粉煤灰和炉渣作水泥混合材及粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土的强度影响研究

粉煤灰和炉渣作水泥混合材及粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土的强度影响研究 粉煤灰和炉渣作水泥混合材及粉煤灰掺量对不同水胶 比混凝土的强度影响研究 西安建筑科技大学硕士学位 粉煤灰和炉渣作水泥混合材及粉煤灰掺量对不同水胶比 混凝土的强度影响研究 专 业:学 姓 名:张 超 指导老师:何廷树教 授 李国新副教授 摘 要 粉煤灰和炉渣具有一定的火山灰活性,将这些废渣用作建筑材料,是大量消 耗废渣,减少其对环境污染的一种有效途径,同时也可提高企业的经济效益, 是 企业新的经济增长点。有鉴于此,本文主要对某地煤矸石热电厂排放的大量 粉煤 灰和炉渣进行了作为水泥混合材的配方优化试验研究,同时研究了粉煤灰掺 量对 不同水胶比混凝土强度的影响。 作为水泥混合材的试验结果表明:该地排放的粉煤灰属于高钙灰,SO 含量超 3 标,不宜单独用作水泥混合材,但适量的该粉煤灰与其他废渣混合使用,可以作 为水泥混合材。炉渣的 CaO和 SO 及烧失量含量均低,经磨细后完全可以作为水 3 泥混合材使用。由于粉煤灰的 CaO、SO 含量高,而炉渣 CaO和 SO 含量低,故 3 3 两种废渣混合使用,可克服粉煤灰 CaO和 SO 含量高的缺陷。在单独使用炉渣或 3 复合使用粉煤灰和炉渣作为水泥混合材时,在满足水泥性能要求的前提下,均存 在昀佳的石膏掺量。 作为混凝土掺合料的强度试验结果表明:随着粉煤灰掺量增大,高水胶比混 凝土强度降低幅度明显大于低水胶比混凝土的强度降低幅度;对所有水胶比下的 混凝土,随着粉煤灰掺量增大,7d强度降低幅度明显大于 28d强度降低幅度。 关键词:粉煤灰;炉渣;水泥;混合材;掺合料;西安建筑科技大学硕士学位论文 Study on fly ash and cinder used as cement admixture and the influence of fly ash dosage on the strength of concrete Specialty: Science of Materials Name: Chao Zhang Instructor: Professor He TingshuAssociate professor Li Guoxin Abstract With a certain degree of pozzolan activity,using fly ash and cinder as a building materials are efficient to consume waste and reduce environmental pollutionSimultaneously,it can also improve the economic benefit and be a new economic growth point of the enterprises. In view of this,this paper focuses on the study of feasibility by experiment of using high calcium fly ash and cinder from a coal gangue thermal power plant as cement admixture and the impact of mixing amount of fly ash to the strength of concrete in different water-binder ratioCement test results show that the fly ash,a high-calcium one with impermissible levels of SO , should not be used for cement admixture alone, but in right amount, it can 3 be used as cement admixture with other cinders. With low CaO,SO and ignition loss, 3 the cinder from the thermal power plant is proved to be used as cement admixture after grinding. The defect of high content of CaO,SO in fly ash can be overcome when it is 3 mixed with cinder, low content of CaO, SO , from the thermal power plant. The optimal 3 mixing ratio of gypsum on the performance of cement,when cinder is used alone or mixed with fly ash as cement admixture is given Concrete test results show that,with the increasing of fly ash content,the strength reduction of high water-binder ratio concrete is significantly greater than that of low water-binder ratio ones;For concrete in all range of water-binder ratio,with the increasing of fly ash content,the 7d strength reduction is significantly greater than that of 28dKeywords: fly ash; cinder; cement; Mixed material; Admixtures; 西安建筑科技大学硕士学位论文 目录 1 绪论. 1 1.1 课题背景. 1 1.2 粉煤灰和炉渣的组成1 1.2.1 粉煤灰的组成. 1 1.2.2 炉渣的组成2 1.3 粉煤灰在混凝土中的作用 2 1.3.1 粉煤灰的活性作用2 1.3.2 粉煤灰的减水作用2 1.3.3 粉煤灰的充填、密实作用3 1.3.4 粉煤灰的稳定作用3 1.3.5 粉煤灰的二次水化反应 3 1.4 粉煤灰对混凝土强度的影响3 1.5 国内外研究现状. 4 1.5.1 粉煤灰和炉渣作水泥混合材的研究现状4 1.5.2 粉煤灰作混凝土掺合料的研究现状. 5 1.6 课题研究的意义及主要内容6 1.6.1 课题研究的意义 6 1.6.2 课题研究的主要内容. 6 2 试验原材料、仪器及试验方法7 2.1 试验原材料 7 2.1.1 水泥熟料、水泥 7 2.1.2 粉煤灰. 7 2.1.3 炉渣7 2.1.4 骨料7 2.1.5 石膏8 2.1.6 外加剂. 8 2.2 试验仪器设备8 2.3 试验方法. 9I西安建筑科技大学硕士学位论文 2.3.1 粉煤灰和炉渣作水泥混合材试验..9 2.3.2 泵送剂配制试验9 2.3.3 混凝土拌制养护试验.9 2.3.4 混凝土抗压强度的测定试验..10 3 粉煤灰及炉渣的理化性质研究11 3.1 粉煤灰和炉渣的物理性质..11 3.1.1 粉煤灰的物理性质11 3.1.2 炉渣的物理性质.11 3.2 粉煤灰和炉渣的化学成分及物相11 3.2.1 X射线荧光分析..11 3.2.2 化学分析.12 3.2.3 X射线衍射物相分析(XRD)..13 3.3 本章小结15 4 粉煤灰和炉渣作水泥混合材配方优化研究.17 4.1 普通硅酸盐水泥 P?O42.5R配方优化及性能研究17 4.1.1 混合材掺量对 P?O42.5R水泥力学性能的影响17 4.1.2 石膏掺量对 P?O42.5R水泥力学性能的影响.17 4.1.3 所配制 P?O42.5R水泥的细度、标准稠度需水量、凝结时间和安定 性 .18 4.2 复合硅酸盐水泥 P?C42.5R配方优化及性能研究19 4.2.1 混合材掺量对 P?C42.5R水泥力学性能的影响19 4.2.2 石膏掺量对 P?C42.5R水泥力学性能的影响.20 4.2.3 所配制 P?C42.5R水泥的细度、标准稠度需水量、凝结时间和安定 性 .20 4.3 复合硅酸盐水泥 P?C32.5R配方优化及性能研究21 4.3.1 混合材掺量对 P?C32.5R水泥力学性能的影响21 4.3.2 石膏掺量对 P?C32.5R水泥力学性能的影响.22 4.3.3 所配制 P?C32.5R水泥的细度、标准稠度需水量、凝结时间和安定 性 .22 4.4 本章小结23 5 粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土强度的影响研究.24 5.1 粉煤灰的掺入方式和掺量..24 5.1.1 粉煤灰的掺入方式24 5.1.2 粉煤灰掺量24 II 西安建筑科技大学硕士学位论文 5.2 确定原材料用量及配合比25 5.2.1 原材料用量 25 5.2.2 配合比设计 26 5.3 试验结果及分析28 5.3.1 水胶比为 0.60时粉煤灰掺量对混凝土强度的影响. 28 5.3.2 水胶比为 0.55时粉煤灰掺量对混凝土强度的影响. 29 5.3.3 水胶比为 0.50时粉煤灰掺量对混凝土强度的影响. 30 5.3.4 水胶比为 0.45时粉煤灰掺量对混凝土强度的影响. 31 5.3.5 水胶比为 0.40时粉煤灰掺量对混凝土强度的影响. 32 5.3.6 水胶比为 0.35时粉煤灰掺量对混凝土强度的影响. 33 5.3.7 水胶比为 0.30时粉煤灰掺量对混凝土强度的影响. 34 5.4 本章小结35 6 结论与展望37 6.1 结论. 37 6.1.1 水泥试验结论37 6.1.2 混凝土强度试验结论37 6.2 展望. 37 参考文献. 39 致谢 414III西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 课题背景 粉煤灰是火力发电厂排放的固体废弃物,它是一定细度的煤粉在锅炉中燃烧 (1100~1500?)后,由除尘器收集到的粉状物质。据统计我国电力工业年排灰 量 超过 1亿吨,平均利用率约 40%,历年积存的粉煤灰已超过 10亿吨。炉渣是煤燃 烧后产生的废渣,常被视为废物,堆积存放将会占用大量土地,并且堆放过久会 发生化学反应,一旦生成有害物质渗入地下水,将会直接污染地下水资源,危及 人体健康,同时还会产生灰尘污染空气。合理利用粉煤灰、炉渣不仅能变废为宝、减少占地、降低污染,还能为社会 和企业带来巨大的经济效益。粉煤灰、炉渣现在已成为配制高性能混凝土、大体 积混凝土、高强混凝土的重要矿物掺合料之一,掺有粉煤灰和炉渣的水泥和混凝 土制品具有水化热低、耐腐蚀性好、流动度好、后期强度高、微膨胀性等优点, 且在淡水和硫酸盐介质环境中具有很好的抗侵蚀性,因此被广泛用于地下、水工、 [1] 海工建筑工程中 。 国家大力提倡节能减排,因此充分利用大量堆积的粉煤灰、炉渣,研发二者 应用新技术,治理环境污染、节约资源与能源、促进建筑材料的发展与环境相协 调、具有很好的社会效益、环境效益和经济效益。 1.2 粉煤灰和炉渣的组成 1.2.1 粉煤灰的组成 粉煤灰又称飞灰,是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出,被 2 收尘器收集的物质,粉煤灰呈灰褐色,通常呈酸性,比表面在 2500~7000cm /g, 尺寸从几百到几微米,通常为球状颗粒,我国大多数粉煤灰的主要化学成分为; SiO 40%~60%;Al O 15%~40%;Fe O 4%~20%;CaO2%~7%;烧失量 3%~ 2 2 3 2 3 10%。此外,还有少量的 Mg、Ti、S、K、Na 等氧化物。其中氧化硅、氧化钛来 自黏土,页岩;氧化铁主要来自黄铁矿;氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐 [2] 和硫酸盐 。原状粉煤灰的品质指标如表 1.1所示。 1西安建筑科技大学硕士学位论文 表 1.1 原状粉煤灰的品质指标 项目 细度 0.08mm方孔 烧失量 三氧化硫 需水量比 含水率 筛筛余量 % % % % 指标 ?20 ?8 ?3 ?115 ?1 粉煤灰的颗粒越细,微小玻璃球形颗粒越多,比表面积也越大,粉煤灰中的 [3] 活性成分也就越容易和水泥中的 CaOH 化合,其活性就越高 。另外,随着细 2 度的增加,粉煤灰的比重增大,标准稠度需水量减小,浆体的密实度及强度增大, 同时,由于粉煤灰的密度小于水泥的 30%以上,从而增加了灰浆体积,足量的灰 浆填充在混凝土孔隙空间,覆盖和润滑骨料颗粒,增加了拌合物的粘聚力和可塑 性,改善了混凝土的和易性,加上细小的粉煤灰颗粒可以填充未水化水泥颗粒空 [4] 隙,形成更加密实的结构,这些都有利于提高混凝土的强度 。 1.2.2 炉渣的组成 炉渣主要来源于煤燃烧后产生的废渣,主要化学成分含氧化钾、氧化钠、氧 [5] 化钙、氧化镁、二氧化硫、氧化铝以及三氧化硫等 ,其中二氧化硫和氧化铝含量 较高,具体比例要根据产生炉渣的原煤和具体工艺过程而定。炉渣作为一种煤燃 烧后的废渣,具有一定的活性,通过相关研究,已经证实炉渣能够用作水泥混 合 材,且具有很好的效果和作用,并能在一定程度上节省成本,减少对环境的污染。 1.3 粉煤灰在混凝土中的作用 1.3.1 粉煤灰的活性作用 在混凝土硬化过程中水泥熟料矿物水化反应在先,火山灰二次反应在后,这 两类水化反应交替进行,水泥熟料水化反应,为火山灰反应提供 CaOH ,粉煤灰 2 为熟料矿物水化反应提供较多水化产物沉淀场合,促进水泥熟料矿物的水化,粉 [6] 煤灰二次反应的水化产物 C-S-H 凝胶与水泥熟料生成的凝胶类似 。 1.3.2 粉煤灰的减水作用 粉煤灰与多数其它矿物粉料不同,其需水性可能接近硅酸盐水泥。粉煤灰对 混凝土用水量的影响取决于其品质,优质粉煤灰有减水作用,主要是粉煤灰微粒, [7] 吸附于水泥颗粒表面 ,能起滚珠轴承作用。 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 1.3.3 粉煤灰的充填、密实作用 混凝土中应用优质粉煤灰,在新拌混凝土阶段,粉煤灰充填水泥颗粒之间, 使水泥颗粒“介絮”扩散,改善和易性,增加粘聚性和浇注密实性,使混凝土初始结 [8] 构致密化 。 1.3.4 粉煤灰的稳定作用 混凝土中水泥水化析出的氢氧化钙是活性物质,混凝土化学侵蚀破坏多半是 [9] 氢氧化钙引起的 ,粉煤灰的火山反应,就是对化学性质不稳定的成分用化学方法 稳定下来,从而消除不稳定根源。粉煤灰于混凝土中取代部分水泥,昀明显的物 理稳定行为就是降低混凝土内部温升,对大体积混凝土工程尤为重要。另外,掺 粉煤灰的新拌混凝土和易性、粘聚性、稳定性得到改善,在运输、浇注等过程中 [10] 不致发生离析现象,对结构稳定有明显作用 。 1.3.5 粉煤灰的二次水化反应 粉煤灰中活性成分之所以能参与火山灰反应,在于粉煤灰颗粒中的玻璃相在 碱性条件下可以破裂而溶出活性成分,然后得以与 CaOH 反应生成 C-S-H 这种 2 [11] [12-14] 对强度有贡献的产物 。有研究 表明:在混凝土中,粉煤灰的玻璃相在 28d 前只发生表面蚀刻,而没有真正破裂溶出大量活性成分,28d以后玻璃相中溶出的 活性成分大大增加。粉煤灰取代部分水泥以后,由于粉煤灰活性较低,而反应又 是与水泥水化产物 CaOH 发生的二次水化反应,因而生成 C-S-H 凝胶的速度较 2 慢,这样在 28d以内,其水泥石中 C-S-H凝胶的数量较少,从而引起强度的下降; 28 天以后的初期水泥水化进行到一定程度,沉积在水泥颗粒表面的水化产物达到 相当的厚度,未水化的那部分颗粒与水接触十分困难,水化进行的非常缓慢,水 化生成的 C-S-H 凝胶数量增加得很少,因而此时,强度的增长仍有限,此时,粉 煤灰主要发挥的是物理效应;达到 90d 以后,粉煤灰的活性成分吸附的 CaOH 2 逐渐的由物理吸附转变成化学反应,CaOH 的量大幅度下降,使水泥石在后期结 2 构中 C-S-H 凝胶增加较多。这就是掺入粉煤灰的混凝土,其早期强度降低而随龄 期增长其强度快速增长的主要原因。 1.4 粉煤灰对混凝土强度的影响 材料的强度取决于材料成分和内部结构,是材料中反应产物和孔隙率的综合 体现。混凝土材料的成分中起主导作用的是水泥石,而水泥石中起主导作用的是 3西安建筑科技大学硕士学位论文 [15] C-S-H 凝胶 。即混凝土的成分中起关键作用的是 C-S-H 凝胶的数量,而混凝土 材料的结构,即为三个层次的界面结构:粗骨料-水泥石界面结构、细骨料-水泥石 界面结构和水泥颗粒之间的界面结构,三个层次的界面结构互相联系,但影响较 [16] 大的是粗骨料-水泥石界面结构 。粉煤灰的掺入,不但会影响水泥石的矿物构成 和性能结构,而且影响骨料与水泥石的界面结构,因而影响混凝土的结构。此外, 粉煤灰中的玻璃珠粒形完整,表面光滑,粒度较细,质地致密,多孔颗粒极少, 因此在搅拌成型过程中不会大量吸水,使得水泥浆体的需水量降低,初始结构得 [17] 到改善 。同时粉煤灰中的球形颗粒在混凝土中起滚珠润滑作用,可以减少骨料 之间,骨料与浆体之间的摩擦,改善拌合物的和易性来提高混凝土的强度。 1.5 国内外研究现状 1.5.1 粉煤灰和炉渣作水泥混合材的研究现状 在生产水泥的过程中,为了改善水泥性质,调节水泥强度而加入水泥中的人 工或天然矿物材料,称为水泥混合材料。水泥混合材按其活性的不同,分为活性 混合材料和非活性混合材料,粉煤灰、炉渣即属于常用活性材料。在水泥中掺加 两种或多种混合材,可不同程度地提高水泥的力学强度和性能,并已在很多水泥 厂中得到了应用。水泥混合材的优化组合,即混合材的酸性和碱性、活性与惰性 的合理搭配,对水泥具有优良的增强效果。从理论上讲,其增强作用主要有以下 两方面: (1)活性混合材中酸性氧化物与水泥中碱性水化物化合效应。在水泥中有矿 粉或粉煤灰等活性 SiO 含量较多的混合材存在情况下,它可以与水泥水化 析出的 2 [18] 大量 CaOH 发生化合反应 。当它与混合材中的活性 SiO 反应后,本身含量减 2 2 少,并形成相应的纤维状水化硅酸钙凝胶,使水泥石结构更加密实和牢固。但因 该项反应是在水泥熟料逐步水化后析出 CaOH 的条件下进行的,常温下反应速 2 度较慢。所以,对水泥石结构的增强作用主要体现在水泥水化和硬化的后期,即 28d龄期附近及以后的强度显著增加。 英国阿伯丁Aberdeen 大学泰勒教授认为水泥水化的主要驱动力之一就是酸 [19] 碱反应 。据此观点,水泥中酸性活性混合材在碱性水泥浆体水化过程中的作用, 势必有利于增加水泥某一水化阶段的驱动力。从而也可提高水泥石在该阶段的力 学强度。 (2)惰性混合材中碱性氧化物及其无机盐的晶种作用。由于石灰石或硅灰石 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 这些碱性无机盐微粉填充物的存在,为碱性硅酸盐水泥浆体的水化和硬化提供了 许多起“晶种”作用的结点,从而加速了发生在水泥水化产物薄膜上的核晶作用,促 进了薄膜的破裂和水泥颗粒的继续水化与硬化,而水泥水化初期产物形成速度的 加快,特别是水化硫铝酸钙等早强产物的形成,必然对水泥石早期强度的发展起 相应的促进和增强作用。因此,水泥中碱性混合材的作用,对提高水泥的早期强 度包括3d和7d强度具有明显的效果。另外当水泥中含有极细的CaCO 微粉时,还 3 [20] 可能形成单碳铝酸钙,也具有一定的早强效果 。 水泥混合材优化一般规律为: (1)提高水泥早期3d、7d 强度的有利条件是:混合材的碱性和惰性同时具 备;提高水泥后期28d强度的有利条件是:混合材的酸性与活性同时具备。 (2)不同类别混合材的优化组合方法应以其酸性和碱性、活性与惰性的合理 搭配为基础,相组合的各类混合材性质差别越大,越有利于取其优势,补其不 足。 (3)采用昀佳的混合材组合方式,不仅能够使水泥的早期强度和后期强度均 有提高,而且可以较多地利用廉价混合材和增加混合材掺量。 目前粉煤灰作为水泥混合材已经广泛应用到建材领域。对粉煤灰作水泥混合 材进行研究,无论在宏观上还是微观上都有极其重要的现实意义。在国际上,许 多国家也在纷纷制订掺有混合材的水泥国家标准,在使用水泥时掺加一定数量的 拌合料配制高性能混凝土也是国外混凝土研究的热门课题。粉煤灰作为废渣用于 水泥混合材,既减少了对环境的污染,又有效地降低了成本,而且当前对粉煤灰 [21] 等量和超量取代水泥均有较为成熟的研究结果 ,具体研究要结合粉煤灰的原产 地和技术指标来进行。炉渣作水泥混合材的研究也变得越来越普遍,对于特定煤 矸厂等地产生的炉渣,对其进行物理性质和化学性质的分析,进而用作水泥混合 材,也是一种变废为宝的有效措施。因此,粉煤灰和炉渣对于建筑行业来说在一 定时期内仍将被作为水泥的有益补充。 1.5.2 粉煤灰作混凝土掺合料的研究现状 国外对粉煤灰的开发利用较早,在 20 世纪 30 年代就探索利用粉煤灰配制粉 煤灰混凝土,并且取得了巨大成功和显著的经济效益。如美国 1938年完工的玻尼 维尔坝以及 40年代中期美国垦务局等工程部门在建造蒙大拿州俄马坝工程中,大 规模地应用了粉煤灰;日本国内从 1953-1963 年共建筑了 27 座粉煤灰混凝土水坝 [22] 。 我国粉煤灰研究开发利用始于 20 世纪 50 年代,主要集中在水泥和混凝土应 5西安建筑科技大学硕士学位论文 用开发试验研究,并已在工程建设中广为应用,如 20 世纪 50 年代中期东北地区 冶金基地建设,稍晚些时候的三门峡水利枢纽工程和广西大化水电站的建设及近 [23] 年来的城市高层建筑如上海东方明珠塔等 。 粉煤灰用于混凝土有其优缺点。掺入一定量的优质粉煤灰可以降低混凝土的 用水量,在水胶比不变的情况下,减少了胶凝材料用量,从而降低了混凝土的 水 [24] 化热温升。但是,掺粉煤灰的混凝土,早期强度较低 。至今比较成熟的技术和 已建成生产线的有:粉煤灰加气混凝土、粉煤灰混凝等,由此可见,开发研究以粉 煤灰为掺合料的混凝土具有重要意义,配制粉煤灰混凝土是粉煤灰综合利用的主 要途径之一。 1.6 课题研究的意义及主要内容 1.6.1 课题研究的意义 粉煤灰、炉渣作为建筑材料已经在实际生产中得到广泛的应用,取得了显著 的科研、经济价值。如何优化的将粉煤灰、炉渣用作水泥混合材、如何更加合理 地将粉煤灰用于混凝土掺合料,仍需要结合实际情况做出更加系统而深入的研究。 1.6.2 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容有: (1)粉煤灰和炉渣的理化性质研究。 (2)粉煤灰和炉渣作水泥混合材试验研究。 (3)不同水胶比条件下,粉煤灰掺量对混凝土强度的影响研究。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 试验原材料、仪器及试验方法 2.1 试验原材料 2.1.1 水泥熟料、水泥 (1)在粉煤灰和炉渣作水泥混合材试验中,取用的水泥熟料来源于浙江声威 水泥集团公司。使用水泥熟料,加适量石膏(以 SO 含量计为 3.0%),粉磨至 比表 3 2 面积 340m /kg(80μm筛余 2.1% ),即得硅酸盐水泥,测其胶砂强度即为水 泥熟 料强度,结果如表 2.1所示。 表 2.1 水泥熟料强度 3d(MPa) 7d(MPa) 28d(MPa) 抗折 抗压 抗折 抗压 抗折 抗压 6.4 32.3 7.3 39.1 9.4 52.6 (2)在粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土强度影响的试验中,取用的水泥为浙 江声威集团泾阳水泥分公司P?O42.5R级水泥,其物理力学性能指标如表 2.2所示。 表 2.2 P?O42.5R 级水泥物理力学性能 凝结时间 min 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 安定性 标准稠度用水量/% 初凝 终凝 3d 28d 3d 28d 合格 27.2 140 230 6.0 8.5 30.4 46.4 2.1.2 粉煤灰 (1)在粉煤灰和炉渣作水泥混合材试验中,取用的粉煤灰来源于某煤矸石热 电厂,密度、堆密度均在规定范围内,但偏上限。 (2)在粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土强度影响的试验中,取用的粉煤灰为 ?级灰,细度为 45 μm,筛余量为 18.5%。 2.1.3 炉渣 在粉煤灰和炉渣作水泥混合材试验中,炉渣来源于某煤矸石热电厂。 2.1.4 骨料 3 (1)砂:?河中砂,细度模数为 2.6,含泥量为 1.6%,堆积密度为 1453kg/m , 3 表观密度为 2694kg/m 。 (2)石:陕西泾阳口镇碎石,5-20mm连续级配,含泥量为 0.6%,针片状含 7西安建筑科技大学硕士学位论文 3 3 量为 3.5%,压碎指标为 8.5%,堆积密度为 1680kg/m ,表观密度为 2710kg/m 。 2.1.5 石膏 汉中西乡的二水石膏,纯度为 75%。 2.1.6 外加剂 在粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土强度影响试验中,外加剂选用自主复配泵 送剂,原料为萘系高效减水剂(粉剂),氨基高效减水剂(水剂),葡萄糖酸钠, 十二烷基苯磺酸钠,其复配比例如表 2.3所示。 表 2.3 泵送剂复配比例(kg/t) 萘系高效减水剂 氨基高效减水剂 葡萄糖酸钠 十二烷基苯磺酸钠 水 160 320 25 4 491 2.2 试验仪器设备 (1)水泥净浆搅拌机; (2)截锥圆模:上口直径 86mm,下口直径 60mm,高度为 60mm,内壁光滑 无接缝的金属制品; (3)玻璃板:400mm×400mm; (4)秒表; (5)钢直尺:300mm; (6)刮刀; (7)药物天平:称量 100g,分度值 0.01g; (8)药物天平:称量 1000g,分度值 1g; (9)搅拌机:单卧轴强制式混凝土搅拌机 HJW?30 型,功率 1.0kW,搅拌 粒直径 3~5cm,净重 280kg,电压 380kV,沈阳巨林检测仪器设备制造有限公 司; (10)电子称:两种。称量骨料:昀大秤量 30kg,分度值 10g,上海大 华电子秤厂;称量胶凝材料:昀大秤量 6kg,分度值 2g,上海嘉定计量三分厂 经 销; (11)拌铲,量筒,拌版。 (12)振动台,试模,刮刀,机油等。 (13)数字式压力试验机:TYA?2000 型电液式压力试验机,昀大试验力 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 2000kN,精度等级 1级,无锡市路达公路仪器有限公司制造; (14)LM?02型数字式测力仪苏(制)05860080。 2.3 试验方法 2.3.1 粉煤灰和炉渣作水泥混合材试验 (1)将水泥熟料、炉渣、石膏矿破碎成小于 2mm的颗粒,并分别混合均匀、 装袋。由于石膏掺量少,以颗粒状添加,误差较大,故再将小于 2mm的颗粒状 石 膏粉磨成粒度小于 80μm的粉体,并混合均匀待用。 (2)使用 Ф305×305 磨机,每次磨料 3kg,将水泥熟料、粉煤灰或炉渣混合 材及二水石膏粉加入磨机,磨至规定细度,即得普通硅酸盐水泥或复合硅酸 盐水 泥。 (3)采用沸煮法测试所配水泥的体积安定性。 2.3.2 泵送剂配制试验 (1)在水泥净浆搅拌机中,加入一定量的水泥,泵送剂和水进行搅拌,将搅 拌好的净浆注入截圆锥模内,提起截圆锥模,测定水泥净浆在玻璃平面上自 由流 淌的昀大直径。从加水时间计时,将 30s 后测量的水泥净浆收回至筒内,30min后 [25] 再测量流淌的直径 。 (2)根据国标《GB/T 8077-2000》的规定,按照上述步骤,测量出昀佳试验 结果,该次试验 30s 流淌直径为 240mm,30min 后流淌直径为 155mm。符合流动 度的要求。根据该次试验复配比例,昀终确定合适的外加剂掺入量配比。 2.3.3 混凝土拌制养护试验 (1)混凝土拌制、成型及养护方法。采取机械搅拌法。按照所定配合比称取 各材料用量,依次倒入搅拌机中。开动搅拌机,向搅拌机内依次加入石子、砂、 水泥和粉煤灰,搅拌均匀,再将水和泵送剂徐徐加入,搅拌时间为 160 秒。其后 将拌合物从搅拌机内取出,测定其坍落度进行检测,如果坍落度在 180~220mm之 间则可以置于试模内。将试模在振动台上振动不超过 20秒,将试模取下振动台, 放置拆模处,如果坍落度过大或过小,则调整泵送剂重新拌制。 (2)试件成型后在 20?5?情况下静放 1昼夜,然后编号拆模。拆模后试件放 入温度为 20?3 ?,湿度为 90%以上的标准养护室养护,直至试验龄期。 (3)试模拆装完,清理干净并涂刷机油,将试模有序堆放,待下次试验使用。9 西安建筑科技大学硕士学位论文 2.3.4 混凝土抗压强度的测定试验 将成型并按试验龄期养护的试件擦干并测量尺寸,精确至 1mm,并计算试件 受压面积。将试件放在压力机的承压板中心,并使试件成型时的侧面作为受压面。 开动试验机,当上压板与试件接近时,调整球座使接触平衡。加荷时,应连续而 均匀,加荷速度为:混凝土强度等级低于 C30时,取 0.3~0.5MPa/s;混凝土强度 等级高于或等于 C30时,取 0.5~0.8MPa/s。加荷至试件破坏,记录极限破坏荷载。 10 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 粉煤灰及炉渣的理化性质研究 对某煤矸石热电厂粉煤灰的密度、堆密度、细度,以及炉渣的表观密度等物 理性能进行了研究;采用 X 荧光分析仪、化学分析法、X 射线衍射分析仪对粉煤 灰及炉渣的化学成分、物相组成等进行了详细研究。 3.1 粉煤灰和炉渣的物理性质 3.1.1 粉煤灰的物理性质 该电厂的粉煤灰为原状灰,颜色为灰黑色,含水率为 0.67%,密度、堆密度及 细度如表 3.1所示: 表 3.1粉煤灰物理性质 3 3 2 密度,g/cm 堆积密度,g/cm 45 μm筛余,% 比表面积,m /kg 烧失量,% 2.51 0.79 17.8 344 7.0 3 3 粉煤灰的密度一般为 1.95~2.50 g/cm , 堆积密度 0.550~0.80 g/cm 。由 表 3.1 数据可以看出:该热电厂粉煤灰密度和堆密度在均范围内,但偏上限,说明粉 煤 灰中可能含有比重大的矿物。 3.1.2 炉渣的物理性质 该电厂的炉渣为块状,颜色为灰黑色,烧失量 2.0%,粒度范围为 5~25mm, 3 表观密度为 1.52g/cm。 3.2 粉煤灰和炉渣的化学成分及物相分析3.2.1 X射线荧光分析 粉煤灰的 X射线荧光多元素分析结果如表 3.2和表 3.3所示: 表 3.2 粉煤灰的化学组成 元素 SiO Al O CaO SO Fe O KO MgO TiO 2 2 3 3 2 3 2 2 ω % B 41.04 20.38 10.91 10.26 6.464 1.37 0.797 0.754 元素 NaO P O BaO MnO SrO Cl V O ZrO 2 2 5 2 5 2 ω % 0.566 0.55 0.413 0.955 0.8982 0.039 0.023 0.021 B 元素 Cr O CuO ZnO MoO RbO NiO Y O ? 3 3 3 2 2 3 11西安建筑科技大学硕士学位论文 ω % B 0.015 0.0127 0.008 0.002 0.0073 0.005 0.0038 93.83 表 3.3 炉渣的化学组成 元素 SiO Al O Fe O KO SO CaO MgO TiO 2 2 3 2 3 2 3 2 ω % B 55.73 22.15 5.521 2.573 2.54 1.775 0.879 0.827 元素 NaO P O BaO MnO ZrO SrO Cr O Rb O 2 2 5 2 2 3 2 ω % B 0.581 0.209 0.129 0.0562 0.0265 0.0221 0.016 0.0143 元素 V O CuO ZnO NiO Y O Cl ?2 5 2 3 ω % B 0.014 0.0102 0.0091 0.006 0.003 0.032 93.09粉煤灰的活性主要来自 活性 SiO 玻璃体 SiO 和活性 A1 O 玻璃体 2 2 2 3 [26] A1 O 在一定碱性条件下的水化作用 。因此,粉煤灰中活性 SiO 、活性 A1 O 2 3 2 2 3 和 f-CaO游离氧化钙都是活性的有利成分,硫在粉煤灰中一部分以可溶性 石膏 CaSO 的形式存在,它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用。粉煤灰中的钙 4 含量一般 3%左右,它对胶凝体的形成是有利的。国外把 CaO 含量超过 10% 的粉煤灰称为 C 类灰,而低于 10%的粉煤灰称为 F 类灰。C 类灰其本身具 有 一定的水硬性,可作水泥混合材,F 类灰常作混凝土掺合料,它比 C 类灰使 用时的水化热要低。 粉煤灰中少量的 MgO、Na O、K O 等生成较多玻璃体,在水化反应中会 2 2 促进碱硅反应。但 MgO 含量过高时,对安定性带来不利影响,过量的 Fe O 2 3 对粉煤灰的活性也不利。 由表 3.2和 3.3数据可知:该煤矸石热电厂粉煤灰属高钙灰(C 类灰) ,且 SO 3 含量较高,但氧化镁含量低,当碱含量约 1.4%~1.5%,用该粉煤灰做混合材时, 需要采用压蒸法研究水泥的安定性;炉渣的氧化钙和氧化镁含量均低,且 SiO 含 2 量较高。从多元素分析结果来看,炉渣作水泥混合材的效果好于粉煤灰。 3.2.2 化学分析 因为 X 射线荧光多元素分析,其结果不如化学分析准确,故对粉煤灰和炉渣 作水泥混合材质量影响较大的化学成分,又进行了化学分析。粉煤灰和炉渣中的 CaO、MgO、SiO 、Al O 、K O、Na O、SO 等含量的化学分析结果,如表 3.4和 2 2 3 2 2 3 3.5所示。 12 西安建筑科技大学硕士学位论文 表 3.4 粉煤灰的化学成分分析 组分 总碱 KO Na O CaO MgO SiO Al O SO 2 2 2 2 3 3 含量(%) 0.70 0.30 0.76 10.76 2.46 26.84 22.20 9.20 表 3.5 炉渣的化学成分分析 组分 总碱 KO Na O CaO MgO SiO Al O SO 2 2 2 2 3 3 含量(%) 1.89 0.39 1.67 3.40 2.62 64.86 22.11 1.09 化学分析和 X 射线荧光多元素分析的结果较为接近,粉煤灰碱含量低,氧化 钙含量高于 10%,属于高钙灰,SO 含量也高,由于粉煤灰的技术指标及分级 标准 3 (GB1596-1991)规定 SO ?3%(见表 3.6) ,按此标准,该粉煤灰 SO 含量超 标, 3 3 但不影响其作为水泥混合材使用,但是掺量不要过高。炉渣碱含量稍高,但氧 化 钙和 SO 含量低,氧化硅和氧化铝含量高。 3 表 3.6 粉煤灰的技术指标与分级(GB1596-1991) 级别 技术标准 ? ? ? 细度(0.045mm筛余),% ? 12 20 45 需水量比,% ? 95 105 115 烧失量,% ? 5 8 15 3 3 3 三氧化硫,% ? 含水率,% ? 1 1 不要求 化学分析结果表明:该煤矸石热电厂粉煤灰 CaO含量高,用作水泥混合材时, 需要采用压蒸法检测其安定性是否合格,同时 SO 含量超过 GB1596 标准的规定, 3 严格地讲,不能作为混合材或作混合材的掺量会受到限制;炉渣完全适合作为水 泥混合材和混凝土掺合料使用。 3.2.3 X射线衍射物相分析(XRD) 对该煤矸石热电厂粉煤灰和炉渣进行了 X 射线衍射物相分析,结果如图 3.1 和图 3.2所示:13西安建筑科技大学硕士学位论文 800 700 600 500 400 300 200 100 0 20 40 60 80 2θ图 3.1 粉煤灰的 XRD图 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 20 40 60 80 2θ 图 3.2 炉渣的 XRD图 由图 3.1可知:粉煤灰的主要物相为石英、石灰、硬石膏、赤铁矿和不定性 物 质;主要化学成分含量约为 SiO :61.89%,CaO:13.04%,CaSO :6.8%,Fe O : 2 4 2 3 8.16%。 由图 3.2可知:炉渣的主要物相为石英、伊利石、硬石膏、磁赤铁矿及不定 性 物质;主要化学成分含量约为 SiO :86.44%,CaSO :4.98%,Fe O :4.11%。 2 4 2 3 14 Intensity Intensity西安建筑科技大学硕士学位论文 3.3 本章小结 (1)该煤矸石热电厂粉煤灰氧化钙含量较高(>5%),属于高钙粉煤灰,因 此,用作水泥混合材或混凝土掺合料时,要采用压蒸法检测安定性是否合格; 粉 煤灰中硬石膏含量高,故 SO 含量较高,粉煤灰的技术指标及分级标准 3 (GB1596-1991)规定 SO ?3%,按此标准,该粉煤灰 SO 含量超标,因此,其 3 3 作为水泥混合材使用,掺量不宜过高。 (2)除 SO 含量超标外,该煤矸石热电厂粉煤灰其他技术指标满足 ?级粉煤 3 灰技术指标要求。 (3)该煤矸石热电厂炉渣 SiO 含量高,钙含量低,硬石膏含量低,SO 含量 2 3 及烧失量均符合?级粉煤灰技术要求。 (4)理化性质研究表明,该煤矸石热电厂炉渣经磨细后是一种较好的水泥混 合材。15西安建筑科技大学硕士学位论文 4 粉煤灰和炉渣作水泥混合材配方优化研究 采用声威水泥熟料,某煤矸石热电厂粉煤灰或炉渣作为混合材,汉中西乡石 膏作调凝剂,分别配制普通硅酸盐水泥 P?O42.5R 和复合硅酸盐水泥 P?C42.5R 及 P?C32.5R等水泥,系统研究了混合材掺量、石膏掺量对各种水泥力学性能的影响, 获得了各种水泥的昀佳配方。同时,对各 种水泥的标准稠度需水量、凝结时间进 行了研究,且采用沸煮法和压蒸法对水泥的安定性进行了研究。 4.1 普通硅酸盐水泥 P?O42.5R配方优化及性能研究 4.1.1 混合材掺量对 P?O42.5R水泥力学性能的影响 普通硅酸盐水泥混合材掺量昀大不能超过 20%,石膏掺量折合为水泥中 SO 3 含量不大于 3.5%。因此,固定水泥中 SO 含量为 3.0%(混合材中 SO 与石膏中 3 3 SO 之和),进行了粉煤灰或炉渣掺量(分别为 10%、15%、20%)对水泥胶砂强 3 度的影响,如表 4.1所示。 表 4.1 不同混合材掺量对所配制 P?O42.5R 水泥强度的影响 3d(MPa) 7d(MPa) 28d(MPa) 编号 FA(%) 炉渣(%) 抗折 抗压 抗折 抗压 抗折 抗压 P1 10 0 5.1 23.3 6.7 32.1 8.2 49.8 P2 15 0 4.6 22.2 5.7 30.5 8.0 49.9 P3 20 0 4.4 23.4 5.4 28.2 8.7 48.5 P4 0 10 5.4 25.6 7.1 35.4 8.9 45.7 P5 0 15 5.0 23.5 6.0 32.2 8.5 45.8 P6 0 20 4.7 21.9 5.7 30.8 8.6 44.4 P7 5 10 4.2 22.9. 6.2 33.3 8.7 44.6 P8 10 10 4.2 20.4 5.4 28.8 7.9 45.4 结果表明:当水泥中 SO 含量为 3.0%时,单掺炉渣所配制的水泥,其早期强 3 度明显高于单掺粉煤灰所配制的水泥,但后期强度低于掺粉煤灰的,说明炉 渣的 早期活性优于粉煤灰的;单掺粉煤灰或炉渣作混合材,掺量均为 10%;考虑综 合 利用,优化配方选取二者混合使用作混合材,掺量约为 15%。 4.1.2 石膏掺量对 P?O42.5R水泥力学性能的影响 依据 4.1.1 中混合材掺量对 P?O42.5R 水泥力学性能的影响试验结果,固 定 P?O42.5R 水泥中混合材掺量 15%,对石膏掺量(以 SO 百分含量计)对 P?O42.5R 3 17西安建筑科技大学硕士学位论文 水泥力学性能的影响进行了研究,如表 4.2所示。 表 4.2 石膏掺量对所配制 P?O42.5R水泥力学性能的影响 3d(MPa) 7d(MPa) 28d(MPa) 编号 FA(%) 炉渣(%) SO(%) 3 抗折 抗压 抗折 抗压 抗折 抗压 P9 15 0 3.0 4.7 23.8 6.6 41.4 8.9 48.9 P10 15 0 3.2 4.6 24.6 6.2 37.5 8.5 48. 3 P11 15 0 3.4 4.6 22.2 5.7 30.5 8.0 49.9 P12 0 15 2.4 5.1 25.7 7.6 38.9 8.6 48.5 P13 0 15 2.6 5.4 26.6 7.3 37.0 8.0 47.4 P14 0 15 2.8 4.6 24.9 6.4 32.2 7.4 46.8 P15 5 10 2.5 4.6 24.2 7.2 38.1 9.2 48.3 P16 5 10 2.7 4.9 25.1 6.6 36.2 8.3 47.7 P17 5 10 2.9 3.9 23.8 7.0 35.3 8.6 48.8 结果表明:在 SO 含量为 2.4%~3.5%范围内时,对于不同的混合材,存在着 3 合适的石膏掺量,此时水泥早期强度昀高;采用 15%粉煤灰配制混合材 P?O42.5 水泥,合适 SO 含量为 3.0%,采用 15%炉渣混合材配制 P?O42.5 水泥,合适 SO 3 3 含量为 2.4%,5%粉煤灰+10%炉渣混合材 P?O42.5 水泥,合适 SO 含量为 2.5%。 3 4.1.3 所配制 P?O42.5R水泥的细度、标准稠度需水量、凝结时间和安定性 依据前两节试验结果,得出单独采用粉煤灰或炉渣作混合材,以及粉煤灰与 炉渣混合使用作混合材,配制的 3种 P?O42.5R水泥的合适配方和力学性能,如表 4.3所示。 表 4.3 采用 3 种不同种类混合材所配制的 P?O42.5R 水泥配方及力学性能 3d(MPa) 7d(MPa) 28d(MPa) 编号 FA(%) 炉渣(%) SO(%) 3 抗折 抗压 抗折 抗压 抗折 抗压 P18 15 0 3.0 4.7 23.8 6.6 41.4 8.9 48.9 P19 0 15 2.4 5.1 25.7 7.6 38.9 8.6 48.5 P20 5 10 2.5 4.6 24.2 7.2 38.1 9.2 48.3 对以上 3种 P