堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料的研究進(jìn)展

堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料的研究進(jìn)展

以粉煤灰為主要原料，制備堿性激勵因子、磷酸凝膠材料，是一種大規(guī)模使用粉煤灰的方法。近年來,許多學(xué)者對堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料進(jìn)行了深入研究,認(rèn)為它有可能成為一種重要的膠凝材料。本文綜述了含粉煤灰60%(質(zhì)量比)以上的堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料的研究進(jìn)展。1粉煤灰堿土金屬粉煤灰的化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3、CaO和未燃炭。在光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下可以看到,粉煤灰是由結(jié)晶體、玻璃體及少量未燃炭組成。粉煤灰的活性主要來自低鐵玻璃體,其含量高則活性高。成立認(rèn)為粉煤灰的化學(xué)組成中重量比CaO/SiO2小(約為0.1~0.5),玻璃體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中[SiO4]4-聚合度高,形成較連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),造成了粉煤灰活性低,一般條件下難被堿所激發(fā),但由于Al3+也參加粉煤灰中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,其鋁酸鹽網(wǎng)絡(luò)中硅氧鏈斷裂處的硅氧四面體和Al3+代替Si4+形成的鋁氧四面體不穩(wěn)定,粉煤灰與堿金屬溶液接觸后,高pH的溶液便從表面開始對粉煤灰激發(fā),逐漸破壞硅(鋁)網(wǎng)絡(luò)和玻璃體結(jié)構(gòu),在粉煤灰表面形成許多硅酸根離子和鋁酸根離子,當(dāng)系統(tǒng)中存在含鈣物質(zhì)時,形成低Ca/Si比率的CSH層、水化鋁酸鈣或含堿沸石結(jié)構(gòu)物質(zhì)等反應(yīng)產(chǎn)物。2材料的性能2.1熟料和石膏配比對養(yǎng)護(hù)強度的影響Sunilkumar使用消石灰、粉煤灰和煅燒磷石膏生產(chǎn)實心磚和空心磚,在常溫常壓養(yǎng)護(hù)下28d強度達(dá)3~4MPa,但后期強度發(fā)展緩慢。李東旭等使用粉煤灰、水泥熟料和石膏按不同配比配料,3d強度達(dá)到了4.9~8.3MPa,28d強度達(dá)到了23.3~27.2MPa。Kress等使用粉煤灰、水泥和石英砂按不同配比配料,水中養(yǎng)護(hù)27d后強度為5MPa左右,然后放入9m深的海里,33個月后強度增加到15~25MPa。吳國強在對粉煤灰加氣混凝土的研究中,發(fā)現(xiàn)試件在室內(nèi)潮濕環(huán)境中,經(jīng)過3年其強度并未下降,但在室內(nèi)干燥和露天條件下,試件的強度均有很大的下降,其下降幅度隨齡期的增加而趨于接近,在室內(nèi)干燥環(huán)境中8年,強度可下降40%。2.2混凝土的碳化王培銘等在粉煤灰替代水泥量60%,水灰比為0.37時,碳化條件相對濕度(55±5)%,溫度20~25℃,CO2濃度(80±5)%,試塊3d碳化深度達(dá)7.7mm,28d達(dá)15.2mm,而普通混凝土的碳化深度均為0。朱世芳等的研究得出當(dāng)混凝土中粉煤灰替代量小于50%時,碳化發(fā)展緩慢,粉煤灰替代量大于60%時,混凝土的碳化程度明顯增大,并認(rèn)為主要是由于粉煤灰的摻入,降低了混凝土的堿度,造成其吸收CO2的能力下降。吳國強在對加氣混凝土的性能研究中,得出在人工碳化條件[相對濕度(55±5)%,溫度20~25℃,CO2濃度(80±5)%]下,試塊(100mm×100mm×100mm)1d就完全碳化,造成了強度的下降,碳化系數(shù)為0.68。室內(nèi)干燥及露天條件下,試件在120~210d完全碳化,碳化系數(shù)為0.85,歷經(jīng)8年的室內(nèi)干燥試塊強度大約降低40%。2.3制品干燥收縮性能吳笑梅等研究表明,粉煤灰加氣混凝土在95~100℃蒸養(yǎng)下1d干縮值達(dá)38.10mm/m,180~190℃蒸壓養(yǎng)護(hù)10小時下干縮值達(dá)6.54mm/m,制品干燥收縮性能均達(dá)不到GB/T11968-1997的技術(shù)要求.LianXiangDu用92%低鈣粉煤灰、8%水泥混合,常溫養(yǎng)護(hù)條件下,干燥收縮值達(dá)到了0.24%,而普通混凝土的干燥收縮值僅為0.02~0.05%。JC239《粉煤灰磚》(粉煤灰摻量一般在85%以上)標(biāo)準(zhǔn)要求干燥收縮值不大于0.6%,與普通磚相比,蒸壓粉煤灰磚的收縮值要大得多,并且粉煤灰磚在使用過程中總的趨勢是體積減小發(fā)生收縮。2.4試驗結(jié)果和抗凍性結(jié)果吳國強在粉煤灰加氣混凝土的研究中,先將試件飽水,-20℃凍7h,接著放入20℃恒溫水中7h,共15個循環(huán),然后按抗壓強度損失小于20%,質(zhì)量損失小于5%進(jìn)行抗凍性判定。30組試樣中有5組歷經(jīng)3~8次循環(huán)后完全崩潰破壞,10組抗凍性不合格?？傮w上看在試驗條件下抗凍性較差。LianXiangDu用92%粉煤灰和8%水泥混合,7d常溫養(yǎng)護(hù)混凝土試塊經(jīng)12個循環(huán),質(zhì)量損失13.7%,28d常溫養(yǎng)護(hù)混凝土試塊經(jīng)過12個循環(huán)質(zhì)量損失35.1%。2.5實心磚和空心磚的摻量對比SunilKumar采用石灰、石膏和粉煤灰作為激發(fā)體系,粉煤灰摻量60%~90%,石灰和煅燒磷石膏摻量相等條件下,生產(chǎn)實心磚和空心磚,在SO42-濃度為10000ppm溶液中浸泡72d,摻量90%的實心磚強度下降了33.3%,摻量60%的實心磚強度下降了9.2%。空心磚在粉煤灰摻量為60%、70%和80%時,強度損失分別為15.9%、23.8%和27.9%。他認(rèn)為在嚴(yán)酷的硫酸鹽環(huán)境中,水化產(chǎn)物的粘聚性遭到了破壞,表現(xiàn)為強度下降和質(zhì)量損失,適當(dāng)?shù)奶岣呤嗟膿搅靠稍黾悠淇沽蛩猁}侵蝕的能力。2.6實際生產(chǎn)試樣抗?jié)B系數(shù)TarujitS.Butalia采用粉煤灰︰過濾泥︰石灰︰硅灰=66︰34︰5︰5配料,常溫常壓養(yǎng)護(hù),28d強度為3.95MPa,養(yǎng)護(hù)7d抗?jié)B系數(shù)3.5×10-6~3.6×10-5,28d抗?jié)B系數(shù)1.3×10-7~3.2×10-6,實際生產(chǎn)試樣28d抗?jié)B系數(shù)為3.6×10-7。LianXiangDu用粉煤灰和水泥作為膠凝體系,當(dāng)粉煤灰摻量為80%時,抗?jié)B系數(shù)在2.89×10-5~2.46×10-4之間。而水泥漿體和混凝土的抗?jié)B系數(shù)一般在1×10-12~1×10-10之間。抗?jié)B性能低與材料本身強度低,孔隙率較大有很大關(guān)系。3材料的制備工藝3.1粉煤灰細(xì)度對試塊強度的影響試驗王曉鈞等認(rèn)為粉煤灰在機(jī)械研磨過程中,可使硅氧四面體的硅氧鍵產(chǎn)生斷裂,有利于聚合態(tài)的硅氧體向單個硅氧體分解,使活性反應(yīng)基團(tuán)數(shù)量增加,并伴隨產(chǎn)生裂紋、缺陷、畸變。王智等采用粉煤灰、生石灰(消石灰)和工業(yè)芒硝配料,粉煤灰使用原狀灰、磨細(xì)灰和超細(xì)灰,結(jié)果表明隨著粉煤灰細(xì)度的增加,試塊28d強度從1.88MPa增加到23.05MPa。錢覺時等使用64%粉煤灰,石灰、礦渣、石膏總共36%和少量的外加劑,0.25水灰比,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d強度達(dá)17.6MPa,粉煤灰和礦渣預(yù)先混合粉磨后,28d強度達(dá)20.5MPa。3.2預(yù)壓應(yīng)力時粉煤灰的強度Freidin等使用粉煤灰和水玻璃配料,常溫常壓養(yǎng)護(hù),測試試樣的28d強度,在水玻璃含量達(dá)50%(粉煤灰實際含量大于70%),預(yù)壓應(yīng)力4MPa時,強度達(dá)10MPa;在水玻璃含量為30%,預(yù)壓應(yīng)力10MPa時,強度達(dá)16MPa;預(yù)壓應(yīng)力20MPa時,強度達(dá)20MPa。并指出在大氣中養(yǎng)護(hù)360d強度還在增加,埋入地下5年的試件強度也繼續(xù)增加。3.3蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)S.Jahaniani等使用粉煤灰與高堿溶液配料,先82℃養(yǎng)護(hù)18h,兩天強度可達(dá)76MPa。吳笑梅等對粉煤灰加氣混凝土(水泥18%,中燒石灰12%,粉煤灰65%,石膏5%,水灰比0.5)在95~100℃進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)和185~190℃蒸壓養(yǎng)護(hù),28d強度均可達(dá)5MPa。王福元等用粉煤灰和石灰制作蒸壓粉煤灰磚,20MPa壓力成型,蒸壓養(yǎng)護(hù)(飽和蒸汽壓力0.8MPa,蒸汽溫度174.5℃以上)6h,出蒸壓釜后蒸壓粉煤灰磚強度可達(dá)20MPa以上,但此后強度提高不大。4養(yǎng)護(hù)時的chDellaM.Roy認(rèn)為水泥主要水化產(chǎn)物為C-S-H凝膠和Ca(OH)2,而粉煤灰膠凝的水化產(chǎn)物是含堿類沸石結(jié)構(gòu)的物質(zhì),這種結(jié)構(gòu)的材料可能有更好的耐久性。A.Katz用粉煤灰-水泥-綠坡縷石體系固化高堿廢液,在90℃養(yǎng)護(hù)時,認(rèn)為出現(xiàn)了與沸石同樣結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。但P.Jason等認(rèn)為粉煤灰-熟石灰-NaOH激發(fā)體系水化生成了CSH凝膠,但比波特蘭水泥Ca/Si比率低。閻培渝在對氟石膏粉煤灰膠結(jié)材的研究中,認(rèn)為空氣中室溫養(yǎng)護(hù)試樣的主要水化產(chǎn)物是二水石膏和CSH凝膠,60℃養(yǎng)護(hù)時的主要產(chǎn)物是CSH凝膠,繼續(xù)養(yǎng)護(hù),還有部分的鈣礬石生成。吳笑梅等在對粉煤灰加氣混凝土的研究中,得出蒸壓養(yǎng)護(hù)時,水化產(chǎn)物主要是大量結(jié)晶良好的托勃莫來石,部分凝膠狀和結(jié)晶程度較弱的CSH(B)及少量水化石榴子石。蒸養(yǎng)條件下的水化產(chǎn)物是凝膠狀和結(jié)晶程度較弱的CSH(B)、Aft、AFm和少量結(jié)晶細(xì)小的托勃莫來石。5不同激發(fā)劑膠凝材料的力學(xué)性能雖然高鈣粉煤灰本身具有一定的水硬性,但其中的游離氧化鈣、三氧化硫和方鎂石含量較高,影響材料的安定性,因此堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料主要針對中、低鈣粉煤灰(CaO<20%)激發(fā)的研究。目前主要的堿性激發(fā)劑有石灰、石膏、礦渣、煅燒高嶺土、水泥、水玻璃溶液、高堿溶液等,它們是單摻或復(fù)摻。堿激發(fā)膠凝材料的力學(xué)性能主要受激發(fā)劑種類、粉煤灰本身的物理化學(xué)性能、養(yǎng)護(hù)方法、成型方法、養(yǎng)護(hù)齡期、配合比的影響。由于在不同的研究中粉煤灰本身的性能、配合比、成型方法、養(yǎng)護(hù)條件等方面變化,因此不同激發(fā)劑的激發(fā)效果不易比較。激發(fā)體系不同得到的水化產(chǎn)物不同,其形貌也不盡相同。從相關(guān)文獻(xiàn)中可得出常溫常壓下堿激發(fā)膠凝材料早期強度和28d強度較低,后期強度在潮濕環(huán)境或水中是增加的,但增加緩慢,在干燥環(huán)境中后期強度逐漸降低。粉煤灰膠凝材料的碳化性能不佳,干燥收縮性能差,而且膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕、凍融循環(huán)和抗?jié)B性能同水泥相比差距大,但抗?jié)B性,抗硫酸鹽侵蝕性能與堿激發(fā)膠凝材料的強度有較大的關(guān)系,隨著強度的提高這些性能都能得到改善?？偟膩碚f,堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料同水泥相比,無論從力學(xué)性能還是耐久性能都有較大的差距,遠(yuǎn)沒有發(fā)揮它的潛在優(yōu)越性,因而有必要從以下幾個方面做進(jìn)一步研究。(1)粉煤灰活性的測定盡管粉煤灰活性在水泥使用中有確定的評定方法,但在不同的激發(fā)體系下,當(dāng)粉煤灰作為膠凝材料的主要組成,其活性就不能簡單地借用該評定方法。粉煤灰本身的活性受化學(xué)成分,物相組成,物理性能等因素影響,這需要一個恰當(dāng)?shù)姆椒▉碓u定。再者,目前堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料使用的標(biāo)準(zhǔn)直接借鑒水泥標(biāo)準(zhǔn)而來,盡管該材料的發(fā)展目標(biāo)之一是和水泥有相同的性能,但現(xiàn)代水泥膠凝材料也并不完美,在某些方面堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料的性能可能優(yōu)于水泥材料,因而有必要發(fā)展基于該材料特點的標(biāo)準(zhǔn)。(2)氧化鈣安定性問題以往的研究主要集中在材料的抗壓強度。對材料的耐久性及體積穩(wěn)定性方面研究較少,例如加入過量石膏及氧化鈣安定性問題。一些性能如應(yīng)力應(yīng)變性能,流變性能,磨蝕性能,干濕循環(huán)等以及各性能之間關(guān)系的研究幾乎還沒涉及。因而有必要在進(jìn)一步提高膠凝材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,開展各種性能及其之間關(guān)系的研究,建立堿激發(fā)膠凝材料的性能數(shù)據(jù)庫,增加材料性能的可預(yù)測性,促進(jìn)堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料的應(yīng)用。(3)影