利用工业废渣制备新型混凝土膨胀剂的试验研究

利用工业废渣制备新型混凝土膨胀剂的试验研究陈德玉，袁伟，谭克锋，刘来宝(西南科技大学先进建筑材料四川省重点实验室，四川绵阳621010)摘要：以粉煤灰、石灰、石膏为主要原料，利用预水化活化技术制备新型胶凝材料，再以此胶凝材料与石膏、复合外加剂制备膨胀剂。通过正交试验研究影响膨胀剂性能的因素，确定新型混凝土膨胀剂的最佳配比。并对该膨胀剂的性能进行了试验。结果表明，膨胀剂的性能符合JC476—2001要求。关键词：粉煤灰；预水化活化：混凝土膨胀剂中图分类号：TU258．55文献标识码：B文章编号：1001—702X(2008)07—0044—03为了改善混凝土的抗渗性能，提高工程的耐久性，膨胀剂已在混凝土工程中被广泛使用。现在已有的混凝土膨胀剂种类大致可分为硫铝酸盐类、氧化钙类、氧化镁类、氧化铁类膨胀剂及发泡类膨胀剂等[1-2]。本研究利用低等级粉煤灰进行一种新型混凝土膨胀剂的制备和研究。基于目前我国粉煤灰排放量很大的现状，用低等级粉煤灰制备新型混凝土膨胀剂，可提高粉煤灰的自身价值，也为膨胀剂的制备提供了一条新的途径。1工艺原理在混凝土中引起膨胀的膨胀能来源于膨胀水泥或掺膨胀剂水泥的水化作用。水化作用生成硫铝酸钙水化物——钙矾石(C3A·3CASO4·32H2O)而发生体积膨胀。能在水泥水化阶段产生钙矾石的是无水硫铝酸钙3CaO·3Al2O3·CaSO4，这与明矾石在水泥水化的碱介质和硫酸盐激发下形成钙矾石的原理相似。本研究以粉煤灰、石灰、石膏为主要原料利用预水化活化技术(即粉煤灰与石灰、石膏混合并陈化5-7d，再经过水热激发、烘干、低温煅烧及粉磨)制备新型胶凝材料，再以此胶凝材料与石膏、复合外加剂制备膨胀剂。预水化活化制备的新型胶凝材料中含有C2S(2CaO，SiO2)、CA2(CaO·2A12O3)和C12A7(12CaO·7A12O3)等矿物，这些铝酸盐在C3S和C2S水化过程中所提供的碱Ca(0H)2和外掺硫酸盐(CaSO4)作用下会形成钙矾石，并使膨胀与强度均衡发展，取得预期效果。2试验部分2．1原材料粉煤灰：四川江油发电厂原状干粉煤灰，含水率小于1％，45µm方孔筛筛余56％，为低钙粉煤灰，活性较低。水泥：四川双马42．5R普通硅酸盐水泥，其28d抗压强度为49．4MPa。石灰：市售磨细生石灰，有效CaO含量大于75％，80txm方孔筛筛余1．2％，密封备用。石膏：市售磨细石膏，有效CaSO4·2H2O大于90％，80µm方孔筛筛余2．5％，密封备用。砂子：ISO标准砂。复合外加剂：自制。2．2新型胶凝材料的制备粉煤灰与石灰、石膏按80：15：5的质量比混合均匀并陈化5-7d；陈化好的样品放入混凝土加速养护箱内养护8h，养护温度为70cC；然后放入105℃的烘箱内烘干，再通过900℃煅烧和粉磨，制备成新型胶凝材料。不同粉磨时间对细度的影响见表1。2．3膨胀剂的制备将新型胶凝材料、石膏和复合外加剂按比例混合制备混凝土膨胀剂。2．4试验方法新型胶凝材料的细度、比表面积按GB／T8074—1987、和GB／T1345—1991进行测试。混凝土膨胀剂的性能按JC476—2001要求进行测试。3结果与讨论3．1试验结果试验以石膏掺量、外加剂掺量、新型胶凝材料的细度3个影响因素，按L9(33)正交试验设计，因素水平见表2，试验结果和极差分析见表3。3．2影响因素显著性分析从表3试验结果分析，(1)如果只考察单个指标，水中7d限制膨胀率最优方案应为：A2B1C3；水中28d限制膨胀率的最优方案为：A2B3C3；7d抗折强度的最优方案为：A1B1C1；空气中21d限制膨胀率的最优方案为：A3B1C2；7d抗压强度的最优方案为：A1B2C3；28d抗折强度的最优方案为：A1B3C1；28d抗压强度的最优方案为：A2B2C2。由此可见，从单个考查指标分析出的最优方案是不同的，但实际情况要求考虑各因素水平的综合影响。(2)对于水中7d的限制膨胀率，各因素的影响大小为：石膏掺量A粉磨时间C复合外加剂掺量B，即石膏的掺量影响最为显著，其次是粉磨时间的影响。对于水中28d的限制膨胀率，各因素的影响大小为：粉磨时间C石膏掺量A复合外加剂掺量B，影响最大的是粉磨时间，其次是石膏掺量，外加剂的掺量仍然是影响最小的因素。这说明在前期，石膏的加入能更有利于C2S的水化和钙矾石的形成。而在后期，伴随着C2S的水化速度的进一步加快，胶凝材料组分与水化产物发生反应的机会增多，且颗粒细度越高影响更大。而对于空气中21d的限制膨胀率，各因素的影响大小为：复合外加剂掺量B石膏掺量A粉磨时间C。(3)非误差因素对7d抗折强度、7d抗压强度、28d抗折强度均为：石膏掺量A粉磨时间C复合外加剂掺量B;对28d抗压强度的影响大小为：石膏掺量A复合外加剂掺量B粉磨时间C。综合考虑7、21、28d的限制膨胀率和7d、28d强度的影响，制备膨胀剂的最佳配合比为：A2B1C3，即：石膏掺量为20％，复合外加剂掺量为0，粉磨时间为35min。3．3重复试验根据A2B1C3最优方案配方，采用同样的实验方法进行重复试验，结果见表4。从表4可以看出，最优条件下制备膨胀剂具有较好的限制膨胀率和强度，符合JC476—2001的规定，效果理想。由于石膏组分的加入使初期水泥凝结变缓，但C12A7的存在会使C2S-C12A7-CaSO4·2H2O-H2O系统的各龄期的结合水量增加，且在后期有较大增长。随着水化的深入，C12A7水化生成的Al(0H)3与C2S水化生成的Ca2+反应生成C3AH6，再与石膏生成AFt，加快了C2S的水化[3]，导致终凝提前。4结语粉煤灰、石灰、石膏按照质量比80：15：5的比例混合，通过陈化7d、70℃蒸养8h和900℃煅烧制得了主要矿物为：C2S(2CaO·SiO2)、CA2(CaO·2A12O3)和C12A7(12CaO·7A12O3)的新型胶凝材料，这种胶凝材料可以与石膏配合制备混凝土膨胀剂。粉磨35min(细度0．08mm筛筛余3．22％)的新型胶凝材料与石膏以质量比为80：20配合制得新型膨胀剂，通过试验，其性能符合标准JC476—2001的要求。制备的膨胀剂中含有较多的石膏成分和铝酸盐矿物，掺入后使水泥的初凝时间有所延长，终凝时间有所缩短。