粉煤灰脱硫石膏复合胶凝材料的配合比与水化

作者：山西嬴信科技有限公司发布日期：2021-03-31浏览次数：47

摘要：在活性激发剂作用下，将粉煤灰、脱硫石膏和水泥混合，制备成一种新型的复合胶凝材料，然后在优选试验基础上确定了复合胶凝材料的基本配合比．研究了典型配合比粉煤灰－脱硫石膏－水泥净浆在复合激发剂作用下的水化过程，结果表明：粉煤灰早期火山灰活性显著提高；脱硫石膏除自身析晶、具有一定的增强效应外，还是粉煤灰火山灰活性理想的硫酸盐激发剂．粉煤灰３ｄ即开始明显水化，脱硫石膏对粉煤灰水化活性激发效果明显．

关键词：粉煤灰；脱硫石膏；硫酸盐激发；水化过程

粉煤灰用于制造水泥、混凝土填料及墙体材料等，取得了很好的技术与经济效果．然而，一般而言，粉煤灰掺量越大，水泥或混凝土的早期强度越低，这与粉煤灰的早期水化活性不足有直接关系．为此研究者们纷纷致力于研究粉煤灰水化活性的激发及其对水泥、混凝土早期强度、变形性能、抗裂性能等的影响．脱硫石膏ＣａＳＯ４含量较高，是粉煤灰火山灰活性理想的硫酸盐激发剂．脱硫石膏与粉煤灰、水泥优化复合，可产生交互水化作用，形成理想的三元胶凝材料体系．

在水泥中按一定比例混合双掺粉煤灰和脱硫石膏，同时辅加适量的活性激发剂，即可不经任何粉磨、烘干工序，成为一种新型的复合胶凝材料．本文在试验基础上确定了砂浆和混凝土中各胶凝组分的配合比，研究了粉煤灰－脱硫石膏－水泥净浆的水化过程．

１原材料

粉煤灰：平顶山姚孟电厂湿排粉煤灰（简写为ＷＦＡ），其比表面积为３３５ｍ２／ｋｇ，需水量比１）为９８％，烧失量为２．３１％，含水量为３４．１％；低品质粉煤灰（简写为ＬＦＡ），其比表面积为２９０ｍ２／ｋｇ，需水量比为１０３％，烧失量为３．０４％．粉煤灰化学组成见表１．

脱硫石膏（以下简称为ＦＧＤ）：平顶山姚孟电厂劣质石膏，其外观呈灰黄色粉状，主要成分为ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ，附着水量９．８９％，化学组成见表２．

水泥：湖南牛力水泥厂４２．５普通硅酸盐水泥，其化学组成见表３．该水泥３ｄ和２８ｄ实测抗折强度分别为６．０ＭＰａ和９．１ＭＰａ，实测抗压强度分别为２３．７ＭＰａ和５２．７ＭＰａ．

活性激发剂：ＣＡ，以市售硫酸盐、氯盐以及碱类材料按比例复配而成；生石灰（ＣａＯ），市售．减水剂：萘系高效减水剂，市售．

砂：ＩＳＯ标准砂．

２胶凝组分基本配合比

２．１砂浆

为降低水泥用量，砂浆中胶凝组分以粉煤灰和脱硫石膏为主，其中粉煤灰采用技术品质达不到ＧＢ／Ｔ１５９６—２００５《用于水泥与混凝土中的粉煤灰》所规定的Ⅰ，Ⅱ级粉煤灰标准的低品质粉煤灰（ＬＦＡ）．胶砂试件中胶凝组分掺量见表４．

图１为灰膏比（ｍ（ＬＦＡ）︰ｍ（ＦＧＤ））对胶砂试件强度的影响．

由图１可见：当ｍ（ＬＦＡ）︰ｍ（ＦＧＤ）由１︰１上升至３︰２时，胶砂试件抗折和抗压强度均随之上升；此后，随着灰膏比进一步上升，胶砂试件抗折和抗压强度则不断减小，即胶砂试件在ｍｍ（Ｌ（ＦＦＡＧ）Ｄ︰　）为　３　︰２　时出现强度峰值．上述表明，当水泥用量为１５．０％时，灰膏比佳比例为３︰２．保持ｍ（ＬＦＡ）︰ｍ（ＦＧＤ）为３︰２不变，测试水泥掺量对胶砂试件强度的影响，结果见图２．

由图２可知：（１）当水泥掺量从１０％增加到２０％时，胶砂试件抗折和抗压强度均随之提高．（２）相比未掺水泥胶砂试件，掺水泥胶砂试件７ｄ抗折强度增加１～４倍，２８ｄ抗折强度增加１～７倍．（３）相比未掺水泥胶砂试件，当水泥掺量为１０％时，胶砂试件７ｄ抗压强度增加４～５倍，２８ｄ抗压强度增加２～３倍；当水泥掺量为１５％时，胶砂试件７ｄ抗压强度增加５倍以上，２８ｄ抗压强度增加５～６倍；当水泥掺量为２０％时，胶砂试件７ｄ抗压强度增至１８倍左右，２８ｄ抗压强度则增加６倍以上．

上述结果表明，水泥掺量是决定胶砂试件强度的关键因素．基于砂浆强度要求和大限度降低材料成本、提高利废率考虑，笔者确定砂浆中胶凝组分的基本配合比为：ｍ（ＬＦＡ）︰ｍ（ＦＧＤ）＝３︰２，水泥掺量１５％．若采用品质相对较好的粉煤灰，水泥掺量可适当减少．

在大掺量粉煤灰－脱硫石膏体系中掺入适量活性激发剂，将有利于激发粉煤灰水化活性，同时降低水泥掺量、节约成本．

活性激发剂对胶砂试件强度的影响见图３．

由图３可知，外掺１．５％ＣＡ后，胶砂试件强度显著提高，其中３，７，２８，６０ｄ抗折强度分别增加３１．３％，２１．４％，９．０％和１１．４％，抗压强度相应提高７８．１％，５８．９％，１７．４％和６．７％．同时外掺１．５％ＣＡ和５．０％ＣａＯ，胶砂试件强度（尤其是早期强度）将进一步提高．这是因为掺加活性激发剂ＣａＯ后，灰膏体系液相介质中ＯＨ－浓度增加，从而促进粉煤灰中Ｓｉ—Ｏ键断裂，并尽早参与水化反应的缘故．然而ＣａＯ掺量过多，将极易出现泛霜现象．根据文献的试验结果，ＣａＯ掺量以５．０％为宜．

２．２混凝土

粉煤灰采用品质相对较好、未烘干的湿排粉煤灰（ＷＦＡ）．控制水固比，将湿排粉煤灰、脱硫石膏、水泥以及活性激发剂按比例混合均匀，再加入砂石、高效减水剂，制备Ｃ２５～Ｃ５０混凝土．胶砂试件配合比与抗压强度见表５．

由表５可见，相对纯水泥胶砂试件，掺ＷＦＡ＋ＦＧＤ胶砂试件早期抗压强度均呈现出不同程度的降低，这归因于早期水化体系中水泥用量的减少．随着龄期的发展，胶砂试件抗压强度逐渐增加，有的甚至超过纯水泥胶砂试件．当灰膏比（ｍ（ＷＦＡ）︰ｍ（ＦＧＤ））为２︰１，且ＷＦＡ＋ＦＧＤ等量取代水泥３０％时，胶砂试件早期强度下降相对较少，２８，６０ｄ抗压强度达到５２．３，６０．１ＭＰａ，超过纯水泥胶砂试件．基于中等强度混凝土力学性能要求和提高利废率考虑，混凝土适宜配合比为：ＷＦＡ＋ＦＧＤ等量取代水泥３０％，ｍ（ＷＦＡ）︰ｍ（ＦＧＤ）为２︰１，水胶比０．３６，且外掺ＣａＯ　５．０％和ＣＡ　１．５％．值得强调的是，ＷＦＡ＋ＦＧＤ在水胶比条件下早期活性，粉煤灰－脱硫石膏－水泥三元胶凝材料体系强度发展更理想，可适当放宽ＷＦＡ＋ＦＧＤ的掺量至４０％左右．

3结论

（１）采用过去难以利用的低品质粉煤灰和脱硫石膏制备建筑砂浆，配合比为：ｍ（ＬＦＡ）︰ｍ（ＦＧＤ）＝３︰２，ＬＦＡ＋ＦＧＤ总掺量８５％，水泥掺量１５％；采用湿排粉煤灰和脱硫石膏制备Ｃ２５～Ｃ５０混凝土，配合比为：ＷＦＡ＋ＦＧＤ等量取代水泥３０％，ｍ（ＷＦＡ）︰ｍ（ＦＧＤ）＝２︰１，水胶比０．３６，且外掺ＣａＯ５．０％和ＣＡ１．５％．

（２）粉煤灰－脱硫石膏－水泥净浆在复合激发剂作用下，粉煤灰早期火山灰活性显著提高；脱硫石膏除自身析晶、具有一定的增强效应外，还是粉煤灰火山灰活性理想的硫酸盐激发剂．粉煤灰３ｄ即开始明显水化，脱硫石膏对粉煤灰水化活性激发效果明显．

关键词：

粉煤灰-石灰-硫酸盐系统

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