粉煤灰早期活性激发及其机理研究

【摘要】： 近年来，随着现代混凝土技术的发展以及对粉煤灰潜在效应认识的不断深入，高掺量粉煤灰混凝土在土木工程中的应用研究越来越受到人们的重视，尤其是在水工大坝大体积混凝土结构中。但是研究资料显示：粉煤灰高量掺入混凝土后带来了早期强度过低的问题。因此，如果可以通过适宜的技术途径激发粉煤灰早期活性，调整粉煤灰潜在活性在水化期的时段分布，使高掺量粉煤灰混凝土早期强度明显提高，无疑将促进粉煤灰大规模利用技术更加完善与实用。同时，粉煤灰活性激发机理是高掺量粉煤灰混凝土设计与应用的理论基础，也是该领域研究的热点和难点。 粉煤灰活性激发剂及其激发机理研究是本文的重点。 本文采用化学激发措施激发粉煤灰活性，具体研究路线为：首先以砂浆为试验载体(粉煤灰60％+水泥40％，质量百分比)，优选单掺效果显著的化学激发剂，在此基础上，考察各种激发剂的不同组合对粉煤灰活性激发的效果，得到较优复掺配方，随后通过正交试验优化配方掺量，最终得到激发剂配方；将配方应用于高掺量粉煤灰混凝土中(粉煤灰占总胶凝材料质量百分比的60％)，检验其实际效果。 实验结果表明：所得七组激发剂配方在粉煤灰-水泥砂浆体系中激发效果显著，与同条件下不掺激发剂的对比组相比，3d抗压强度都有超过150％的增长，最高的达210％，同时，正交试验优化激发剂配方后，激发剂掺量(不计高效减水剂)均在1.0％～1.5％，经济上较为合理，工艺上较为可行；掺入混凝土中时，部分配方激发混凝土早期强度效果明显，3d抗压强度可提高55％，强度等级从C25提高至C35。 从激发剂研制的整个过程来看，粉煤灰早期活性的激发效果主要取决于激发剂内在的化学特性。此外，有两个因素也不容忽视：其一是激发剂是否具有降低高掺灰砂浆或者混凝土水胶比的能力；其二是激发剂的拌入工艺，这是因为激发剂掺量少，容易产生搅拌不均匀而影响激发效果。 在粉煤灰活性激发机理的研究中，采用了X射线衍射技术(XRD)考察掺 与不掺激发剂组间Ca（O广量的变化和水化产物的特征，同时采用扫描电于显 微镜（SEM）和微区能谱分析（EDS），从水化产物的形貌和微区元素组成的角 度系统分析了激发剂对粉煤灰活性激发的机理；此外，在国内首次将固体核磁 共振（NMR）技术应用于粉煤灰一水泥体系中，从硅氧、铝氧聚合态结构角度分 析了激发剂对粉煤灰一水泥浆体中硅氧结构和铝氧结构的活化作用。同时，本文 在机理探讨时结合了宏观定性研究，以此验证激发剂的作用对象。 结果显示：激发剂激发了粉煤灰一水泥体系中粉煤灰的早期活性；激发剂的 确破坏了粉煤灰玻璃体中部分硅氧结构和铝氧结构，使之解聚成活性较高的小 分于结构，同时，随着激发剂中网络变性体（碱金属离子Na和 K等）或者网 络中间体川的引入，也使得活性低的粉煤灰玻璃体出现断裂解聚，所得的高活 性个分子消耗大量的水泥水化产物Ca（OH方，生成具有早强性质的水化产物，这 里主要是水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石等。值得注意的是，XRD分析和 SEM 形貌观察得到一致结果：粉煤灰在激发剂的作用下，早期水化产物有大量的 C干一H（I）生成 XRD显示为 CXI。SIO3厂 XH。O人该结果与 NMR分析结果也吻 合。拧SINMR分析显示：激发剂掺入浆体后，使粉煤灰由集中的高聚体结构向 分散的低聚体结构转化，激发了粉煤灰中玻璃体的早期活性；刀AINMR分析显 示：激发剂的激发作用在于破坏了粉煤灰玻璃体结构中铝氧六配位结构，使之 解聚并生成较多小分于结构参与早期水化，从而提高粉煤灰早期活性。 固体NMR技术在本文探讨粉煤灰活性激发机理时提供了很多有价值的微 观结构信息，这为今后进一步深入探讨粉煤灰活性激发机理可以抛砖引玉。