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    超細摻合料研究進展

    在可持續發展已深入人心的今天,耐久性的提高和工礦廢渣的利用己成為混凝土科學研宄的兩大主題。經過幾十年的努力,礦物摻合料的研究已取得巨大進展,顯著推動了混凝土技術的發展。但普通摻合料往往存在早期強度低、耐久性差等問題。隨著對高強、高性能混凝土要求的日益提高,摻合料超細粉應用技術逐漸受到重視,摻合料超細粉具有良好的填充效應、活性效應和微集料效應,可降低水化熱和水化熱釋放速率,改善工作性,提高早期強度和抗腐蝕能力。

    2.摻合料超細粉研宄進展

    混凝土摻合料超細粉是指粒徑小于10μm的礦粉、粉煤灰、磷渣粉等超細粉體。物質達到超細狀態后,其物理性能發生改變,比表面積加大,表面能提高,表面活性增加,可更充分的發揮混凝土摻合料的形態效應、活性效應和微集料效應。

    2.1  超細粉對混凝土工作性和力學性能的影響

    摻入40%的粉煤灰超細粉(D50=3.09μm)時,混凝土拌合物坍落度比基準混凝土和摻普通粉煤灰(D50=18.28μm)的混凝土拌合物分別提高14.6%和23.7%;摻入粉煤灰超細粉的混凝土較之摻入普通粉煤灰的混凝土試樣,7d、28d和90d強度分別增加13.69MPa、10.2 MPa和13.2 MPa。研究表明,超細粉煤灰(D50=2.213μm)可顯著提高水泥基材料早齡期抗壓強度。研究結果表明,低鈣粉煤灰的粒度分布是影響其活性最重要的因素之一,其活性正比于小于10μm顆粒含量,反比于大于45μm顆粒含量。根據粉煤灰顆粒分布對水泥強度的影響,要提高粉煤灰水泥的強度,應增加粉煤灰中小于30μm顆粒含量,限制30~45μm顆粒含量,減少大于45μm顆粒含量。XRD衍射結果表明摻入超細礦粉的試件1d齡期時Ca(OH)2的衍射峰明顯低于純水泥漿體和摻普通礦粉的水泥漿體。這是因為礦物摻合料中SiO2、Al2O3等活性成分在熟料水化產物氫氧化鈣的作用下,發生二次水化反應生成水化硅酸鈣凝膠,增強了水泥石體系的粘接,減少了混凝土內不利于耐久性的晶相含量。隨著摻合料粉體粒徑的降低,表面能迅速提高,與氫氧化鈣晶體接觸面積增大,促進了二次水化反應的快速進行。

    復合材料的理論認為,水泥混凝土的強度主要與其亞微觀結構相關,孔隙率是控制強度的決定因素,因此減小孔隙率可大幅提高強度。顆粒相對粒徑大小顯著影響體系的堆積密實度,礦物摻合料顆粒粒徑越小,其物理填充作用越好。摻加摻合料超細粉的水泥基材料早齡期時最可幾孔徑和累積孔隙率均小于摻普通礦粉的水泥漿體和純水泥漿體,水泥基材料孔結構變細且不連通,在早齡期時就起到了改善漿體孔結構、提高密實度的作用。

    2.2  超細粉對混凝土耐久性的影響

    根據研究超細礦渣粉對水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響,摻入15%、25%的超細礦渣粉不僅可以增加水泥砂漿的強度,而且可以提高其抗硫酸鹽侵蝕性能。利用細度分別為305m2/kg、425 m2/kg和550m2/kg的粉煤灰制備了粉煤灰高強輕骨料混凝土,研究結果表明,粉煤灰摻量相同時,隨著粉煤灰細度的增大,混凝土抗氯離子滲透性及護筋性均隨之增加。粉煤灰細度越髙,減縮效果越明顯,早期抗裂性能增強越顯著。摻合料超細粉能顯著提高改善水泥基材料的孔結構,提高結構的密實性。改善混凝土的孔結構和界面過渡區,提高混凝土的綜合耐久性。

    3.摻合料超細粉的制備

    3.1  摻合料粉磨制備常用工藝

    礦渣、磷渣、鋼渣等摻合料工業化生產主要使用球磨機、振動磨、輥壓機和立磨等作為粉磨設備,上述設備一般可將摻合料粉磨至400~600 m2/kg。球磨機通過重力場或離心場的轉動使內部研磨介質粉磨。振動磨通過筒體的振動使內部研磨介質粉磨粉體和振動磨生產粉體。立磨是集烘干、粉磨和選粉于一體的粉磨設備,物料被送入磨盤中心,由于旋轉的磨盤產生離心力,物料往磨輥的研磨區域運動,經過研磨之后細小的粉塵物料由來自熱風管的熱風經過噴口環將其帶入選粉機,選粉機將粗粉與細粉進行有效的分離。氣流磨是一種高效的超細粉碎設備,它是在高速氣流作用下,物料通過本身顆粒之間的撞擊,氣流對物料的沖擊剪切作用以及物料與其它部件的沖擊、摩擦、剪切而使物料粉碎。介質攪拌磨主要由一個靜置的內填小直徑研磨介質的研磨筒和一個旋轉攪拌器構成。其工作原理是攪拌磨內的攪拌器高速回轉使研磨介質和物料在整個筒體內不規則地翻滾,產生不規則運動,使研磨介質之間產生相互撞擊和研磨的雙重作用,從而使物料磨得很細且均勻分散。

    隨著對高性能混凝土工作性、早期強度和耐久性要求的提高,摻合料超細粉需求量逐漸增大?,F階段摻合料超細粉制備工藝基本上是在常規粉磨方法的基礎上,通過工藝流程的改進實現的,存在設備投資大、能耗高、粉磨效率低等問題。以粉磨礦渣為例,加有選粉機的球磨機圈流粉磨系統的綜合電耗達80kw·h/t,立磨粉磨系統雖可節能50%左右,其綜合電耗約33~37 kw·h/t,但一臺立磨及相關配套設備投資達億元左右。另外,工礦廢猹排放過程一般以水冷或濕排方式,水淬礦渣含水率達10%~20%,濕排粉煤灰含水率更高,采用現有粉磨方式需對其進行烘干或燃燒處理,增加了處理工藝的能耗。


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