基础上, 本研究采用了 N aO HnN a2CO 3 系列的固体碱激发剂。-1. 2实验方法实验时, 先将高钙粉煤灰与矿渣分别置于 105 的烘箱中烘干 24h 与 2h , 各称 6k g 原料倒入 500900mm 实 验 球 磨 机 内 进 行 粉 磨 90m in , 再 用 0.080mm 方孔筛筛分。 以上实验的目的旨在通过机械激发, 增大高钙粉煤灰与矿渣的比表面积, 提高其活性。水泥标准稠度用水量、凝结时间按 GB 1346- 89标准进行实验, 水泥胶砂强度按 GB 177 - 92 标准进 行实验, 水泥的净浆强度采用 20 20 20mm 立方体试模成型, 在温度为 (202) , 湿度90% 的湿气养护箱内养护 24h 后脱模, 置于温度 (202) , 湿度70% 的养护室内养护至规定龄期, 用 10 t 试验机测表 1高钙粉煤灰的化学成分化学成份 S iO 2F e2O 3 A l2O 3T iO 2 C aO M gOSO 3 IL T o ta l% 38. 404. 51 25. 450. 78 26. 49 3. 30 0. 13 0. 15 99. 11从化学成分上看, 高钙粉煤灰的烧失量很小, 基本可以忽略不计, 这有利于其在胶结材中的推广应4COAL A SH CH IN A42001定其强度。2实验结果及分析2. 1高钙粉煤灰掺量对碱矿渣高钙粉煤灰水泥 强度的影响本项目研究的目的就是要开辟一条有效利用高 钙粉煤灰的新途径。实验中让高钙粉煤灰在水泥中的比例在 0 100% 的范围内变化, 得出了最佳配比。有 关数据见表 3。表 3 高钙粉煤灰掺量对抗压强度的影响2. 2固体碱激发剂掺量对碱- 矿渣- 高钙粉煤灰水泥强度的影响先将市售 N a2CO 3 研磨加工, 用 0. 080mm孔筛筛分, 取筛下物与 N aO H 按一定比例加入。有关数据见表 4。表 4N aO H - nN a2CO 3 掺量对抗压强度的影响N aO H 2nN a2CO 3 掺量抗压强度 (M P a)编号 ( % ) 3d 7d 28d H -H - H - H -01234681032. 2345. 4334. 2038. 2743. 8448. 3050. 2942. 5846. 5056. 0153. 1051. 62抗压强度 (M P a)编号高钙灰掺量 (% )3d7d28dD -D - D - D - D -0123402040608034. 1033. 9423. 6115. 786. 4249. 6047. 6938. 5327. 4911. 3662. 3658. 9638. 5832. 3119. 97 H - 4 12 34. 94 41. 23 50. 98 D - 5 100 3. 09 6. 01 10. 92 (N aO H - nN a2CO 3 掺量为 6% , 下同)图 2 N aO H 2nN a2CO 3 掺量对抗压强度的影响由表 4 及图 2 可以得出如下结论:( 1)龄期不同, 不同 N aO H - nN a2CO 3 掺量对抗压强度的影响强度峰值也不同, 3d 和 7d 强度峰值出现在 8% 附近, 而 28d 强度峰值出现在 6% 附近。究 其原因, 是由于“浓度效应”起的。当掺量低于 8% 时,随着 N aO H - nN a2CO 3 掺量的增大, O H 2离子的浓度 逐渐增大, 水化反应速度加快, 强度随之上升, 但是,当掺量超过 8% 时, O H 2离子浓度太高, 在矿渣与粉煤 灰物料颗粒表面快速激发反应产生的水化产物形成一层保护膜, 阻止反应的进一步进行, 所以后期强度跟不上来。 当掺量为 8% 时, 这种效应要经过较长的 时间才能显示出来, 所以 28d 强度的峰值出现在 6%的点上。图 1 高钙粉煤灰掺量对抗压强度的影响由表 3 可知:( 1)高钙粉煤灰在掺加 20% 时, 水泥 3d 强度比纯矿渣的低 0. 47% , 28d 强度低 5. 45% , 这说明高钙粉煤灰和矿渣之间有匹配关系。( 2)高钙粉煤灰最优掺量范围较大: 高钙粉煤灰 的 含 量 从 40% 上 升 到 60% 时, 3d 强 度 从 23.61M P a 下降到 15. 78M P a, 28d 强度从 38. 58M P a 下 降到 32. 3M P a。这说明高钙粉煤灰掺量不断增大时,会显著影响水泥强度。 当高钙粉煤灰的含量达 60%时, 从图 1 可以看出, 此时出现了转折性的突变, 强度 下 降 得 非 常 快。 3d 强 度 从 15. 78M P a 下 降 到 6.42M P a, 再下降到 3. 09M P a, 28d 强 度 从 32. 31M P a下降到 19. 97M P a, 进而降到 10. 92M P a。 这说明, 在 配制低标号水泥时, 高钙粉煤灰的掺量采用 60% 比较合适, 配制高标号水泥时, 则控制在 20% 左右。 因此, 高钙粉煤灰的最优掺量范围为 20% 60% 。(2)N aO H 2nN a2CO 3 的适宜掺量范围为 4%8% , 最佳掺量为 6% 。掺加 6% 的激发剂, 一方面可以使 28d 强度达到最大, 另一方面也可以降低成本。2. 3高钙粉煤灰掺量对碱矿渣高钙粉煤灰水泥 凝结时间、标准稠度用水量的影响高钙粉煤灰掺量对碱矿渣高钙粉煤灰水泥 凝结时间、标准稠度用水量的影响数据见表 5。42001粉煤灰5表 5 高钙粉煤灰掺量对标准稠度用水量、凝结时间的影响由以上结果可知, 在高钙粉煤灰掺量为 20%30% 时, 水 泥 的 初 凝、终 凝 时 间 更 合 理。 掺 20%30% 的高钙粉煤灰后, 碱- 矿渣- 高钙粉煤灰水泥的 表面泛霜及疏松现象已基本消除, 其原因主要是由于 粉煤灰的掺入改善了水泥的泌水性能, 从而使水泥表 面的强度和试块内部一样得到发展。凝结时间高钙灰掺量 标准稠度编号初凝(h m in )终凝(h m in )(% )用水量 (% )T -T - T - T - T -0123402030405025. 9326. 1226. 4728. 3128. 36056156208301515137327252511751 T - 5 60 29. 65 610 853 2. 4碱矿渣高钙粉煤灰水泥强度实验表 6水泥强度实验结果高钙灰掺量抗折强度 (M P a)抗压强度 (M P a)编号 ( % ) 3d 7d 28d 3d 7d 28d C -C - C - C - C -1234520304050608. 318. 046. 966. 786. 139. 479. 138. 938. 628. 4110. 8310. 079. 719. 218. 9940. 1138. 7835. 3332. 1729. 3850. 3849. 1246. 3140. 0838. 1659. 7356. 3851. 3745. 4341. 35由表 6 可见, 在高钙粉煤灰的最佳掺量范围内,碱矿渣高钙粉煤灰水泥的强度可达到 325 号525 号标准。2. 5碱矿渣高钙粉煤灰水泥水化机理 从水化 历 程 看, 碱矿 渣高 钙 粉 煤 灰 水 泥 在N aO H - nN a2CO 3 的作用下, 水化过程可分为四个阶 段:( 1)N a2CO 3 及 N aO H 的水解, 释放 出 O H 2离 子;元t, 比普通水泥的成本要 低 30% 40% , 另 外, 生产这种水泥能变废为宝, 减少环境污染, 生产工艺简 单, 只需球磨机等主要设备。4 结语 高钙粉煤灰与矿渣之间具有匹配关系, 高钙粉煤 灰的最优掺量范围为 20% 60% 。 固体碱激发剂 N aO H - nN a2 S iO 3 的适宜掺量范 围为 4% 8% , 最佳掺量为 6% 。 在固体碱激发剂的最佳掺量下, 调整矿渣与高钙 粉煤灰的配比, 可制备 325 号 525 号的碱矿渣 高钙粉煤水泥。该种水泥性能优良, 成本低, 能满足工业化大生产的要求, 是一种十分理想的、具有发展前 景的环保节能建材。参考文献(2)矿渣与粉煤灰表面结构解体;溶液中 O H 2离子穿透矿渣、粉煤灰颗粒的表面,进 入 玻 璃 体 内 孔 穴, 与 C a2+ 离 子 作 用, 使 玻 璃 体 解 体, 游离出 C a2+ 和 S iO 4 4- 离子。(3)C - S- H 的形成由于 C a2+ 扩散速度较大, 较快进入溶液中, 并与 缓慢释放的活性 S iO 4 4- 发生反应, 生成了低碱度的 C- S- H 凝胶并胶连成网形成结构强度。1吴中伟. 绿色高性能混凝土与科技创新. 建筑材料学报,1998, 1 (1) : 1- 7吴其胜, 李玉寿等 固体碱激发制备 525 号矿渣水泥的研 究。 新世纪水泥导报, 2000 (5)杨力远, 杨久俊, 管宗莆 高掺量粉煤灰矿渣水泥的研究 新 型建筑材料, 1999 (11) 14- 16潘群雄, 张长森 影响碱- 粉煤灰- 矿渣基胶凝材料性能 因素的探讨. 水泥工程, 1999 (2)杨立信, 国外碱性粉煤灰胶凝材料的研究, 粉煤灰综合利 用, 1996