摘 要:以粉煤灰、石灰及硅酸鹽水泥為主要原料,經配料、混合、發氣、常溫養護等工藝過程研制粉煤灰水泥多孔材料,其特點是密度小(500～800kgPm3 ) ,強度高(0. 6～4. 0MPa) ,保溫性能好,耐熱性強,可用于生產保溫制品、填充墻、砌塊、輕質墻板等,配料中大量利用粉煤灰(摻量達50 %左右) 故成本低廉。在建筑樁基工程中,摻加35 %以下的粉煤灰,磷石膏摻量為2 %～6 % ,可以減少水泥用量,明顯降低混凝土成本,既節約能源又避免環境污染,又能改善混凝土的性能,具有良好的經濟效益和社會效益。
關鍵詞:粉煤灰;磷石膏;多孔材料;樁基礎
中圖分類號:X781 文獻標識碼:A 文章編號:1671 - 5322 (2004) 01 - 0058 - 04
1 問題的提出
鹽城電廠是一個火力發電廠,它的廢棄物粉煤灰是一個污染源。隨著七號機組的建設,粉煤灰的排量會成倍增加,既污染環境又占用大量的耕地,粉煤灰是一個令政府和企業及當地居民都頭疼的重大污染。如何合理地利用粉煤灰,變廢為寶是一個值得研究的重大問題,等待各行各業開發利用。蒸壓加氣混凝土生產需要蒸壓養護,設備投資大,生產能耗高,且配筋時鋼筋易生銹。
以粉煤灰、磷石膏、石灰、硅酸鹽水泥為主要原料,研制一種無須蒸壓養護的粉煤灰水泥多孔材料,并對其主要性能進行測試研究。
鹽城市地下地質條件較差,屬于濱海相軟土地區,一般5 層以上建筑都采用樁基礎,應用較多的是灌注樁。實驗證明粉煤灰混凝土具有較好的物理力學性能,粉煤灰摻量為20 %～35 %的混凝土的抗壓強度均符合要求且混凝土后期強度增長相當可觀。摻加粉煤灰可以提高樁基的后期強度,避免堿集料反應,具有良好的抗碳化性能和抗滲性能。
2 粉煤灰及磷石膏的基本性能
2. 1 粉煤灰
鹽城熱電廠排灰,經測試為П級灰,其化學成分見表1 ,粉煤灰作為活性填充料加入配料中,其玻璃體中的活性SiO2 和活性Al2O3 可與料漿中的Ca (OH) 2 發生反應,生成水硬性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,水化鋁酸鈣還與料漿中的石膏反應生成水化硫鋁酸鈣,賦予多孔材料一定的強度,尤其對材料的后期強度有較大貢獻,粉煤灰摻入量為40 %～60 %。
2. 2 磷石膏
采用市售二水磷石膏。磷石膏可使水泥凝結正常并能抑制石灰消解過程,從而延緩料漿的稠化速度,使之與鋁粉發氣速度相適應,磷石膏又是硫酸鹽激發劑,在料漿中可與鋁酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣,促進坯體硬化,提高強度。磷石膏摻量為2 %～6 %。
3 在建筑樁基工程中的應用
3. 1 摻加粉煤灰后砼強度提高機理
在混凝土中摻入一定量的粉煤灰,混凝土的早期強度較低,但后期強度較高,甚至超過不摻粉煤灰的混凝土。這是因為粉煤灰中含有大量的火山灰質活性物質。粉煤灰的化學成分主要是SiO2 、AlO3 、FeO3 、CaO、MgO、SO3 等。其中SiO2 和Al2O3 的含量高達75 % ,SiO2 、Al2O3 在液相中可與Ca (OH) 2 發生二次反應。XCa (OH) 2 + SiO2 + nH2O -XCaO·SiO2·nH2OYCa (OH) 2 + Al2O3 + nH2O -YCa·Ai2O3·nH2O這樣就減少或清除了混凝土薄弱的Ca (OH) 2
結晶,形成更有強度的結晶結構體。
同時,上述的二次反應幾乎都是在水泥混凝土孔隙中進行的,由于在孔隙中形成結晶結構網,大大降低了混凝土的孔隙率,改善了混凝土微細結構,因而提高了混凝土的強度。這一反應是在14 天后進行較快,因而早期強度偏低,后期強度增長迅速。
3. 2 試驗結果及分析
從表中可以看出,混凝土的后期強度增長率在摻粉煤灰20 %～60 %時,超過基準混凝土后期強度增長率。但當粉煤灰的摻量超過50 %時,摻粉煤灰的混凝土后期強度與不摻粉煤灰的混凝土后期強度相比有所降低,當粉煤灰摻量大于60 %時,后期強度只相當不摻粉煤灰后期強度的50 %左右,說明粉煤灰的摻量對混凝土的后期強度有較大的影響。其摻量有一個最大的摻量。當粉煤灰摻量在20 %～35 %混凝土的后期強度比相對應的基準混凝土高10 %～15 %。其中以粉煤灰摻量30 %左右較好。
3. 3 粉煤灰對樁基長期強度的影響
由于水泥中C2S、MgO 等活性較差,以及部分低活性CaO 在樁基周圍水環境的作用下,不斷形成堿性物質,這些堿性物質極易發生堿集料反應,造成混凝土開裂,形成微裂紋,導致鋼筋銹蝕,降低樁基的強度。在混凝土中摻入一定的粉煤灰后,由于粉煤灰的活性相對較強, 粉煤灰中的SiO2 、Al2O3 ,在水環境中優先與混凝土中的堿性物質發生化學反應,形成新的結晶結構網,填補原來的混凝土中的孔隙,增強原來的網狀結構,從而使樁基的強度不斷增長。
4 在建筑墻體材料中的應用
4. 1 其它原材料及作用
4. 1. 1 磨細生石灰
鎮江石灰廠生產的生石灰有效CaO 含量70 %以上,作為堿性激發劑加入料漿中,也是鋁粉發氣促進劑,石灰有利于鋁粉發氣,還可與粉煤灰中的活性成分反應生成水化硅酸鹽和水化鋁酸鹽,成為多孔材料中的強度組分。另外磨細生石灰水化產生的熱量可提高料漿溫度,促進化學反應進行, 加速坯體硬化。磨細生石灰的摻量為10 %～20 %。
4. 1. 2 水泥
采用425 # 硅酸鹽水泥。水泥的稠化較石灰慢,硬化較石灰快,有利于坯體硬化,水化生成的水化硅酸鈣,水泥鋁酸鈣等水化物對多孔材料的早期強度有較大貢獻,生成的Ca (OH) 2 是堿性激發劑,增加料漿的堿度,有利于鋁粉發氣,水泥摻量為20 %～40 %。
4. 1. 3 鋁粉
鋁粉為發氣劑,可在堿性溶液中發生反應放出氣體,使材料產生氣孔。
2Al + 3Ca (OH) 2 + 6H2O =3Ca0·AL2O3·6H2O + 3H2 ↑
2Al + 6Na0H + 6H2O= 3Na2O·AL2O3·6H2O + 3H2 ↑
鋁粉的摻量視多孔材料的密度要求而定。
4. 1. 4 脫脂劑
鋁粉表面有一層憎水性的硬脂酸膜,必須脫除才能使鋁粉參加反應,本試驗采用十二烷基苯磺酸鈉。
4. 1. 5 穩泡劑
為一種表面活性劑,摻入料漿中可吸附于氣一液界面上,極性基指向水,非極性基指向氣體,降低了氣一液界面的表面張力,使氣泡穩定。
4. 1. 6 堿度調節劑
適量加入堿度調節劑,可調節料漿的pH 值,以保證按要求正常發氣。
4. 2 試驗結果及分析
4. 2. 1 試驗過程及分析
粉煤灰水泥多孔材料的制作流程為:按配比將干粉煤灰、水泥、磨細生石灰、磷石膏及鋁粉混合均勻得到干混合料;再將堿度調節劑、脫脂劑、穩泡劑按配比溶入適量的水中,混合均勻得到液體料(若不加堿度調節劑則應將鋁粉也先加入水中) ;將干混合料加液體料中混合均勻,經發氣、靜停、切面包頭、脫模、常溫養護,便可得到氣孔均勻的粉煤灰水泥多孔材料。
對于粉煤灰水泥多孔材料的制作來說,發氣是決定其質量好壞的重要因素。關鍵要使發氣速度與稠化速度相適應,也就是說,在大量發氣階段料漿要緩慢稠化,料漿應具有較好的流動性,使之發氣順暢和順利膨脹;同時料漿應具有較好的保氣能力。使氣泡不能逸出而懸浮于其間,要達到這個目的,從力學觀點看,料漿穩定的基本條件是:大量發氣階段料漿的極限剪切應力值或塑性強度值應小,但又不能過小,確能阻止氣泡上浮為最佳。發氣結束后,料漿的極限剪切應力與塑性強度應迅速增長,使之能承受自重,加強已形成的氣孔結構。在工藝控制上,除合理選擇原材料外,水料比、澆注溫度、磨細生石灰用量等均影響料漿膨脹的穩定性,并最終影響材料的密度(與保溫性能密切相關) 及力學性能。
從原料選擇搭配看,粉煤灰、水泥與磨細生石灰可謂以鋁粉作發氣劑的多孔材料的最佳搭配。水泥稠化較石灰慢硬化較石灰快,有利于發氣及坯體硬化,兼有保證強度,保證澆注穩定,促進坯體硬化三方面的作用。石灰可提高料漿的堿度有利于發氣,又能和粉煤灰中的活性物質反應生成強度較高的水硬性產物,同時其水化熱還能將料漿保持一定的溫度,有利于料漿發氣和水化反應的繼續,粉煤灰是極好的活性材料,既可作填料填充,又可與水泥和生石灰的水化產物Ca (OH) 2 發生反應生成提高強度的成份。
試驗過程中發現:溫度過低發氣速度慢,甚至發不起來,溫度過高又會引起氣孔破裂,甚至引起壞體破壞;水料比的大小,對正常發氣的影響也很大,水料比過小發氣困難,水料比過大,發氣過快,只有適當的水料比,才能使發氣速度與稠化速度相適應;堿度增加,發氣效果好,故試驗中摻入少量的堿度調節劑。摻量過多會影響多孔材料的其他性質。經過反復試配調整,將料漿溫度控制在35～40 ℃,水料比0. 6～ 0. 7 ,少量摻入堿度調節劑,可解決發氣速度與稠化速度的矛盾,使其在不定期條件下達到統一,獲得比較理想的試樣。
4. 2. 2 性能測試
通過試驗,選擇較好的幾組配方,制成7. 07cm×7. 07cm×7. 07cm 的立方體試件,自然養護28d ,烘干。先測其密度,然后在壓力機上以0. 5MPaPs的速度加荷,測其抗壓強度,結果見表3。
將試樣放入電爐中,加熱至800 ℃保溫2h ,除表面有少量裂紋外,整體性能很好,說明耐熱性較好。由于原材料與同類加氣砼基本相同,可以推斷,粉煤灰水泥多孔材料的導熱性與同密度的加氣砼相當。
5 結論與展望
在建筑樁基工程中,摻加35 %以下的粉煤灰,磷石膏摻量為2 %～6 % ,可以減少水泥用量,明顯降低混凝土成本,既節約能源又避免環境污染,又能改善混凝土的性能,具有良好的經濟效益和社會效益。
粉煤灰水泥多孔材料密度小,強度高保溫及耐熱性能較好,是一種很有發展前途的節能利廢型多孔材料。通進調整配比及發氣劑摻量,可用來生產保溫制品,填充砌塊或輕質墻板。輕質、高強,節能、利廢是建筑材料發展的大趨勢,符合我國有關墻體改革政策,應用發展潛力很大。另外若采用常壓蒸氣養護,強度還可獲得提高。水泥摻量應加以控制,否則增加成本且增加多孔材料的密度。
