碱激发低活性粉煤灰复合胶凝材料制备与性能研究

摘要

粉煤灰是中国当前排放量最大的工业废料之一。目前，我国粉煤灰的利用率一直徘徊在 70％左右，主要集中在对颗粒细、质量优的干排粉煤灰的运用。低活性粉煤灰因玻璃体含量低、含碳量不稳定、颗粒分层、处理工艺复杂、活性低、含水率高等特点，无法直接作为矿物掺合料，难以实现工业化应用。当前低活性粉煤灰以露天堆放为主，占用大量土地资源，带来严重的大气和土壤污染。因此，寻找一条切实可行的方法提高低活性粉煤灰有效利用率迫在眉睫。 课题以低活性粉煤灰为原材料，水玻璃为激发剂，辅以富钙掺合料(熟石灰、矿渣、钢渣)制备了三种不同体系的碱激发低活性粉煤灰复合胶凝材料。研究了粉煤灰粉磨时间、掺合料掺量、水玻璃的模数和用量、水固比等原材料性质以及养护制度、环境温度等外界因素对复合胶凝材料胶凝性能的影响，对比得出了合理的激活方式。并结合XRD、FTIR、SEM等微观测试手段探究了碱激发低活性粉煤灰微观结构演变规律，分析了其与净浆强度的内在联系，初步探究了其反应机理及影响强度的关键因素。研究结果表明： 三种不同的碱激发低活性粉煤灰复合体系都有着类似的规律：凝结时间随着富钙掺合料掺量增加而缩短，随着体系碱当量的增加而延长；而净浆抗压强度则随着富钙掺合料掺量和体系碱当量的增加而增长。过高的体系碱当量与水玻璃模数均会对体系的后期强度造成不利影响。综合考虑，三种体系的较优配比分别为：碱激发石灰-粉煤灰体系为熟石灰掺量15%，水玻璃模数1.4、体系碱当量10%，水固比0.4；碱激发矿渣-粉煤灰体系为矿渣掺量25%，水玻璃模数1.6、体系碱当量10%，水固比0.4；碱激发钢渣-粉煤灰体系则为钢渣掺量40%，水玻璃模数1.6、体系碱当量10%，水固比0.4。 碱激发低活性粉煤灰复合胶凝材料力学性能发展较缓慢，其早期强度偏低。利用湿热养护可显著提高复合胶凝材料的力学性能，特别是其早期强度。但过高的养护温度会使得体系后期强度出现明显的倒缩。综合力学性能发展的考虑，三种体系的较优养护制度均为：60℃下湿热养护9h。此时，碱激发石灰-粉煤灰体系、碱激发矿渣-粉煤灰体系、碱激发钢渣-粉煤灰体系3d净浆抗压强度分别为16.4 MPa、28.4 MPa、18.8 MPa，56d强度分别为20.4 MPa、30.0 MPa、26.6 MPa。 微观分析表明，碱激发低活性粉煤灰复合胶凝材料主要反应产物为铝硅酸盐、C-S-H等无定形凝胶，这些无定形的凝胶是构成低活性粉煤灰复合胶凝材料强度的主要因素。此外，在反应过程中并无新的结晶相生成。

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