超細粉煤灰對水泥與高效減水劑相容性的影響

超細粉煤灰對水泥與高效減水劑相容性的影響

摘要：利用電廠低品位熱能為動力，對低等級粉煤灰進行粉碎，通過對摻高效減水劑的水泥凈漿流動度及流動度損失的測定，研究不同細度的磨細灰對水泥與高效減水劑相容性的影響。采用Zeta電位試驗分析了超細粉煤灰細度對水泥漿體帶電性能的影響。試驗結果表明：超細粉煤灰對水泥和高效減水劑的相容性有明顯的改善作用；粉煤灰細度越小效果越好，但過度細化會對相容性產生負面效應。不同細度的粉煤灰在去離子水中的Zeta電位值不同，粉煤灰所帶電荷的絕對值越大，分散均化能力越強。

關鍵詞：超細粉煤灰；高效減水劑；相容性；Zeta電位

引言

粉煤灰是火力發電廠排放的固體廢物，也是一種活性礦物資源，具有特殊的活性效應、形態效應和微集料效應[1-3]，高品質的粉煤灰已成為混凝土必不可少的成分。目前研究較多的是I、II級粉煤灰在混凝土中的應用，由于我國電廠排放的粉煤灰優質灰較少，95%以上的為III級灰或等外灰，活性較低，不能直接用作水泥混合材和高性能混凝土活性摻合料，因此，高效低成本的研究開發低等級粉煤灰粉磨技術具有較大的經濟效益和社會效益。

如能使生產的超細粉煤灰在混凝土的制備中得到廣泛應用，既可改善水泥與高效減水劑的相容性、提高混凝土的抗侵蝕能力及耐久性[5-8]，節約水泥用量，還可解決粉煤灰對環境的污染。但在混凝土制備過程中經常遇到水泥與減水劑相容性問題，有時盡管高效減水劑摻量很大，而混凝土仍顯得干硬或坍落度經時損失很大，這些相容性問題會影響混凝土的正常工作。所以在混凝土中引入粉煤灰，需先了解超細粉煤灰對水泥與高效減水劑相容性的影響。

本研究利用火電廠低品位熱能高效低廉的對低等級粉煤灰磨細，討論了利用過飽和蒸氣氣流磨制備的不同細度的超細粉煤灰對水泥與高效減水劑相容性的影響，以便為超細粉煤灰在混凝土中的應用提供參考。

本試驗制備4種細度的粉煤灰，見表2。

1.3試驗方法

1.3.1水泥凈漿流動度測試

關于相容性的問題，國內外學者進行了一些研究[9-10]，并驗證了用水泥凈漿流動度測試方法來檢測水泥與減水劑相容性的可行性。本試驗采用GB50119—2003《混凝土外加劑應用技術規范》附錄A“混凝土外加劑對水泥的適應性檢測方法”，通過測定飽和點值、流動度經時損失兩個指標來檢測和評價水泥、粉煤灰和高效減水劑相容性。（注：試驗室平均溫度為18℃）。

所謂飽和點是指減水劑摻量增加到某一值后再增加用量，流動度不再增加，相反會出現水泥與骨料的離析，這一減水劑用量稱為飽和點[11]，在圖上表示為外加劑摻量與水泥凈漿流動度變化曲線的拐點。飽和點外加劑摻量低、流動度大且經時損失小的外加劑對水泥適應性好。

1.3.2Zeta電位測試

Zeta電位是一個表征分散體系穩定性的重要指標，粉煤灰及減水劑可吸附在水泥顆粒表面，由于靜電斥力的作用，促進粒子間的分散，從而影響水泥漿體的流動性。

本試驗采用測定Zeta電位的方法分析超細粉煤灰細度對水泥漿體帶電性能的影響。

2、試驗結果與分析

2.1高效減水劑的飽和點

圖1為W/B=0.32時水泥與萘系高效減水劑拌和后5、30和60min的流動度。

從圖1可看出W/B=0.32時，在雙馬水泥中加入四川柯帥萘系高效減水劑后，初始流動度較大，有明顯的飽和點，但飽和點高效減水劑用量達1.0%左右，且飽和點處的流動度經時損失大，因此雙馬水泥與四川柯帥萘系高效減水劑相容性一般。

2.2粉煤灰對水泥與高效減水劑相容性的影響

圖2為W/B=0.32時摻有30%F3粉煤灰的水泥與萘系高效減水劑拌和后5、30和60min的流動度。

比較圖1、2可以看出，摻入超細粉煤灰的雙馬水泥與四川柯帥萘系高效減水劑的相容性得到了改善，主要表現為：與同水膠比的凈漿相比，初始流動度由180mm增大至210mm，飽和點值由1.0%降低到0.8%左右，流動度經時損失減小。這與粉煤灰的形貌特征、細粒級配以及緩凝作用是分不開的。

從圖3的掃描電子顯微鏡圖可以看出，原狀的低等級粉煤灰多為60μm左右的玻璃子母珠和海綿狀多孔玻璃體，表面粗糙多孔。而粉煤灰經粉碎后，粒度大的玻璃珠和海綿狀多孔玻璃體已經被破壞，產生了大量1~5μm的粉煤灰微珠，這些微珠表面光滑，粒徑小，具有更好的形態效應，改善了灰的顆粒級配形狀和結構，既能增加漿體流動度，又能充當微集料填充在水泥顆粒的縫隙中，使水化后的漿體更加密實。此外，粉煤灰顆粒的表面部分為蒸發沉淀的堿性硫酸鹽所覆蓋，它易于溶解并延緩鋁酸鹽的水化，避免了水泥骨架的過早形成[12]，因此粉煤灰取代水泥時表現出了緩凝，從而減少了漿體的流動度損失。

從圖2可以看出，摻入超細粉煤灰的雙馬水泥漿，在飽和點以后，流動度損失接近于0，當摻量達到1.2%時，水泥漿的經時流動度持續增長，沒有損失，其主要原因可能為：①四川柯帥萘系高效減水劑的緩凝成分延緩了水泥顆粒的水化速率，使得漿體經時流動度沒有損失；②水化初期水泥顆粒對高效減水劑的吸附并不完全，吸附過程的持續進行保證了漿體經時流動度的持續增長。

2.3粉煤灰細度對水泥與高效減水劑相容性的影響

圖4、5為W/B=0.32時，分別摻4種不同細度粉煤灰的雙馬水泥與四川柯帥萘系高效減水劑拌和后5min的流動度以及5和60min之間的流動度經時損失率。4種粉煤灰的細度如表2所示，摻量為30%，高效減水劑的摻量分別為0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.6%。

由表2可知，粉煤灰細度F1<F2<F3<F4，結合圖4、5可以看出，摻F2的雙馬水泥與四川柯帥萘系高效減水劑的相容性最好，流動度達280mm，飽和點值為0.6%左右，流動度經時損失較??；摻F1的最差，表現為飽和點值偏大（1.0%~1.2%），流動度經時損失過大，最高達-58.3%。由圖4可知，摻F2、F3、F4的水泥漿的流動度經時損失率相差不大，并且隨著減水劑摻量的增加，流動度經時損失逐漸減少，當摻量為0.8%左右時經時損失接近0。當減水劑摻量繼續增大時，出現了60min后流動度增大的趨勢。

因而對于磨細的粉煤灰取代水泥，隨著粉煤灰的細化會增加水泥與高效減水劑的相容性，但過細的粉煤灰會產生負面影響。一般說來，粉煤灰被充分細化后，獲得了很高的表面能，當高效減水劑摻入后，減水劑優先吸附于磨細的粉煤灰顆粒上，而由于靜電斥力使水泥顆粒迅速分散開來，表現出較好的和易性，同時越細的粉煤灰，其比表面積越大，巨大的比表面積對高效減水劑起到載體作用，降低了它的飽和點，從而改善了水泥與高效減水劑的相容性。但同時，粉煤灰越細，巨大的比表面積使得顆粒的吸附能力增強，形成絮凝結構的趨勢增大，以至對水泥與高效減水劑的相容性帶來負效應，表現出較差的相容性。

由圖4可見，當高效減水劑摻量較低（0.4%左右）時，F1的初始流動度最小，但隨著減水劑摻量的增加，流動度增幅較大。這是由于粉煤灰越細比表面積越大，細度的減小帶來的負效應大于正效應，最終使相容性變差。另一方面也說明減水劑用量太小，無法滿足流動度的要求，需要增加減水劑用量來提高相容性。

2.4超細粉煤灰細度對水泥漿體帶電性能的影響

2.4.1超細粉煤灰在水中的Zeta電位

取4種細度的粉煤灰各0.2g，分別放入4個盛有100mL水的燒杯中，用超聲波分散，采用英國馬爾文儀器公司生產的納米粒度及Zeta電位分析儀對不同細度的磨細粉煤灰測試其在水中的Zeta電位，測試結果如表3所示。

由表3可知，粉煤灰細度不同，在去離子水中的Zeta電位值也不同，4種細度的粉煤灰在去離子水中的Zeta電位的絕對值依次為F2>F3>F4>F1，其中F2的Zeta電位絕對值最大，達-49.7mV。結合圖4可以看出，由于粉煤灰帶同種電荷，因而超細粉煤灰在水泥基材中起到了分散、勻化作用[13]。粉煤灰在去離子水中的Zeta電位絕對值越大，分散、勻化能力越強，越能增強水泥漿體的和易性。

2.4.2粉煤灰及減水劑對水泥顆粒表面Zeta電位的影響

取3個200mL的燒杯，燒杯I中加入100mL去離子水、0.2g水泥；燒杯II中加入100mL水、0.14g水泥、0.06g超細粉煤灰F2；燒杯III中加入100mL0.5g/L的四川柯帥萘系高效減水劑、0.14g水泥、0.06g超細粉煤灰F2，分別攪拌5min并用超聲波分散，測其Zeta電位值，試驗結果見圖6。

由圖6可見，水泥漿體隨著水化過程的進行，Zeta電位逐漸由正變負，且電位的絕對值較小。在水泥漿體中加入粉煤灰后，Zeta電位絕對值明顯增大，當進行到1h時電位的絕對值接近于摻有減水劑的漿體的電位值。該結果說明，粉煤灰的加入使水泥顆粒表面的帶電電荷增多，對水泥顆粒的分散作用增強，宏觀上如圖2所示，表現為水泥漿流動度大幅上升，和易性增強。

當萘系減水劑和粉煤灰復合加入水泥漿體中，Zeta電位值達-30.6mV，且電位隨時間變化很小。結合凈漿試驗說明，減水劑與粉煤灰復合加入對水泥顆粒的分散、勻化效果更好，流動性增大，且水泥漿體在長時間內保持穩定性。這是由于當水泥分散體系中摻加減水劑時，在水泥粒子的表面形成了一層吸附膜。它們在溶液中電解后被吸附在水泥粒子上使其帶上負電荷，吸附的結果使水泥粒子表面雙電層發生變化，Zeta電位值顯著增加。當然，磨細粉煤灰顆粒同樣要吸附減水劑，增加磨細粉煤灰顆粒間的Zeta電位，從而增加漿體的流動性。

3、結論

（1）以低等級粉煤灰為原料，利用過飽和蒸氣氣流磨制備的超細粉煤灰可以明顯改善萘系減水劑與水泥相容性，表現為：提高漿體的流動性，降低高效減水劑的飽和點。

（2）粉煤灰細度會對水泥與高效減水劑的相容性產生影響，細度越小改善效果越好，但細度的影響有限，過細的粉煤灰會對相容性產生負效應。

（3）不同細度的粉煤灰在去離子水中的Zeta電位值不同，粉煤灰所帶電荷的絕對值越大，分散勻化能力越強。四川柯帥萘系高效減水劑和超細粉煤灰復合加入水泥漿體中可使水泥漿體的和易性增強，且在長時間內保持穩定性。