2. 石家庄铁道大学 四方学院基础部, 河北 石家庄 051132
2. Foundational Subjects Department of SiFang College, Shijiazhuang TieDao University, Shijiazhuang 051132, China
近年来,随着人们对粉煤灰潜在效应[1-3]的深入了解和混凝土技术的不断发展,大掺量粉煤灰在土木工程中的应用研究日益受到人们的重视。然而,由于其早期活性难以激发,大掺量后导致混凝土早期强度过低[4-7],开裂严重,后期强度和耐久性降低,这在很大程度上限制了其大掺量。因此,如何对粉煤灰进行有效激发并探明其激发机理,成为当前粉煤灰利用研究的技术关键和难点,也是大掺量粉煤灰混凝土设计与应用的理论基础。黄士元等[8]较早就研究氢氧化钙(CH)-粉煤灰-水体系中粉煤灰的反应程度,表明粉煤灰在7 d以前基本未反应,28 d时平均反应程度约是5%;钱文郧[9]研制了某种激发剂有效激发了粉煤灰的活性,并通过X射线衍射技术(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和微区能谱分析(EDS)和核磁共振技术分析了该激发剂对粉煤灰的作用机理;张茂亮等[10]采用石灰-石膏+某种激发剂对粉煤灰有一定的激发作用;Hoang等[11]通过XRD、等温热法、热重分析(TG)研究了硫氰酸钠、二乙醇胺和甘油对粉煤灰-硅酸盐水泥体系的水化过程进行了研究,得出三元外加剂能够加速水泥水化;Katz[12]采用SEM研究NaOH激发对纯粉煤灰浆体的激发效果,表明NaOH掺入10%(占总粉煤灰质量)时,粉煤灰颗粒表面被腐蚀,粉煤灰溶解明显。
因技术保密或试验手段的限制,部分激发剂重在激发了水泥的水化,未能同步激发粉煤灰,这在一定程度上限制了激发剂推广。事实上激发剂的选用应从粉煤灰的组成、结构和水化环境进行优化和研制。众所周知,粉煤灰(CaO含量一般小于10%)与硅酸盐水泥相比“先天性缺钙”,由水泥化学可知,Ca2+是形成胶凝性水化产物的必要条件,仅靠水泥水化产生的CH提供的Ca2+不足以满足其需求,因此,首先应适当地为水化体系补充Ca2+,其次,形成的水化产物必须是稳定的,而且能裂解粉煤灰的结构,这就决定了水化环境必须是强碱环境;第3是能激发粉煤灰的早期强度(3 d和7d),而不是28 d以后强度。本文通过单组分对比、双组分复掺及正交优化设计的技术途径,拟研制出既能促进水泥水化,又能同步使粉煤灰结构解聚的高效激发剂,并通过宏观定性和系列微观试验手段相结合的方法揭示激发剂对粉煤灰的作用机理,这将促进粉煤灰的大掺量应用。
1 试验过程为降低试验误差,水泥选用混凝土外加剂性能检测专用基准水泥;粉煤灰采用金隅混凝土搅拌站Ⅰ级粉煤灰,激发剂选用Ca(OH)2、Na2SiO3、Na2SO4、CaSO4(简写依次为CH、NSi、NS和CaS)等市售分析纯化学试剂,纯度均在95%以上。
为充分保障粉煤灰的水化和激发效果,浆体水胶比为0.5,粉煤灰掺量为30%、50%和70%等量取代水泥。参照黄士元等[13]试验方法,将不同的激发剂掺入粉煤灰水泥净浆体中,成型尺寸为40 mm×40 mm×40 mm的净浆试件,标养至规定龄期,测试其抗压强度值,并与空白试样做对比,来优选激发剂并初步探明其激发时效。经试验知以掺量3%为主选出单掺效果最好的激发剂;双掺掺量分别为1%、3%、5%,CH与其他化学试剂之间的比例分别为1:1、3:1以及5:1,通过正交设计选出最佳组合,最佳掺量以及最佳比例进行水泥强度性能分析和机理分析。
XRD由德国D8 AVANCE型衍射仪测得,测试范围为5°~80°,扫描速度为6(°)/min;SEM-ED由日本的S-4800-1型测得,分辨率可达到1.0 nm;TG采用TGA/SDTA 851e测试仪,气氛为氮气,扫描速度为10°/min,温度范围为25 ℃~800 ℃;氮吸附分析(BET)由V-Sorb 2800仪器测试,其孔径测试范围为0.35~400 nm。
2 结果与分析 2.1 单掺、双掺激发剂掺量、种类以及比例的优化单掺的激发剂通过浆体不同龄期的抗压强度,直接优选,双掺激发剂在单掺激发剂优选的基础上,通过正交设计,以7 d的抗压强度为例计算出极差和方差,得出最佳激发剂种类、最佳掺量以及最佳比例。试验所考察的激发剂种类、掺量以及双掺比例如表 1所示,试验符合正交设计中的L9(34),其试验结果分析如表 2所示。通过计算极差值和方差值反映出不同因素的强弱和各水平的优劣。
从极差值可以看出,激发剂种类和激发剂掺量对抗压强度影响较大,并且得出最佳掺量为3%,激发剂种类为CH+Na2SiO3激发效果最好,最优双掺比例为3:1。由表 3可知激发剂类型对7 d抗压强度的影响显著性较大,双掺比例的显著性较小。
通过表 2和表 3正交试验结果分析可确定最优双掺量为CH+ Na2SiO3,为进一步明晰单掺CH与双掺之间在激发时效上的差异性,选用了大掺量粉煤灰掺量为50%[9]为研究对象,结果如图 1(a)所示。
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从图中可以看出,与未掺激发剂相比(空白组),无论单掺或双掺,3 d时浆体的抗压强度略有差异,相比较而言,双掺组的浆体强度略高于空白组,表明双掺CH+Na2SiO3组的激发时效为3 d,单掺CH,7 d时浆体的抗压强度略高于空白组,说明单掺CH真正起激发时需水化7 d有一定作用。
图 1(b)是粉煤灰掺量为50%和70%时相同掺量CH+Na2SiO3的激发效果对比图,从图中可以得出粉煤灰掺量为50%时的激发时效是3 d,粉煤灰掺量为70%时的激发时效是7 d,由此可以得出粉煤灰掺量不同,其激发时效也不同,说明各种激发剂在探讨激发效果与激发时效时要强调粉煤灰的量。
2.3 激发剂对浆体的初凝、终凝时间以及孔溶液pH值的影响对于粉煤灰-水泥体系激发剂的研制,除了宏观的强度指标考察外,还需重点考察激发剂掺入后是否延长浆体或混凝土的凝结时间。选用粉煤灰掺量为30%和50%的浆体进行试验,结果如表 4所示。从表中可以得出粉煤灰掺量为50%的试样较粉煤灰掺量为30%的试样的初凝和终凝时间长,在终凝时间上相差14 min。当掺入激发剂后,无论单掺或双掺,凝结时间均降低。单掺在初凝上较双掺有明显的作用,双掺在终凝上较单掺好,表明所配制的激发剂缩短粉煤灰-水泥体系的凝结时间,这对实际工程是有益的。
图 2为粉煤灰掺量为50%试样在不同龄期内的pH值图,由图中可以看出pH值最低是13.11,说明保持粉煤灰-水泥体系能够反应的最低pH值是13.11,单掺CH的试样的pH值在3、7 d时,远远高于复掺CH+Na2SiO3(以下简称复掺)和未掺加激发剂的试样。
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初期掺入CH中的OH-溶于溶液中导致pH值骤升,对比图 1(a)强度值,与未掺相比单掺的CH激发效果不是很明显,而在14 d时pH值骤降此时可能开始发生火山灰反应,同时在28 d时,与未掺加激发剂的试样相比的pH值基本相近,也间接反映了该激发剂早期有一定激发效果,在28 d作用相对变弱;双掺激发剂试样pH值在3 d和7 d时高于未掺试样,低于单掺的CH,表明该激发剂促进了水泥水化,而14 d时低于未掺和单掺激发剂的试样,表明此时激发剂同时对粉煤灰产生明显激发效果,导致pH值骤降,同样在28 d单掺、复掺和未掺加激发剂试样的pH值基本一致,也说明双掺激发剂在28 d后的激发时效逐渐减弱。
2.4 激发剂激发机理微观分析对于微观分析,采用水胶比为0.5,粉煤灰掺量为50%,激发剂掺量为3%的硬化浆体试样。分为对比组(单掺CH和双掺CH+NS)和空白组(未掺激发剂试样),同条件成型养护,检测试样达龄期后用无水乙醇中止水化,真空抽滤后制样待测。
2.4.1 XRD分析XRD主要用于分析水泥水化反应前后浆体中的晶相变化,以此定性分析激发剂对粉煤灰早期活性激发效果。图 3分别是粉煤灰掺量为50%(空白组)、单掺CH和双掺CH+Na2SiO3试样的XRD图谱。
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从图 3(a)可以看出未掺加激发剂的浆体中早期(3 d和7 d)有大量的Ca(OH)2、未水化粉煤灰中的莫来石、未水化的C3S和少量的钙矾石,随着水化反应进行CH含量在降低,在水化28 d时有钙矾石的衍射峰。图 3(b)中单掺CH后与图(a)对比,晶体相产物相同,但在水化3 d时有一定的水化铝酸钙(C-A-H)衍射峰,表明CH对粉煤灰结构的破坏有一定作用,即CH有一定激发作用,而在水化后期水化铝酸钙因结构不稳定以及硫酸盐相存在逐步转变为钙矾石,尤其是14 d后钙矾石的量明显高于未掺激发剂的试样,并且C3S随龄期的增长,衍射峰值降低,说明掺入的激发剂CH也促进了后期水泥水化。图 3(b)与图 3(c)对比,可以看出双掺激发剂后水化铝酸钙在早期3 d和7 d时较明显,在7 d后钙矾石含量也显著增加,表明双掺激发剂对粉煤灰的结构破坏明显,促使粉煤灰里的活性Al2O3和活性SiO2与溶液中的碱发生化学反应。
2.4.2 SEM-EDS分析SEM用于观察浆体早期水化产物的形貌,借此可判断激发剂对粉煤灰活性激发后水化产物的变化,再辅以微区能谱分析(EDS)可大致分析水化产物化学成分的大概范围。图 4为粉煤灰掺量为50%在未掺、单掺和双掺激发剂的试样,在养护3、7、28 d的SEM-EDS图。
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未掺激发剂的SEM如图 4(a)和4(b)所示,在3、7 d时产生板状Ca(OH)2,管状、棒状的C-S-H凝胶、一定量的针棒状的钙矾石,并且含有大量表面光滑的粉煤灰颗粒,水化产物钙硅比为1.8,高于1.5,生成的主要是Ⅰ型C-S-H凝胶,结构较为疏松多孔。从图 4(c)可以观察出,在28 d时,生成蜂窝状的Ⅱ型C-S-H凝胶,并且由EDS得出钙硅比为1.2。当掺入激发剂后,图 4(d)、(e)可以看出,在3、7 d时已经生成相对较多针棒状完整的钙矾石(这一点和图 3(b)中XRD分析结果相同)和絮状的C-S-H凝胶,其结构较图 4(a)和图 4(b)紧密,并且粉煤灰表面有些粗糙,当水化28 d时(图 4(f)所示),粉煤灰颗粒表面明显地产生了凹坑,这是粉煤灰被腐蚀造成的,并且整体结构较未掺加激发剂更加致密。对于双掺试样,在3 d时(如图 4(g))产生了板条状、卷箔状薄片、棒状、管状等形态的Ⅰ型C-S-H凝胶,还生成了针棒状的钙矾石,并且各种水化产物相互穿插,结构致密紧凑;在7 d时(如图 4(h)),生成大量絮状C-S-H凝胶,并且根据EDS可知Ca/Si比降至1.5,28 d时Ca/Si也降低至1.1,并且结构较未掺加激发剂的试样较紧密。与双掺相比,单掺试样在后期的钙硅比较双掺低。
2.4.3 TG-DTG分析粉煤灰-水泥水化产物极其复杂,单一的微观分析手段,并不能完全证明形成某种水化产物,往往需要2种或者2种以上微观手段相互佐证方可,在水泥基材料中常用的XRD与综合热分析进行验证,并进行定量分析。由硬化浆体的宏观性能图 1、图 3和图 4知,在3 d时激发剂有一定的激发作用,但水化产物数量之间不会有太大差异,故选取7、14和28 d的试样进行热重分析。
图 5分别为未掺、单掺和双掺激发剂硬化浆体的TG-DSC曲线。由TG-DTG图可知试样水化后,主要有3次明显的热失重,即在100 ℃~200 ℃、400 ℃~550 ℃和600 ℃~750 ℃之间存在3个较大的吸热峰,由水泥化学知,分别对应的是C-S-H凝胶和钙矾石脱水,Ca(OH)2和CaCO3分解。其中试样中有CaCO3吸热峰表明试样有部分碳化,CaCO3数量的变化也直接反映了CH含量的变化。在100 ℃~200 ℃范围内(图 5所示),相同龄期下,双掺激发剂的DTG曲线包围的面积大于未掺和单掺,随着龄期延长,这种变化越显著,表明形成的C-S-H凝胶和钙矾石数量在增多,尤其是C-S-H含量的增多,表面积不断增大,吸附水的能力增加,在加热时失重DTG曲线变化就越显著;同样未掺激发剂的CH和CaCO3的失重曲线,包围的面积随龄期增加略有增长,表明水泥不断水化形成CH量增加,而粉煤灰的二次火山灰作用微弱,消耗的少,整体CH量还是增加,相反单掺和双掺激发剂后,CH和CaCO3包围的面积在逐步减小,将CaCO3数量统一折算为CH含量,具体结果如表 5所示。
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由表 5中Ca(OH) 2含量变化知,未掺激发剂时CH含量随龄期增加在增加,表明浆体自身在不断水化,粉煤灰的水化作用微弱,而随着单掺和双掺激发剂的加入,整体上CH的含量均在降低,相比较而言,双掺激发剂在7 d时,CH含量相对高,表明该激发剂也激发了水泥的水化,通过14 d CH含量降低,进一步证明该激发剂促使粉煤灰发生二次火山灰反应。
2.4.4 BET分析氮吸附法是用于测定比表面积和微孔孔径分布的最常用、最可靠的方法,在水泥基材料中主要是凝胶孔分布。图 6分别是未掺、单掺和双掺激发剂试样在7、28 d时的吸附/脱附曲线。从图 6(a)中可以看出在7 d时,随着相对压力增加,吸附量增加。单掺CH和双掺CH+NSi的试样的吸附脱附量均高于未掺加激发剂的试样,并且单掺CH的试样吸附量较双掺CH+NSi吸附量高,达到53.9 556 cm2/g,这一过程主要是与形成的低密度C-S-H凝胶有关,表明激发剂主要促进水泥的水化,这一点与图 3~5的结果一致;其次双掺激发剂试样的吸附和脱附曲线明显不同,表明孔隙形态发生变化,归因于激发了粉煤灰的火山灰反应,表现为孔结构更加细化比表面增加(结果见表 6)。在图 6(b)中可以看出3者之间的吸附/脱附量基本相近,但是双掺CH+NaSi的试样的吸附脱附曲线明显和单掺CH的试样不同,说明在28 d时二者产生的孔结构不同。
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表 6是未掺、单掺以及双掺激发剂的硬化浆体的比表面积,在7 d时,掺激发的试样的比表面积均大于未掺激发剂的试样,且双掺CH+ NSi的试样的比表面积较单掺CH试样高。在28 d时单掺CH的试样与未掺激发剂的试样的比表面积基本一致,双掺CH+NSi的试样尤其高,说明双掺CH+NSi激发剂在改善孔结构方面有一定的优势。
图 7是未掺、单掺和双掺样品在7 d和28 d时的孔径分布图。由图 7(a)可知7 d时,未掺激发剂的样品孔径分布曲线宽而矮,孔径分布范围是10~100 μm,单掺激发剂样品的孔径分布图较未掺样品高而窄,最可几孔径为90 μm,双掺样品的孔径分布图较两者均高而窄,孔径分布范围是20~100 μm,最可几孔径是50 μm。图 7(b)为28 d时未掺、单掺和双掺样品的孔径分布图,与未掺和单掺相比,双掺样品的孔径分布曲线明显的高而窄,单掺和未掺样品的孔径分布曲线基本一致,此时最可几孔径均为50 μm。
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粉煤灰玻璃体中网络形成离子([SiO4]4-、[AlO4]5-)较多,结构稳定性较强,导致早期水化活性较低。因此,粉煤灰活性激发的关键是如何使Si-O和Al-O键断裂,而粉煤灰浸出液pH值一般在6左右,呈微酸性,因而激发要在碱性环境中方可。文献[8]中粉煤灰-水泥体系中,在水化28 d时粉煤灰的平均反应程度只有5%,说明粉煤灰在水泥体系中的强碱性环境还很难激发,2.2节研究表明粉煤灰玻璃体网络的破键和浆体孔溶液的碱性密切相关,必选选用更高pH值的激发剂。
Na2SiO3是一种强碱弱酸盐,与水泥水化生成的产物Ca(OH)2反应生成NaOH,即Na2SiO3+ Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·nH2O+2NaOH。高pH值的氢氧化钠溶液对粉煤灰表面有强烈的腐蚀作用,同时网络变形体碱金属离子Na离子的引入,也使得活性低的粉煤灰玻璃体出现断裂解聚,逐渐破坏硅(铝)氧网络,使玻璃体结构解离,并在粉煤灰表面形成许多硅酸根离子和铝酸根离子,因此,Na2SiO3激发剂的加入能加速粉煤灰颗粒的水化。粉煤灰中钙含量偏低,仅靠水泥水化产生的Ca(OH)2提供的Ca2+还不足以满足其需求。因此,必须适当的为水化体系补充Ca2+,这样CH+Na2SiO3的复合使粉煤灰在钠-钙-硫共同作用下,既提供了其结构破坏的强碱环境,加速活化又提供了形成胶凝材料必要的条件Ca2+,通过共同激发所得的高活性小分子SiO2和Al2O3,与水泥水化产物Ca(OH)生成具有性质的水化产物,通过XRD、SEM和热重分析进一步证明形成的产物主要是水化硅酸钙、钙矾石,早期还有一定量的水化铝酸钙(C-A-H)等。
3 结论1) 通过大掺量粉煤灰激发剂单掺试验确定Ca(OH)2的掺量为3%时激发效果好;通过正交设计、宏观抗压强度以及极差和方差分析确定,双掺激发剂种类为CH+NSi时激发效果最好,且最优比例为3:1,其掺量也为3%。
2) 单掺CH与双掺CH+NSi对粉煤灰激发时效表明,粉煤灰掺量为50%时,单掺CH激发时效为7 d,粉煤灰掺量为50%、70%时,双掺CH+NSi的作用时效均为3 d;浆体孔溶液的pH表明,对粉煤灰激发的最低值是13.11。
3) 通过XRD、SEM、TG-DTG以及BET微观分析知,粉煤灰-水泥浆体中掺入激发剂后,CH+NaS激发剂既促进了水泥的水化,又激发了粉煤灰结构的解离,使早期(3 d或7d)有大量外形完整的C-S-H(Ⅰ),水化硫酸酸钙和钙矾石;单掺的CH早期主要是激发水泥,对粉煤灰的激发作用微弱。双掺激发剂的加入也显著改善了硬化浆体的孔结构,使其产生大量1~2 nm凝胶孔。
4) 通过宏观定性分析和微观检测相结合分析机理知,CH+NSi双掺激发剂既促进了水泥的水化,又激发了早期粉煤灰的活化,使煤灰在钠-钙-硫共同作用下加速其裂解、水化,同时提供了形成胶凝材料必要的条件Ca2+,使早期强度能快速提高。
[1] |
GHOSH R K, SINGH N, SINGH S B. Effect of fly ash amendment on metolachlor and atrazine degradation and microbial activity in two soils[J]. Environmental monitoring and assessment, 2016, 188(8): 482. DOI:10.1007/s10661-016-5486-x (0)
|
[2] |
LUO Zhongtao, MA Baoguo, YANG Jiujun, et al. Effects of fineness on activity character of fly ash[J]. Advanced materials research, 2011, 266: 114-117. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.266 (0)
|
[3] |
ZHANG Longsheng, LI Guhua, HUANG Wu, et al. The effect of slate powder on fly ash in suppressing alkali activity of slate aggregate[J]. Applied mechanics and materials, 2013, 357-360: 1450-1454. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMM.357-360 (0)
|
[4] |
WANG Hailiang, ZHANG Xiedong. Study on the effect of fly ash mix amount in large volume pile cap concrete on heat of hydration[J]. Applied mechanics and materials, 2015, 744-746: 832-836. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMM.744-746 (0)
|
[5] |
ALAKA H A, OYEDELE L O. High volume fly ash concrete:the practical impact of using superabundant dose of high range water reducer[J]. Journal of building engineering, 2016, 8: 81-90. DOI:10.1016/j.jobe.2016.09.008 (0)
|
[6] |
SINGH N, SINGH S P. Carbonation resistance and microstructural analysis of low and high volume fly ash self compacting concrete containing recycled concrete aggregates[J]. Construction and building materials, 2016, 127: 828-842. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2016.10.067 (0)
|
[7] |
KARAHAN O. Transport properties of high volume fly ash or slag concrete exposed to high temperature[J]. Construction and building materials, 2017, 152: 898-906. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2017.07.051 (0)
|
[8] |
黄士元, 许丽萍. 粉煤灰水泥浆体的组成、结构与力学性能[J]. 上海建材学院学报, 1989, 2(3): 201-210. HUANG Shiyuan, XU Liping. Constituent, structure and mechanical properties of fly ash cement paste[J]. Shanghai institute of building materials, 1989, 2(3): 201-210. (0) |
[9] |
钱文勋.粉煤灰早期活性激发及其机理研究[D].南京: 南京水利科学研究院, 2002.
(0)
|
[10] |
张茂亮, 杨久俊. 激发剂在大掺量粉煤灰水泥中的应用研究[J]. 材料导报, 2007, 21(6): 146-148. ZHANG Maoliang, YANG Jiujun. Study on the application of excitant in cement gelatin with high volume fly-ash[J]. Materials review, 2007, 21(6): 146-148. DOI:10.3321/j.issn:1005-023X.2007.06.037 (0) |
[11] |
HOANG K, JUSTNES H, GEIKER M. Early age strength increase of fly ash blended cement by a ternary hardening accelerating admixture[J]. Cement and concrete research, 2016, 81: 59-69. DOI:10.1016/j.cemconres.2015.11.004 (0)
|
[12] |
KATZ A. Microscopic study of alkali-activated fly ash[J]. Cement and concrete research, 1998, 28(2): 197-208. DOI:10.1016/S0008-8846(97)00271-8 (0)
|
[13] |
黄士元, 蒋家奋, 杨南如, 等. 近代混凝土技术[M]. 西安: 陕西科学技术出版社, 1998.
(0)
|