礦物超細粉的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與前景
2005-07-14 00:00
摘 要：綜合分析和評述了粉煤灰、礦渣、硅灰對混凝土的工作性、耐久性和強度的影響及在高性能混凝土中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀；重點分析了復摻粉煤灰和礦渣超細粉在配制高性能混凝土中的重要作用；對粉煤灰和礦渣超細粉在高性能混凝土中的應(yīng)用提出了幾點看法。
水泥和混凝土是目前最主要的建筑材料。我國水泥產(chǎn)量1980 年為0. 8 億t，2002 年已超過7 億t，估計到2010 年水泥產(chǎn)量將達到12 億t [1 ] 。生產(chǎn)水泥要耗費大量能源，且嚴重污染環(huán)境。如年產(chǎn)量5 億t 水泥，煤耗約8 400 萬t(標煤)，約占全國總能耗的6 %，而生產(chǎn)1 t 水泥熟料產(chǎn)生1 t CO2，其總量占全國CO2 總排放量的10 % [2 ] 。因此，水泥工業(yè)的改造勢在必行，而如何提高水泥利用率、開發(fā)水泥熟料替代產(chǎn)品以及盡量降低水泥熟料用量就成為一個重要研究課題，也是關(guān)系水泥和混凝土綠色化以及可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。目前，粉煤灰和水淬高爐礦渣等已成為水泥混凝土專家用來替代水泥的首選。
1 磨細粉煤灰
我們通常所指的粉煤灰是指燃煤電廠中磨細煤粉在鍋爐中燃燒后從煙道排出被收塵器收集的物質(zhì)。粉煤灰屬人工火山灰質(zhì)材料，用來做混凝土的摻和料不僅可以節(jié)約水泥，更重要的是改善了混凝土的性能。粉煤灰在混凝土中有三種效應(yīng)：形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)[3 ] 。
粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)是指粉煤灰粉料由其顆粒的外觀形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)和顆粒級配等物理性狀所產(chǎn)生的效應(yīng)。在粉煤灰中含有較多細小球形顆粒，摻入混凝土后能夠起到類似滾珠軸承的作用，從而起到減水作用。
粉煤灰的活性效應(yīng)是指混凝土中粉煤灰的活性成分所產(chǎn)生的化學效應(yīng)，即火山灰反應(yīng)。粉煤灰摻入水泥，其活性SiO2和Al 2O3 能分別與水泥水化過程析出的Ca(OH) 2 發(fā)生反應(yīng)，生成類似于水泥水化產(chǎn)物的低鈣型水化硅酸鈣凝膠體和水化鋁酸鈣，而表現(xiàn)出化學活性。
粉煤灰的微集料反應(yīng)是指粉煤灰中的微細顆粒均勻分布在水泥漿內(nèi)，填充孔隙和毛細孔，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)和增大密實度的特性。
在高性能混凝土中摻入粉煤灰，首先可從量上取代部分水泥，減少膠凝材料總量中水泥的用量，同時由于粉煤灰的二次反應(yīng)取決于水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2 的激發(fā)，水化速度遠遠低于水泥熟料，這種特性可以有效延緩拌和物的凝結(jié)速度和降低水化熱。另外，摻入混凝土中的粉煤灰能有效地提高混凝土的和易性能，同時粉煤灰固有的形態(tài)效應(yīng)也能有效改善水泥與外加劑的相容性。
粉煤灰可改善混凝土的某些性能，如降低水化熱、提高耐硫酸鹽侵蝕能力、抑制堿-集料反應(yīng)等等。但是，粉煤灰對混凝土的抗碳化性能和抗凍融能力卻有不良影響。
2 水淬礦渣超細粉
高爐礦渣是煉鐵高爐排出的熔融礦渣迅速水淬冷卻而成的。它疏松多孔，玻璃體含量在85 % 以上，玻璃體具有較高的自由焓，所以具有很高的反應(yīng)活性。在水泥和石灰等激發(fā)劑作用下，具有很高的膠凝性。
礦渣超細粉取代混凝土中的部分水泥后，可以降低混凝土單位用水量，提高混凝土的強度與耐久性。礦渣微粉作混凝土的摻和料，具有比粉煤灰更高的活性，而且品質(zhì)及均勻性更易保證摻入混凝土中不僅可以節(jié)約水泥，降低膠凝材料水化熱，而且可以改善混凝土的絕熱溫升，使混凝土的結(jié)構(gòu)更密實，提高抗?jié)B性及抗海水、酸及硫酸鹽等的化學侵蝕能力，具有抑制堿—集料反應(yīng)的效果等。
礦渣微粉的來源廣，價格適中，替代水泥量大，后期強度較高。但其易磨性較差，用現(xiàn)有水泥廠球磨機生產(chǎn)高比表面積礦渣微粉有一定難度，因而價格較粉煤灰貴。摻磨細礦渣對提高混凝土早期強度的效果優(yōu)于粉煤灰，細度越高，效果越佳，但成本也越高。
3 硅粉
硅粉是電爐法生產(chǎn)硅鐵合金所排放的煙道灰，SiO2含量大于90 %，平均粒徑為0. 1～0. 2μm，比表面積高達2 000 cm2/ g，借助摻入高效減水劑和強力攪拌作用，可以填充水泥或其他摻和料的間隙，并且具有很高的活性，在各種摻和料中對混凝土的增強作用最為顯著，是國際上制備超高強混凝土最通用的摻和料。但是，硅粉的水化作用快，不能降低混凝土水化熱，需水量也稍大，且極易飛揚，給運輸、拌和等操作帶來不便，同時價格又偏高。出于經(jīng)濟方面的考慮，一般混凝土強度等級低于C80 時，都不考慮摻用硅粉。
4 粉煤灰和礦渣雙摻
優(yōu)質(zhì)粉煤灰和礦渣超細粉在混凝土中使用有各自的優(yōu)缺點。相對而言，摻粉煤灰的混凝土早期性能比較差，混凝土的早期強度較低；而摻礦渣超細粉的混凝土早期強度較高，但礦渣超細粉的摻量較低時，起不到降低水化熱和溫升的作用，而且礦渣微粉的減水作用不如粉煤灰。若在混凝土中同時摻用粉煤灰和礦渣微粉，通過正交試驗達到礦渣與粉煤灰的最優(yōu)復合化，充分發(fā)揮各組分的超疊加效應(yīng)，比單摻粉煤灰或單摻礦渣微粉具有更好的效果。
4. 1 復合增強機理
混凝土中的水泥水化時產(chǎn)生相當數(shù)量的Ca(OH)2 晶體，由于Ca(OH)2具有可溶性，在硬化混凝土中Ca(OH)2的分布是極不均勻的，從骨料與膠結(jié)料之間的界面看，在界面過渡層的一定區(qū)域內(nèi)Ca(OH)2富集及定向排列，與其他部分的水泥石相比，是一種多孔質(zhì)的結(jié)構(gòu)，強度很低。礦渣和粉煤灰復合超細粉混凝土中，礦渣和粉煤灰的潛在火山灰活性得以發(fā)揮，可與混凝土中Ca(OH)2 反應(yīng)，生成對強度有貢獻的水化硅酸鈣凝膠(C-S-H) 。同時，形成致密的結(jié)構(gòu)，使混凝土強度和抗?jié)B性大幅度提高，從而使混凝土耐久性大大提高。
4. 2 改善水泥漿流變性能的作用機理
超細粉混合雙摻能改善水泥漿的流變性能，其作用機理主要是靜電斥力作用、粒形效應(yīng)和填充分散作用[4 ]：
(1) 靜電斥力作用: 混合材吸附高效減水劑，形成雙電層，在粒子之間產(chǎn)生分散斥力，混合材的表面電位高，產(chǎn)生的排斥力大，摻入水泥中有利于水泥的分散。
(2) 粒形效應(yīng): 混合材填充在水泥粒子之間，由于其表面光滑，降低了粒子之間的摩擦。
(3) 填充分散作用: 玻璃態(tài)材料填充于水泥粒子之間，使水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)和顆粒擴散使內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低黏度，同時原來絮凝結(jié)構(gòu)中的水被釋放出來，使?jié){液進一步稀化。另外，玻璃態(tài)混合材料填充于水泥顆粒之間，使?jié){液的體積增大，因而顯著增加了潤滑作用，改善了流變性。
粉煤灰球形度很好，具有良好的形態(tài)效應(yīng)。礦渣微粉球形度稍差于粉煤灰，但優(yōu)于水泥顆粒，復合礦渣微粉替代部分水泥摻入混凝土中，除了其“形態(tài)效應(yīng)”外，早期與水反應(yīng)較慢，可減少這部分水化反應(yīng)水，而且礦物微粉填充于水泥顆粒之間，亦減少了顆粒空隙用水，因而可提高拌和物的流動性。由于礦渣表面致密光滑，不容易吸附水分子，在漿體中容易產(chǎn)生光滑的滑動面，從而改善其流動性。但易引起泌水性增加，而粉煤灰則不易引起泌水，因而兩種材料復合能使泌水、離析現(xiàn)象得到改善，是性能上的優(yōu)勢互補。
當今，粉體工學迅速發(fā)展，已經(jīng)能開發(fā)出比表面積11 000 cm2/ g(平均粒徑3. 5μm) 、17 000 cm2/ g(平均粒徑2. 0μm) 、11 000 cm2/ g(平均粒徑1. 0μm) 左右的礦渣超細粉。因此，礦物超細粉的利用，應(yīng)該是今后發(fā)展的一個方向[5 ] 。
5 對應(yīng)用礦物超細粉的幾點看法
(1) 摻加礦物摻和料并使用高效減水劑的配制方案，是目前不改變傳統(tǒng)施工工藝的情況下配制高性能混凝土可行的路線。
(2) 活性礦物摻和料具有良好的火山灰活性，且資源豐富。利用工業(yè)廢料作混凝土摻和料有利于環(huán)保，又能夠節(jié)約水泥和能源，顯著降低了混凝土的配制成本。
(3) 硅灰對提高混凝土的強度非常有效，且和易性較好，拌和物內(nèi)部的剪應(yīng)力非常小，但不足的是硅灰的成本較高，施工時粉末易飛揚；粉煤灰和礦渣粉的價格較低，可以較高比例地等量替代水泥并提高混凝土的早期強度，但其后期強度發(fā)展偏緩，因而用于中、高強度的混凝土較為適宜。
(4) 礦渣與粉煤灰復摻時，水泥用量可以降到200 kg/ m3 左右，這對于配制大體積混凝土以及炎熱季節(jié)施工是非常有利的，但只能配制C45 以下的混凝土，對配制高強混凝土是不適宜的。從總體上講，復摻方案在混凝土的耐久性上要優(yōu)于單摻方案。
(5) 對于高性能混凝土，可以采用單摻硅灰、粉煤灰或礦渣微粉；對于大體積且有抗?jié)B等要求的混凝土(其檢驗齡期一般超過28 d)，可以單摻粉煤灰、礦渣微粉或復摻粉煤灰和礦渣微粉的方案；對于C40 左右的混凝土，可以采用復摻粉煤灰和礦渣微粉的方案，此時水泥用量可以降到200 kg/ m3 以下。
參考文獻：
[1] 崔源聲. 2002 年的中國水泥工業(yè)和未來展望[J ] . 新世紀水泥導報，2003，⑴:9.
[2] 王新友. 雙摻磨細礦渣與高鈣粉煤灰混凝土研究[J ] . 粉煤灰綜合利用，1999，(2) .
[3] 王愛勤. 建筑混凝土[ M] . 化學工業(yè)出版社，2001.
[4] 丁慶軍. 混合材對超細灌漿水泥流變性能的影響[J ] . 長江科學院院報，2002，(2) :253 .
[5] 馮乃謙，邢鋒. 高性能混凝土[ M] . 北京:原子能出版
社，2001.
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