预分散高活性硅灰浆体的试验研究

2024-02-20黎德聪何德灵卢玉婷李华彬莫晓红

广东建材 2024年2期

黎德聪何德灵卢玉婷李华彬莫晓红

（广西云鹰新材料科技有限公司）

硅灰，又称微硅粉，是由工业电炉高温熔炼工业硅和硅铁合金的过程中，随废气逸出的烟尘经特殊的捕集装置收集、过滤、沉淀处理而成。硅灰的主要成分为SiO2,其含量约占85%～95%。刚收集到的硅灰颗粒极细，其粒径约为0.03μm，比表面积为25m2/g～30m2/g[1]。硅灰中的SiO2为无定型结构，具有很高的火山灰活性，可以消耗Ca(OH)2，优化界面过渡区[2]，所以硅灰在高强混凝土、耐火材料、水泥砂浆、地坪、化工等多种领域中得到了广泛的应用。

由于硅灰的颗粒过细，密度极低，呈非常松散的堆积状态，使得原状硅灰的包装、运输都有很大的困难，使用中也存在易飘散，易团聚等问题。目前的处理方式是将原状硅灰进行加密处理：通过将压缩空气吹入加密罐中，使硅灰颗粒翻滚、碰撞、相互聚集吸附，形成较重的附聚物后被收集[1]。根据加密的程度，处理后的硅灰可分为半加密硅灰和全加密硅灰。常用的半加密硅灰由于加密程度低仍然具有密度低、易飘散、易团聚等问题。本文通过向硅灰与水的混合物中加入多种悬浮剂，探讨不同的悬浮剂对硅灰浆体和胶砂强度的影响，尝试将半加密硅灰与水混合成分散均匀、悬浮稳定、可泵送、高活性的硅灰浆体。

1 试验

1.1 原材料

本次实验需要制备高活性硅灰浆体，并测试其在水泥胶砂中的活性，因此需要以下原材料。半加密硅灰：广西云鹰新材料科技有限公司，含水率1.93%，烧失量2.02%，堆积密度307.21kg/m³；无机悬浮剂A；有机悬浮剂B；膨润土C；400mpa·s 羟丙基甲基纤维素醚D；P•O42.5 水泥：广西鱼峰水泥股份有限公司；聚羧酸高性能减水剂：普通自来水。

1.2 制备与测试方法

1.2.1 硅灰浆体制备方法

为便于计算与应用，将半加密硅灰与水按1:1 的比例放入搅拌锅中，按不同比例加入ABCD 四种悬浮剂，在3000r/min 的转速下搅拌5min，可得到试验用硅灰浆体。

1.2.2 测试指标和方法

试验将对硅灰浆体的悬浮稳定性、浆体粘度、活性指数三种性能进行测试。

悬浮稳定性：硅灰的悬浮稳定性参照静置液管法[3]，取静置后表层的硅灰浆体4g～5g，在105℃烘箱内烘至恒重，计算其固含量作为悬浮稳定性，根据浆体中硅灰与水的比例可知，理论固含量约等于50%，静置后的结果越接近这个数值，则说明悬浮稳定性越好。

浆体粘度：悬浮剂的加入，使得硅灰浆体具有触变性，将静置后的硅灰浆体充分搅拌剪切，用数显粘度计对其粘度进行测量，由于浆体的粘度不断变化，取测量开始1min的数值作为浆体粘度的参考。

活性指数：按GB/T 27690-2011《砂浆和混凝土用硅灰》附录B 活性指数试验方法进行试验，配合比为水泥405g+硅灰浆体90g（硅灰45g、水45g）+标准砂1350g+水180g，脱模后在65℃蒸养箱蒸养6d，在7d 龄期测试抗压强度，受检胶砂与基准胶砂的抗压强度比即硅灰浆体的活性指数。

1.3 试验设计

整体试验利用minitab 软件进行试验设计，分为两水平因子试验设计和响应曲面设计两部分进行。

1.3.1 两水平因子试验设计

使用minitab 的两水平因子试验设计，悬浮剂的掺量按占硅灰的比例，将各悬浮剂取最高/最低掺量进行1/2 试验，并加入三个中心试验。在密封静置14 天后，对浆体的悬浮稳定性和粘度进行测定，得到悬浮剂对浆体两项性能的影响。试验基础配比见表1。

表1 基础配比

1.3.2 响应曲面设计

根据两水平因子试验设计的结果，调整优化各悬浮剂的掺量范围。再使用响应曲面设计制备硅灰浆体并密封静置14 天，对浆体的悬浮稳定性、粘度、活性指数进行测试和回归分析，根据测试结果得到各悬浮剂的最优掺量。

2 结果与讨论

2.1 两水平因子试验结果分析

按照两水平因子试验设计制备十一组硅灰浆体并静置14 天后，测试其固含量和粘度，得到试验结果如表2。其中试验组K8、K9 的硅灰严重沉底，粘度近似于水。将表2中的试验结果固含量及粘度分别使用minitab进行分析，即可得到相应的主次图以及因子效应图。

表2 两水平因子试验结果

将固含量进行分析后得到图1。从图1左侧可以看出：ABCD 四种悬浮剂掺量的提高都会使静置后的浆体表层固含量提高，即ABCD 都有提高悬浮稳定性的作用。而图1 右侧则表示了各悬浮剂效用的显著与否，超过图中虚线则代表影响显著，因此能显著影响硅灰浆体悬浮稳定性的只有有机悬浮剂B、纤维素醚D 及BD 的交互效应。

图1 固含量因子效应图

对硅灰浆体的最小粘度进行分析得到图2。从图2可以明显看出，四种悬浮剂中，ABC 三种对于硅灰浆体的粘度影响不大，而纤维素醚D 的效应十分显著，随着纤维素醚D的掺入量提高，硅灰浆体粘度也大幅提高。

图2 粘度因子效应图

综合上述两个试验结果，有机悬浮剂B 具有较好的效果，它由羟烷基与粉体表面吸附，再通过空间位阻以及静电斥力两种效应使硅灰浆体均匀分散[4]，同时对粘度影响不大。纤维素醚D 则是通过亲水羟基和醚键结合外部游离的水分子，结合后极大提高了硅灰浆体的粘度，降低流动性，并以此提高悬浮稳定性，然而粘度过高会使得硅灰浆体的泵送和分散使用十分困难，且纤维素醚的引入会降低胶砂及混凝土的强度［5］，因此纤维素醚D在硅灰浆体中并不适用。无机悬浮剂A是通过在晶体不同位置形成正/负双电层，相互交联平衡，使浆体具有触变性能。膨润土C 主要成分蒙脱石会吸水膨胀形成胶体，带有相同的负电荷，结构中的羟基可以在静置下形成氢键，同样会使浆体具有触变性能[6]。A 和C 都会给浆体带来触变性，在静置时可以提高浆体的表观粘度，有利于浆体中颗粒悬浮的稳定，作为悬浮助剂有不错的效果。

2.2 响应曲面试验结果分析

根据两水平因子试验的结果，将具有良好效果的有机悬浮剂B掺量调整为0.25%～0.75%，效果不佳的纤维素醚D 不再掺入，膨润土C 掺量调整为0～0.06%，无机悬浮剂A掺量不变。按以上调整对ABC三因素进行响应曲面设计及试验，其结果如表3。

表3 响应曲面试验结果

由表3 可以看出，15 组样品的表层固含量均超过50%，这一方面说明优化后的各实验组悬浮稳定性良好，另一方面则是由于静置过程中浆体的水分蒸发导致固含量变高。由于各组硅灰浆体储存条件及时间一致，可假定水分蒸发量相近，故同样以固含量高作为悬浮稳定性好的表现。对固含量进行响应曲面分析，其结果如图3 所示。由图可知，有机悬浮剂B 提供了良好悬浮稳定性，但在其掺量0.25%与掺加到0.75%时的效果接近，增加掺量对悬浮稳定意义不大；此时A 和C 因它们带来的触变性能提供了显著的稳定作用，是良好的悬浮助剂，并在A掺量为0.5%，C掺量为0.03%时效果最佳。

图3 固含量响应曲面效应图

对15 组样品进行粘度测试。剔除了纤维素醚后，ABC 对粘度的影响变得明显。粘度最高的样品为R4，其粘度为4213mpa·s，远低于两水平因子试验中掺加了纤维素醚后的样品粘度。对浆体粘度进行响应曲面分析，其结果如图4。由图可知，无机悬浮剂A 对粘度的影响较小，触变性产生的粘度会随着剪切力减小；有机悬浮剂B 和膨润土C 作为显著因素，随着两者掺量的增加浆体粘度会有明显的提高。

图4 粘度响应曲面效应图

按前文所述测试方法将15 组样品制得胶砂与基准胶砂、掺10%硅灰的胶砂进行对比，其强度及活性系数如表4。硅灰粉体的胶砂活性指数为110.23%，在多组硅灰浆体中有半数以上能达到或高于这个活性。对活性指数进行响应曲面分析，其结果如图5。根据图5 可知，随着悬浮剂AB 及膨润土C 的掺量变化，会对浆体的活性指数产生一定影响。其中A和C由于具有一定的活性，在一定范围内随其掺量增加对浆体活性指数产生正面影响[6]，而B的少量掺入能促进水泥的水化，掺量增加则会使胶砂含气量增加[7]，对强度产生了负面影响。

图5 活性指数响应曲面效应图

表4 活性指数试验结果

综合响应曲面试验的结果，在本文限定的掺量范围内，当无机悬浮剂A 的掺量增加时，硅灰浆体的悬浮稳定性、活性指数上升，粘度小幅上升；有机悬浮剂B 在0.25%与0.75%的掺量时提供的悬浮稳定性接近，但在0.75%时会导致硅灰浆体粘度上升、活性下降；膨润土C的掺量增加会使粘度和活性指数上升，在0.03%时其提供的悬浮稳定性最佳。

响应曲面试验的多组样品其粘度均能满足泵送和使用的需要，因此可将浆体的悬浮稳定性和活性指数最大作为目标，A 选择最大掺量0.5%，B 选择最小掺量0.25%，C 为0.03%，即试验组R3，其表层固含量51.54%、粘度2034mpa·s、活性指数131.55%。因此本次试验预分散高活性硅灰浆体的最优配方：硅灰1000g，水1000g，无机悬浮剂A 掺量0.5%，有机悬浮剂B 掺量0.25 %，膨润土C掺量0.03%。