礦物超細(xì)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(píng)述了粉煤灰、礦渣、硅灰對(duì)混凝土的工作性、耐久性和強(qiáng)度的影響及在高性能混凝土中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀；重點(diǎn)分析了復(fù)摻粉煤灰和礦渣超細(xì)粉在配制高性能混凝土中的重要作用；對(duì)粉煤灰和礦渣超細(xì)粉在高性能混凝土中的應(yīng)用提出了幾點(diǎn)看法。
水泥和混凝土是目前最主要的建筑材料。我國(guó)水泥產(chǎn)量1980 年為0. 8 億t，2002 年已超過(guò)7 億t，估計(jì)到2010 年水泥產(chǎn)量將達(dá)到12 億t [1 ] 。生產(chǎn)水泥要耗費(fèi)大量能源，且嚴(yán)重污染環(huán)境。如年產(chǎn)量5 億t 水泥，煤耗約8 400 萬(wàn)t(標(biāo)煤)，約占全國(guó)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(guó)CO2 總排放量的10 % [2 ] 。因此，水泥工業(yè)的改造勢(shì)在必行，而如何提高水泥利用率、開(kāi)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(gè)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(zhuān)家用來(lái)替代水泥的首選。
1 磨細(xì)粉煤灰
我們通常所指的粉煤灰是指燃煤電廠(chǎng)中磨細(xì)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(lái)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(jí)配等物理性狀所產(chǎn)生的效應(yīng)。在粉煤灰中含有較多細(xì)小球形顆粒，摻入混凝土后能夠起到類(lèi)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(xué)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(guò)程析出的Ca(OH) 2 發(fā)生反應(yīng)，生成類(lèi)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(xué)活性。
粉煤灰的微集料反應(yīng)是指粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥漿內(nèi)，填充孔隙和毛細(xì)孔，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)和增大密實(shí)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)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(duì)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(xì)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(xì)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(qiáng)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(shí)，提高抗?jié)B性及抗海水、酸及硫酸鹽等的化學(xué)侵蝕能力，具有抑制堿—集料反應(yīng)的效果等。
礦渣微粉的來(lái)源廣，價(jià)格適中，替代水泥量大，后期強(qiáng)度較高。但其易磨性較差，用現(xiàn)有水泥廠(chǎng)球磨機(jī)生產(chǎn)高比表面積礦渣微粉有一定難度，因而價(jià)格較粉煤灰貴。摻磨細(xì)礦渣對(duì)提高混凝土早期強(qiáng)度的效果優(yōu)于粉煤灰，細(xì)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(dá)2 000 cm2/ g，借助摻入高效減水劑和強(qiáng)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(duì)混凝土的增強(qiáng)作用最為顯著，是國(guó)際上制備超高強(qiáng)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(yáng)，給運(yùn)輸、拌和等操作帶來(lái)不便，同時(shí)價(jià)格又偏高。出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，一般混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于C80 時(shí)，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(xì)粉在混凝土中使用有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。相對(duì)而言，摻粉煤灰的混凝土早期性能比較差，混凝土的早期強(qiáng)度較低；而摻礦渣超細(xì)粉的混凝土早期強(qiáng)度較高，但礦渣超細(xì)粉的摻量較低時(shí)，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(shí)摻用粉煤灰和礦渣微粉，通過(guò)正交試驗(yàn)達(dá)到礦渣與粉煤灰的最優(yōu)復(fù)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(fù)合增強(qiáng)機(jī)理
混凝土中的水泥水化時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)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(guò)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(qiáng)度很低。礦渣和粉煤灰復(fù)合超細(xì)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(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的水化硅酸鈣凝膠(C-S-H) 。同時(shí)，形成致密的結(jié)構(gòu)，使混凝土強(qiáng)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(jī)理
超細(xì)粉混合雙摻能改善水泥漿的流變性能，其作用機(jī)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(kuò)散使內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低黏度，同時(shí)原來(lái)絮凝結(jié)構(gòu)中的水被釋放出來(lái)，使?jié){液進(jìn)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(rùn)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(fù)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?？障队盟?，因而可提高拌和物的流動(dòng)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(dòng)面，從而改善其流動(dòng)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(fù)合能使泌水、離析現(xiàn)象得到改善，是性能上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
當(dāng)今，粉體工學(xué)迅速發(fā)展，已經(jīng)能開(kāi)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(xì)粉。因此，礦物超細(xì)粉的利用，應(yīng)該是今后發(fā)展的一個(gè)方向[5 ] 。
5 對(duì)應(yīng)用礦物超細(xì)粉的幾點(diǎn)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(xiàn)。
(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(duì)提高混凝土的強(qiáng)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(shí)粉末易飛揚(yáng)；粉煤灰和礦渣粉的價(jià)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(qiáng)度，但其后期強(qiáng)度發(fā)展偏緩，因而用于中、高強(qiáng)度的混凝土較為適宜。
(4) 礦渣與粉煤灰復(fù)摻時(shí)，水泥用量可以降到200 kg/ m3 左右，這對(duì)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(duì)配制高強(qiáng)混凝土是不適宜的。從總體上講，復(fù)摻方案在混凝土的耐久性上要優(yōu)于單摻方案。
(5) 對(duì)于高性能混凝土，可以采用單摻硅灰、粉煤灰或礦渣微粉；對(duì)于大體積且有抗?jié)B等要求的混凝土(其檢驗(yàn)齡期一般超過(guò)28 d)，可以單摻粉煤灰、礦渣微粉或復(fù)摻粉煤灰和礦渣微粉的方案；對(duì)于C40 左右的混凝土，可以采用復(fù)摻粉煤灰和礦渣微粉的方案，此時(shí)水泥用量可以降到200 kg/ m3 以下。
參考文獻(xiàn)：
[1] 崔源聲. 2002 年的中國(guó)水泥工業(yè)和未來(lái)展望[J ] . 新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2003，⑴:9.
[2] 王新友. 雙摻磨細(xì)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(ài)勤. 建筑混凝土[ M] . 化學(xué)工業(yè)出版社，2001.
[4] 丁慶軍. 混合材對(duì)超細(xì)灌漿水泥流變性能的影響[J ] . 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，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.
編輯：
監(jiān)督：0571-85871513
投稿：news@ccement.com
本文內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表水泥網(wǎng)立場(chǎng)。聯(lián)系電話(huà)：0571-85871513，郵箱：news@ccement.com。
