摘 要:以粉煤灰、石灰及硅酸鹽水泥為主要原料,經(jīng)配料、混合、發(fā)氣、常溫養(yǎng)護(hù)等工藝過(guò)程研制粉煤灰水泥多孔材料,其特點(diǎn)是密度小(500～800kgPm3 ) ,強(qiáng)度高(0. 6～4. 0MPa) ,保溫性能好,耐熱性強(qiáng),可用于生產(chǎn)保溫制品、填充墻、砌塊、輕質(zhì)墻板等,配料中大量利用粉煤灰(摻量達(dá)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(jié)約能源又避免環(huán)境污染,又能改善混凝土的性能,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞:粉煤灰;磷石膏;多孔材料;樁基礎(chǔ)
中圖分類號(hào):X781 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671 - 5322 (2004) 01 - 0058 - 04
1 問(wèn)題的提出
鹽城電廠是一個(gè)火力發(fā)電廠,它的廢棄物粉煤灰是一個(gè)污染源。隨著七號(hào)機(jī)組的建設(shè),粉煤灰的排量會(huì)成倍增加,既污染環(huán)境又占用大量的耕地,粉煤灰是一個(gè)令政府和企業(yè)及當(dāng)?shù)鼐用穸碱^疼的重大污染。如何合理地利用粉煤灰,變廢為寶是一個(gè)值得研究的重大問(wèn)題,等待各行各業(yè)開(kāi)發(fā)利用。蒸壓加氣混凝土生產(chǎn)需要蒸壓養(yǎng)護(hù),設(shè)備投資大,生產(chǎn)能耗高,且配筋時(shí)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(wú)須蒸壓養(yǎng)護(hù)的粉煤灰水泥多孔材料,并對(duì)其主要性能進(jìn)行測(cè)試研究。
鹽城市地下地質(zhì)條件較差,屬于濱海相軟土地區(qū),一般5 層以上建筑都采用樁基礎(chǔ),應(yīng)用較多的是灌注樁。實(shí)驗(yàn)證明粉煤灰混凝土具有較好的物理力學(xué)性能,粉煤灰摻量為20 %～35 %的混凝土的抗壓強(qiáng)度均符合要求且混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)相當(dāng)可觀。摻加粉煤灰可以提高樁基的后期強(qiáng)度,避免堿集料反應(yīng),具有良好的抗碳化性能和抗?jié)B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(jīng)測(cè)試為П級(jí)灰,其化學(xué)成分見(jiàn)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(fā)生反應(yīng),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(yīng)生成水化硫鋁酸鈣,賦予多孔材料一定的強(qiáng)度,尤其對(duì)材料的后期強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn),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(jié)正常并能抑制石灰消解過(guò)程,從而延緩料漿的稠化速度,使之與鋁粉發(fā)氣速度相適應(yīng),磷石膏又是硫酸鹽激發(fā)劑,在料漿中可與鋁酸鈣反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣,促進(jìn)坯體硬化,提高強(qiáng)度。磷石膏摻量為2 %～6 %。
3 在建筑樁基工程中的應(yīng)用
3. 1 摻加粉煤灰后砼強(qiáng)度提高機(jī)理
在混凝土中摻入一定量的粉煤灰,混凝土的早期強(qiáng)度較低,但后期強(qiáng)度較高,甚至超過(guò)不摻粉煤灰的混凝土。這是因?yàn)榉勖夯抑泻写罅康幕鹕交屹|(zhì)活性物質(zhì)。粉煤灰的化學(xué)成分主要是SiO2 、AlO3 、FeO3 、CaO、MgO、SO3 等。其中SiO2 和Al2O3 的含量高達(dá)75 % ,SiO2 、Al2O3 在液相中可與Ca (OH) 2 發(fā)生二次反應(yīng)。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(jié)晶,形成更有強(qiáng)度的結(jié)晶結(jié)構(gòu)體。
同時(shí),上述的二次反應(yīng)幾乎都是在水泥混凝土孔隙中進(jìn)行的,由于在孔隙中形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng),大大降低了混凝土的孔隙率,改善了混凝土微細(xì)結(jié)構(gòu),因而提高了混凝土的強(qiáng)度。這一反應(yīng)是在14 天后進(jìn)行較快,因而早期強(qiáng)度偏低,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速。
3. 2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
從表中可以看出,混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率在摻粉煤灰20 %～60 %時(shí),超過(guò)基準(zhǔn)混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率。但當(dāng)粉煤灰的摻量超過(guò)50 %時(shí),摻粉煤灰的混凝土后期強(qiáng)度與不摻粉煤灰的混凝土后期強(qiáng)度相比有所降低,當(dāng)粉煤灰摻量大于60 %時(shí),后期強(qiáng)度只相當(dāng)不摻粉煤灰后期強(qiáng)度的50 %左右,說(shuō)明粉煤灰的摻量對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度有較大的影響。其摻量有一個(gè)最大的摻量。當(dāng)粉煤灰摻量在20 %～35 %混凝土的后期強(qiáng)度比相對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)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(duì)樁基長(zhǎng)期強(qiáng)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(huán)境的作用下,不斷形成堿性物質(zhì),這些堿性物質(zhì)極易發(fā)生堿集料反應(yīng),造成混凝土開(kāi)裂,形成微裂紋,導(dǎo)致鋼筋銹蝕,降低樁基的強(qiáng)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(duì)較強(qiáng), 粉煤灰中的SiO2 、Al2O3 ,在水環(huán)境中優(yōu)先與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng),填補(bǔ)原來(lái)的混凝土中的孔隙,增強(qiáng)原來(lái)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而使樁基的強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)。
4 在建筑墻體材料中的應(yīng)用
4. 1 其它原材料及作用
4. 1. 1 磨細(xì)生石灰
鎮(zhèn)江石灰廠生產(chǎn)的生石灰有效CaO 含量70 %以上,作為堿性激發(fā)劑加入料漿中,也是鋁粉發(fā)氣促進(jìn)劑,石灰有利于鋁粉發(fā)氣,還可與粉煤灰中的活性成分反應(yīng)生成水化硅酸鹽和水化鋁酸鹽,成為多孔材料中的強(qiáng)度組分。另外磨細(xì)生石灰水化產(chǎn)生的熱量可提高料漿溫度,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行, 加速坯體硬化。磨細(xì)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(duì)多孔材料的早期強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn),生成的Ca (OH) 2 是堿性激發(fā)劑,增加料漿的堿度,有利于鋁粉發(fā)氣,水泥摻量為20 %～40 %。
4. 1. 3 鋁粉
鋁粉為發(fā)氣劑,可在堿性溶液中發(fā)生反應(yīng)放出氣體,使材料產(chǎn)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(yīng),本試驗(yàn)采用十二烷基苯磺酸鈉。
4. 1. 5 穩(wěn)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(wěn)定。
4. 1. 6 堿度調(diào)節(jié)劑
適量加入堿度調(diào)節(jié)劑,可調(diào)節(jié)料漿的pH 值,以保證按要求正常發(fā)氣。
4. 2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
4. 2. 1 試驗(yàn)過(guò)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(xì)生石灰、磷石膏及鋁粉混合均勻得到干混合料;再將堿度調(diào)節(jié)劑、脫脂劑、穩(wěn)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(diào)節(jié)劑則應(yīng)將鋁粉也先加入水中) ;將干混合料加液體料中混合均勻,經(jīng)發(fā)氣、靜停、切面包頭、脫模、常溫養(yǎng)護(hù),便可得到氣孔均勻的粉煤灰水泥多孔材料。
對(duì)于粉煤灰水泥多孔材料的制作來(lái)說(shuō),發(fā)氣是決定其質(zhì)量好壞的重要因素。關(guān)鍵要使發(fā)氣速度與稠化速度相適應(yīng),也就是說(shuō),在大量發(fā)氣階段料漿要緩慢稠化,料漿應(yīng)具有較好的流動(dòng)性,使之發(fā)氣順暢和順利膨脹;同時(shí)料漿應(yīng)具有較好的保氣能力。使氣泡不能逸出而懸浮于其間,要達(dá)到這個(gè)目的,從力學(xué)觀點(diǎn)看,料漿穩(wěn)定的基本條件是:大量發(fā)氣階段料漿的極限剪切應(yīng)力值或塑性強(qiáng)度值應(yīng)小,但又不能過(guò)小,確能阻止氣泡上浮為最佳。發(fā)氣結(jié)束后,料漿的極限剪切應(yīng)力與塑性強(qiáng)度應(yīng)迅速增長(zhǎng),使之能承受自重,加強(qiáng)已形成的氣孔結(jié)構(gòu)。在工藝控制上,除合理選擇原材料外,水料比、澆注溫度、磨細(xì)生石灰用量等均影響料漿膨脹的穩(wěn)定性,并最終影響材料的密度(與保溫性能密切相關(guān)) 及力學(xué)性能。
從原料選擇搭配看,粉煤灰、水泥與磨細(xì)生石灰可謂以鋁粉作發(fā)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(fā)氣及坯體硬化,兼有保證強(qiáng)度,保證澆注穩(wěn)定,促進(jìn)坯體硬化三方面的作用。石灰可提高料漿的堿度有利于發(fā)氣,又能和粉煤灰中的活性物質(zhì)反應(yīng)生成強(qiáng)度較高的水硬性產(chǎn)物,同時(shí)其水化熱還能將料漿保持一定的溫度,有利于料漿發(fā)氣和水化反應(yīng)的繼續(xù),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(chǎn)物Ca (OH) 2 發(fā)生反應(yīng)生成提高強(qiáng)度的成份。
試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn):溫度過(guò)低發(fā)氣速度慢,甚至發(fā)不起來(lái),溫度過(guò)高又會(huì)引起氣孔破裂,甚至引起壞體破壞;水料比的大小,對(duì)正常發(fā)氣的影響也很大,水料比過(guò)小發(fā)氣困難,水料比過(guò)大,發(fā)氣過(guò)快,只有適當(dāng)?shù)乃媳?才能使發(fā)氣速度與稠化速度相適應(yīng);堿度增加,發(fā)氣效果好,故試驗(yàn)中摻入少量的堿度調(diào)節(jié)劑。摻量過(guò)多會(huì)影響多孔材料的其他性質(zhì)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試配調(diào)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(diào)節(jié)劑,可解決發(fā)氣速度與稠化速度的矛盾,使其在不定期條件下達(dá)到統(tǒng)一,獲得比較理想的試樣。
4. 2. 2 性能測(cè)試
通過(guò)試驗(yàn),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(yǎng)護(hù)28d ,烘干。先測(cè)其密度,然后在壓力機(jī)上以0. 5MPaPs的速度加荷,測(cè)其抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見(jiàn)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(shuō)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(dǎo)熱性與同密度的加氣砼相當(dāng)。
5 結(jié)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(jié)約能源又避免環(huán)境污染,又能改善混凝土的性能,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
粉煤灰水泥多孔材料密度小,強(qiáng)度高保溫及耐熱性能較好,是一種很有發(fā)展前途的節(jié)能利廢型多孔材料。通進(jìn)調(diào)整配比及發(fā)氣劑摻量,可用來(lái)生產(chǎn)保溫制品,填充砌塊或輕質(zhì)墻板。輕質(zhì)、高強(qiáng),節(jié)能、利廢是建筑材料發(fā)展的大趨勢(shì),符合我國(guó)有關(guān)墻體改革政策,應(yīng)用發(fā)展?jié)摿艽?。另外若采用常壓蒸氣養(yǎng)護(hù),強(qiáng)度還可獲得提高。水泥摻量應(yīng)加以控制,否則增加成本且增加多孔材料的密度。
