低品位粉煤灰在水泥基材料中应用的改善方法研究

陈蔚

（呼和浩特职业学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

粉煤灰具有活性效应、形态效应和微集料效应，对混凝土的性能有改善作用[1-2]，因此，粉煤灰成为当前高性能混凝土的首选掺合料。但随着优质煤资源供应紧缺，灰分多的低品位煤用量增多，低品位粉煤灰产量更多[3]。由于低品位粉煤灰中含碳量高，活性组分相对较少，并且疏松多孔的碳粒使粉煤灰用作水泥基材料时需水量增大，早期强度低，强度发展缓慢，限制了低品位粉煤灰在建材领域的消纳。因此，如何激发低品位粉煤灰活性，降低低品位粉煤灰需水量，提高其在水泥基材料或混凝土中的掺量，是目前低品位粉煤灰建材资源化利用的一个有效途径。一些学者研究认为[4]，可以通过机械粉磨、化学激发和增钙改性等方法提高低品位粉煤灰活性。粉煤灰细度增大，可供发生水化反应的活性表面增多，产生更多的水化产物，提高水泥基材料的强度[7]；掺入钢渣、石灰石粉、石膏等材料对低品位粉煤灰性能进行改善，提高低品位粉煤灰的掺量[5-7]。

本文通过胶砂性能试验，改变低品位粉煤灰细度，掺入钢渣及石灰石粉，对低品位粉煤灰的性能进行改善，对低品位粉煤灰用作水泥基材料的掺合料具有参考意义。

1 试验

1.1 原材料

水泥：拉法基P·O42.5水泥，密度3.11 g/cm3，比表面积367 m2/kg；低品位粉煤灰：烧失量为9.59%，来自河南；钢渣：河南产；石灰石粉：市售；砂：标准砂；水：自来水。原材料的主要化学成分见表1。

表1 原材料的主要化学成分 %

1.2 低品位粉煤灰的改性方法

（1）通过控制粉磨时间，得到细度分别为304、423、495m2/kg的低品位粉煤灰，对其活性进行改性，提高低品位粉煤灰在水泥基材料中的早期强度。

（2）采用钢渣与低品位粉煤灰复掺，对低品位粉煤灰活性及需水量进行改善，并得出最佳复掺配合比。

（3）采用石灰石粉与低品位粉煤灰复掺，对低品位粉煤灰需水量进行改善，并得出最佳复掺配合比。

1.3 试验配合比

根据GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定的配合比，水泥450 g、砂1350 g、水225 g。低品位粉煤灰分别采用单掺、与钢渣复掺、与石灰石粉复掺方式取代不同质量的水泥。低品位粉煤灰、钢渣和石灰石粉总体取代水泥比例分别为20%、30%、40%、50%；采用钢渣与低品位粉煤灰复掺时，钢渣和低品位粉煤灰质量比分别为 1∶4、2∶3、3∶2；采用石灰石粉与低品位粉煤灰复掺时，石灰石粉和低品位粉煤灰质量比分别为 1∶4、2∶3、3∶2。

1.4 测试方法

（1）砂浆制备：按照砂浆的配合比，将称量好的不同配比的胶凝材料加入搅拌锅内，然后加入水，按照GB/T 17671—1999的相关要求进行搅拌。

（2）扩展度测试：按照砂浆的配合比设计及制备方法拌合好所需砂浆，根据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试新拌胶砂的扩展度。

（3）胶砂强度测试：按照砂浆的配合比设计及制备方法拌合好所需砂浆，按照GB/T 17671—1999中的相关要求成型、拆模、养护，测试3 d、28 d抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰细度对水泥基材料性能的影响

通过机械粉磨低品位粉煤灰，提高低品位粉煤灰的细度，增加了玻璃相的比表面积。同时，原来被包裹在粗颗粒里的小颗粒也被暴露出来，内部具有活性的SiO2和 Al2O3释放出来，促使其水化活性及早发挥。粉煤灰细度及掺量对新拌砂浆扩展度及胶砂抗压强度的影响见表2。

表2 粉煤灰细度和掺量对水泥基材料性能的影响

由表2可知：

（1）随着低品位粉煤灰掺量的增加，砂浆扩展度逐渐降低；随着低品位粉煤灰细度的增大，砂浆扩展度逐渐增大。低品位粉煤灰细度为495 m2/kg时，即使单掺40%的扩展度也比细度为304 m2/kg单掺20%的高，说明磨细之后的低品位粉煤灰的需水量变小，这是由于磨细过程中碳粒发生变化以及磨细之后的粉煤灰呈现出“滚珠效应”，降低了需水量。不掺粉煤灰时砂浆扩展度为210 mm，当粉煤灰磨细度为495 m2/kg、单掺20%时，在需水量上基本可与空白组相当。

（2）不掺低品位粉煤灰的空白组胶砂28d抗压强度为46.5 MPa。3种细度下的低品位粉煤灰单掺20%时强度和空白组相差较小，然而当低品位粉煤灰掺量增加到50%时，无论细度变化如何，胶砂强度几乎都较空白组明显降低。3种细度的低品位粉煤灰28 d活性指数分别为72.01%、78.32%、84.44%，随着细度的增大粉煤灰活性逐渐提高，但火山灰活性仍然没有完全激发，二次水化反应不充分。

因此，磨细低品位粉煤灰可以改善低品位粉煤灰需水量高的问题，低品位粉煤灰细度在495 m2/kg、单掺20%时需水量基本可与空白组相当，胶砂扩展度为205 mm；磨细低品位粉煤灰可以适当提高其活性，细度为495 m2/kg时，28 d活性指数为84.44%。

2.2 钢渣-粉煤灰复掺对水泥基材料性能的影响

低品位粉煤灰用在水泥基材料中时，不仅需要提高强度，还要降低需水量。钢渣因为较低需水量或基本不需水这一特点，与低品位粉煤灰复合作为胶凝材料，不仅能改善体系需水量大的问题[8-9]，钢渣中的CaO含量高，其水化生成Ca（OH）2，可以激发粉煤灰的火山灰活性。同时Ca（OH）2对硅酸钙、铝酸钙产物有催化作用，弥补粉煤灰中的CaO含量低的不足，而粉煤灰中的SiO2和Al2O3含量相对较多，对钢渣的水化也起到了促进的作用。采用钢渣与低品位粉煤灰复掺，低品位粉煤灰细度均为423 m2/kg，复掺取代水泥质量分别为30%、40%、50%，钢渣和低品位粉煤灰质量比（钢粉比）分别为1∶4、2∶3、3∶2，钢渣-粉煤灰复掺对水泥基材料性能的影响见表 3。

表3 钢渣-粉煤灰复掺对水泥基材料性能的影响

由表3可知：

（1）钢渣占比越高，水泥基材料的扩展度越大，即使水泥量仅为50%时，对体系需水量也能大大改善，胶砂扩展度能从160 mm增大到201 mm。但是当钢粉比高于2∶3时，水泥材料扩展度变化较小，钢粉比3∶2扩展度仅比钢粉比2∶3时提高4~6 mm。

（2）适量的钢渣不仅能够提高体系的早期抗压强度，对体系28 d抗压强度也有改善，但是由于钢渣中含有游离MgO和CaO，当钢粉比较高或者复掺掺量过大时，水泥基材料的28 d抗压强度下降。

钢渣能改善低品位粉煤灰在水泥基材料中需水量高的问题，提高体系的早期强度，但应该控制钢渣掺量，钢粉比不宜大于2∶3。当水泥掺量为70%、低品位粉煤灰18%、钢渣12%时，胶砂扩展度能达到201 mm，28 d抗压强度为40.1 MPa。

2.3 石灰石粉-粉煤灰复掺对水泥基材料性能的影响

石灰石粉因为在混凝土中具有良好的减水和填充效应而受到关注和应用。陆平和陆树标[10]研究发现，在水泥水化过程中，石灰石粉颗粒对Ca2+有着吸附作用，从而降低了C3S周围因水化释放的Ca2+，影响了化学反应平衡，加速了C3S的水化反应。胡曙光等[11]研究发现，石灰石粉掺量越多，水泥标准稠度用水量越小，石灰石粉对水泥的凝结时间无影响。Mustafa Sahmaran等[12]认为，虽然石灰石粉颗粒形状不如粉煤灰规则，但它增加了比表面积，对浆体的自由水有一定的吸附功能，掺有石灰石粉的混凝土保水性得到了提高，不易产生离析、泌水。因此，将石灰石粉与粉煤灰复合作为复合胶凝材料，按一定的比例配合，不仅能够充分发挥其潜在的胶凝性能，使水化速率进一步提高[13]，还可以降低低品位粉煤灰的需水量。试验中，采用石灰石粉与低品位粉煤灰复掺，改善低品位粉煤灰在水泥基材料中需水量高，以及避免由于掺入钢渣导致的后期强度低等问题。其中低品位粉煤灰细度均为423 m2/kg，复掺取代水泥质量分别为30%、40%、50%，石灰石粉和低品位粉煤灰质量比（石粉比）分别为 1∶4、2∶3、3∶2，石灰石粉-粉煤灰复掺对水泥基材料性能的影响见表4。

表4 石灰石粉-粉煤灰复掺对水泥基材料性能的影响

由表4可知：

（1）随石粉比的增加，水泥基材料的扩展度逐渐增大。水泥掺量为 60%时，石粉比为 0、1∶4、2∶3 和 3∶2 的胶砂扩展度分别为179、185、189、190 mm。这是因为，石灰石粉有较好的分散作用，在拌制中能均匀分散于水泥颗粒及低品位粉煤灰中，释放了颗粒之间包裹的自由水，起到分散剂的作用；石灰石粉有填充作用，填充于粉煤灰及水泥的间隙中，能够形成连续级配的颗粒堆体系模型，但对水泥基材料的强度贡献不大。

（2）水泥掺量相同时，石灰石粉对胶砂3 d抗压强度影响不大，但28 d抗压强度随石灰石粉掺量的增加有所提高。水泥掺量为 60%时，石粉比为 0、1∶4、2∶3 和 3∶2 的胶砂 3 d 抗压强度分别为 15.0、15.4、16.8、15.9 MPa；28 d 抗压强度分别为33.2、33.7、34.9、36.0 MPa。后期强度升高主要原因是低品位粉煤灰的二次水化作用。

石灰石粉与低品位粉煤灰复掺可以较好地改善低品位粉煤灰需水量高的问题，而且不影响水泥基材料的后期强度，有利于低品位粉煤灰发挥二次水化作用。

3 结语

低品位粉煤灰需水量大，在水泥基材料中掺量有限，本文通过磨细低品位粉煤灰、复掺钢渣、复掺石灰石粉对低品位粉煤灰性能进行改善，增大低品位粉煤灰在水泥基材料中的掺量。

（1）磨细低品位粉煤灰可以改善低品位粉煤灰需水量高的问题，随着低品位粉煤灰细度的增大，水泥基材料的扩展度不同程度的增大。低品位粉煤灰细度为495m2/kg、单掺20%时需水量基本可与空白组相当，扩展度为205 mm；磨细之后的低品位粉煤灰呈现了“滚珠效应”，降低了需水量，而且磨细粉煤灰可以适当提高低品位粉煤灰的活性，细度为495 m2/kg时，28 d活性指数为84.44%。

（2）钢渣能有效改善体系的需水量，掺入钢渣能够提高体系的早期强度，但钢渣含有较多的MgO和CaO，因此掺量不宜过高，钢粉比应小于2∶3，当水泥掺量为70%、低品位粉煤灰18%、钢渣12%时，扩展度能达到201 mm，胶砂28 d抗压强度为40.1 MPa。

（3）石灰石粉不仅可以改善体系的需水量，还可以填充于水泥及粉煤灰缝隙中，形成连续级配的颗粒堆体系模型，有利于粉煤灰更好地发挥二次水化反应。水泥掺量为70%、低品位粉煤灰18%、石灰石粉12%时，扩展度为201 mm，胶砂28 d抗压强度达到42.7 MPa。