磨细固硫渣自密实混凝土碱度试验研究.pdf

第 3 9卷第 1 期 2 0 1 3年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 9 9 磨细固硫渣自密实混凝土碱度试验研究 孟志良 ， 薛银生 ， 董鹏程 ， 杨 城 ( 1 河北农业大学城乡建设学院， 河北 保定0 7 1 0 0 1 ； 2 重庆大学材料科学与工程学院， 重庆4 0 0 0 4 5 ) 摘要： 采用取出固液萃取法研究了固硫渣自密实混凝土的碱度( p H值， 以下省略) ， 结果表明： ( 1 ) 在 1 4 d 以前， 磨细固硫渣 白密实混凝土的碱度高于其他三种自密实混凝土， 且其碱度随龄期的变化规律与其他三种 自密实混凝 土相反。( 2 ) 在 l 4 9 0 d 龄期内， 与其他三种 自密实混凝土相 比， 磨细固硫渣 自密实混凝土的碱度居中， 且其碱度 随龄期的变化规律与其他三种 自密实混凝土一致。磨细固硫渣 自密实混凝土 9 0 d的碱度不低于 1 2 2 4 ， 明显高于 钢筋钝化膜破坏 1 1 5的临界值。( 3 ) 水胶比、 掺合料掺量和胶凝材料用量等对四种 自密实混凝土碱度的影响规律 基本一致。 关键词： 磨细固硫渣 ； 自密实混凝土 ； 掺合料； 碱度 中图分类号： T U 5 2 8 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 1 1 9 9 0 4 Al k a l i n i t y t e s t o n s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e c o n t a i n i n g g r o un d e d flu i d i z e d b e d c o a l s l a g MEN G Z h i l i a n g ， XUE Yi n s h e n g ， DON G P e n g c h e n g ， YANG C h e n g ( 1 C o U e g e o f U r b a n a n d R u r a l C o n s t r u c t i o n ， A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y o f He b e i ， B a o d i n g 0 7 1 0 0 1 ， C h i n a ； 2 C o ll e g e o f Ma t e r i al S c i e n c e&E n g i n e e ri n g ，C h o n g q i n g U n i v e rs i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ， C hin a ) A b s t r a c t ： A l k a l i n i t y( p H v a l u e ， t h e f o l l o w i n g o mi t t e d )o f s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e c o n t a i n i n g fl u i d i z e d b e d c o al s l a g w a s r e s e a r c h e d b y m e a n s of e x - s i t u l e a c h i n g T h e r e s u l t s s h o w t h a t ：( 1 )1 4 d a y s a g o ， a l k a l i n i t y of s e lf - c o m p a c t i n g c o n c r e t e c o n t a i n i n g fl u i d i z e d b e d c o a l s l a g i s h i g h e s t a mo n g t h e f o ur k i n d s o f s e lf - c o mp a c t i n g c o n c r e t e ， and t h e l a w t h a t i t s alk ali n i t y c h a n g e wi t h a g e i s o p p o s i t e wi t h t h e o t h e r t h r e e k i n d s o f s e lf - c o m p a c t i n g c o n c r e t e ( 2 )B e t w e e n 1 4 d a y s a n d 9 0 d a y s ， c o m p a r e d w i t h t h e o t h e r t h r e e k i n d s s e lf - c o m p a c t i n g c o n c r e t e ， alk ali n i t y of s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e c o n t a i nin g fl u i d i z e d b e d c o al s l a g i s c e n t e r e d， and t h e l a w t h a t i t s a l k ali nit y c h ang e with a g e i s a g r e e me n t wit h the o t h e r t h r e e k i n d s o f s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e Alk ali n i t y o f s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e c o n t ain i n g fl u i d i z e d b e d c o al s l a g i s n o t l e s s t h a n 1 2 2 4 a t 9 0 d a y s ， s i g n i fi c a n t l y h i g h e r t h an t h e d am a g e t h res h o l d ( 1 1 5 ) o f s t e e l p a s s i v e fi l m ( 3 )I n fl u e n c e s u c h a s r a ti o o f wa t e r t o c e me n t ma t e r i al， a d mi x t u r e d o s a g e， am o u n t of c e me n t ma t e ri al o n alk a l i n i ty of four kin d s of s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e i s l arg e l y c o n s i s t e n t Ke y wo r d s ： g r o u n d e d fl u i d i z e d b e d c o a l s l a g ； s e lf- c o mp a c t i n g c o n c r e t e ； a d mi x t u re； alk a l i n i t y 0 前言 流化床燃煤固硫灰渣 ( 简称固硫灰渣) 是煤和 脱硫剂按一定比例混合， 经燃烧排放的一种工业副 产品。随着流化床燃煤技术的不断应用， 固硫灰渣 的排放量日 益增加， 但是固硫灰渣利用率和利用水 平偏低 J 。目前 国 内外学者针对 固硫灰渣本身特 性开展一些研究 ， 而固硫灰渣应用于水泥混凝 土中的研究较少。法国 1 9 9 1 年研制出了一种用于 固硫灰渣水化活化的方法， 掺人 1 5 水化活化的固 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 - 2 5 作者简介： 孟志良( 1 9 6 4一 ) ， 男， 教授， 博士研究生， 研究方向为水泥 基材料。 E ma i l ： mz h 1 8 8 8 1 2 6 C O I T I 硫灰渣 ， 可显著改善水泥的膨胀性 能。我国开展 了 固硫灰渣作为水泥原材料、 混合材料和混凝土掺合 料、 膨胀剂 的研究 。 普通混凝土水化产物 中含有一定量 c a ( O H) ( 孔溶液为 C a ( O H) 饱和溶液) 和少量的 K( O H) 和 N a ( O H) 。因此 ， 普通混凝土 的碱度一般在 1 2 1 4之间， 在钢筋表面形 成了稳定 的钝 化膜， 使其避 免锈蚀。粉煤灰、 矿渣粉和硅灰等常用掺合料已成 为高性能 昆 凝土必不可少第六种组成材料， 它们与 水化产物 C a ( O H ) 反应 ， 生成了大量低钙硅比的 C S H凝胶， 对孔溶液中一价碱金属离子具有较强 的固化作用， 降低 了混凝土 的碱度 引。研究表 明- 1 ， 常用掺合料如粉煤灰、 矿渣粉和硅灰等的 掺入， 在一定掺量范围内和龄期内， 混凝土碱度均高 四川建筑科学研究 第 3 9卷 于钢筋表面钝化膜破坏 1 1 5的临界值 。磨细 固硫 渣具有火山灰活性， 作为掺合料与水泥的水化产物 C a ( O H ) 反应， 对混凝土碱度影响的研究基本上是 空白。 目前混凝土碱度测定方法有三种， 即高压提 取法、 取出固液萃取法和原位固液萃取法。本文采 用取出固液萃取法， 与常用掺合料粉煤灰和矿渣粉 对比， 研究了磨细固硫渣自密实混凝土的碱度， 对于 拓展固硫渣的应用范围、 提高其利用水平及利用率 具有实际意义。 1 试 验概况 1 1 原材 料 采用邯郸太行 山 4 2 5 R普通硅酸盐水泥 ， S O 含量为 1 9 4 ， 其物理力学性能见表 1 。河北陶城 I 级粉煤灰 ， 邢 台钢厂 $ 9 5矿渣粉 。51 6 mm连续 级配碎石， 表观密度和堆积密度分别为2 7 4 0 k g m 和 1 5 0 0 k g m 。 。细度模数为2 6 、 级配良好的河砂， 表观密度 和堆 积密度分 别为 2 5 9 0 k g m 。和 1 5 5 0 k g m 。保定慕湖恒源新型建材公司生产的聚羧酸 系高效减水剂， 固含量为 4 0 。 自来水 。保定热电 厂排放 的固硫 渣， 其主要化学组成见表 2 ， 经磨 细 后， 0 0 8 m m方孔筛筛余小于 1 0 。水泥、 粉煤灰、 矿渣粉和磨细固硫渣等原材料 p H值测定结果见表 3。 表 1 太行 山 4 2 5 R普通硅酸盐水泥的物理力学性能 Ta b l e 1 Ph y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f Tai ha ng s ha n 42 5R or d i na r y po r t l qa nd c e me nt 凝 结时间 和 _折 堡 壁 堕塑 堡 密 度 比 表面 积 体积安定性 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d ( k e m ) ( m k g ) 符合现行标准要求4 1 8 8 2 6 8 6 1 1 3 1 0 0 3 6 0 表2 固硫渣主要化学组成 T a b l e 2 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n( b y ma s s )O R fl u i d i z e d b e d c o m b u s t i o n c o a l s l a g 化学成分 S iO 2 F e 2 0 3 A 1 2 0 3 T iO 2 C a O M g O N a 2 0 K 2 0 S O 3 f - C a O L 0 I 含量 3 5 9 21 0 1 2 2 3 7 3 1 1 0 8 4 4 2 5 0 0 2 2 0 6 7 6 2 3 3 1 2 5 6 7 表 3 水泥、 粉煤灰、 矿渣粉和磨细固硫渣p H值 Ta b l e 3 T h e p H v alu e o f c e me n t ， fl y a s h a n d g r o u n d fl ni diz e d b ed c o mb u s t i o n c o al s l a g 耋 堡 塑 堡 堕塑 壁 回 堕堕 p H值 1 2 5 8 1 1 4 6 1 1 5 6 9 1 4 1 2 自密实混凝土配合比 选用粉煤 灰 ( F ) 和矿渣粉 ( K) 两种 常用掺合 料， 将磨细固硫渣( G ) 作为一种新型掺合料。以上 掺合料均单掺等量取代水泥 ( C ) ， 高效减水剂掺量 以胶凝材料为基数。 自密实混凝 土配合 比、 拌合物 工作性指标和标准养护 2 8 d抗压强度见表 4 。当磨 细固硫渣掺量分别为3 0 和3 5 时， 其胶凝材料中 S O 含量分别为3 2 3 和3 4 4 ， 均小于3 5 。 表4 自密实混凝土配合比、 拌合物工作性和标准养护2 8 d抗压强度 T a b l e 4 Mi x p r o p o r t i o n ( b y ma S S ) 。 w o r k a b i l i t y a n d 2 8 - d a y c o mp r e s s i v e s s t r e n g t h i n s t a n d a r d c u r i n g o f s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e 由表 4可以看出： 1 ) 从三组自密实混凝土拌合物工作性来看， 在 满足自密实要求的前提下， 磨细固硫渣自密实混凝 土外加剂掺量最高， 是由于固硫渣结构疏松多孔、 吸 水率高的物理特性导致的。 2 ) 三组自密实混凝土标准养护 2 8 d 抗压强度 由高到低的顺序分别是： K 一 1 ， C l ， G 一 1 ， F 一 1 ( 第一 组) ； F -2 ， G 一 2 ， C -2 ， K 一 2 ( 第二组) ； C - 3 ， G -3 ， F 一 3 ， K 一 3 ( 第三组) 。三组配合比中， 三种掺合料自密实混凝 土标准养护2 8 d 抗压强度各有高低， 因此， 说明了 三种掺合料活性相差不大。 1 3 试验方法 自密实混凝 土立方 体抗 压强 度测定 参 照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法标 准 进行。混凝土碱度测定步骤， 首先在测完立方 体抗压强度试件中心部分取胶砂基体， 经磨细过筛 ( 孔径为0 0 8 m lT l 的方孔筛) 后， 称取 1 0 g 放人 1 0 0 m l 的蒸馏水中， 用橡皮塞塞紧， 每隔 5 ra in振动一 孟志良， 等： 磨细固硫渣 自密实混凝土碱度试验研究 2 O 1 次， 2 h 后过滤， 采用精密 p H计测定滤液的 p H值。 2 磨细固硫渣自密实混凝土碱度 2 1 试验结果 三组 自密实混凝土不同龄期碱度变化如 图 1 3 所示。水胶比、 掺合料掺量和胶凝材料用量等因 素对 自密实混凝土碱度的影响如图 4 7所示 。 雹 攥 图 1 第一组 自密实混凝土不同龄期碱度变化 曲线 F i g 1 Th e c u r e o f a l k a l i n i t y of t h e fir s t g r o u p of s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e wi th a g e s Z 型 崔 图2 第二组 自密实混凝土不同龄期碱度变化 曲线 Fi g 2 Th e c u r e of alk a l i n i t y o fth e s e c o n d g r o u p of s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e wi th a g e s 趔 Z e 譬 图 3 第三组 自密实混凝土不同龄期碱度变化 曲线 Fi g 3 Th e c u r e of alk a l i nit y of the t l I i r d g r o u p of self - c o m p a c t i n g c o n c r e t e wi th a g e s 2 2 试验结果分析 1 ) 由图 1 3可 以看出 ， 由于矿渣粉 、 粉煤灰和 磨细固硫渣活性和本身碱度的差异， 三种掺合料单 掺等量取代水泥后， 自密实混凝土不同龄期的碱度 以及其碱度随龄期的变化规律不同。 在三组配合比中， 对比四种自密实混凝土 7 d的 碱度， 磨细固硫渣自密实混凝土的碱度最高， 矿渣粉 和未掺掺合料 白密实混凝土的碱度 ( 二者非常接 近) 居中， 而粉煤灰 白密实混凝土碱度最低， 这种趋 势一直持续到 1 4 d 。原材料中 p H值最高的是水 1 2 6 毛 1 2 崔1 2 2 1 2 C1网C2园C3 藿 |i _ 7 l 4 2 8 5 6 9 0 龄期， d 图4 水胶比和胶凝材料用量对未掺 掺合料自密实混凝土碱度的影响 Fi g 4 Th e i n flu e n c e o f wa t e r - b i n d e r r a ti o a n d th e a mo u nt o f c e me n ti n g ma t e r i a l o n t h e alk a l i nit y o f s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e wi t h o u t mi n e r al a d mi x t u r es 暇 图 5 水胶比、 矿渣粉掺量和胶凝材 料用量对自密实混凝土碱度的影响 Fi g 5 Th e i n flu e n c e o f wa t e r b i n d e r r a t i o。 t h e c o n t e n t o f gr o u n d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g a n d th e a mo u n t o f c e m e n t i n g ma t e r i a l s o n th e alka l i n i t y o f sel f - c o mp a c ti n g c o n c r e t e 图 6 不同水胶比、 粉煤灰掺量和胶凝 材料用量对自密实混凝土碱度的影响 F i g 6 Th e i nfl u e n c e o f wa t e r b i n d e r r a ti o。 th e c o n t e n t o ffl y ash a n d the a m o un t o f c e me n t i n g m a t e r i al o n th e a l k a l i n i t y o f s e lf- c o mp a c tin g c o n c r e t e 一 图7 不同水胶比、 磨细固硫渣掺量和胶凝 材料用量对自密实混凝土碱度的影响 F j g 7 Th e i nfl u e n c e of wa t e r b i n d e r r a ti o t h e c o n t e n t o f g r o u n d fl u i d i z e d b e d c o m b u s ti o n c o al s l a g a n d th e a m o u n t of c e me n t i n g m a t e r i a l o n t he a l ka l i nit y o f s e l f - c o m p a c ti n g c o n c r e t e 泥， 其次是矿渣粉和粉煤灰， 最低的是磨细固硫渣。 4 2 2 2 I d 幂 2 0 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 但是三组自密实混凝土中7 d 碱度最高的均是磨细 固硫渣 自密实混凝土 ， 这一点有待于进一步研究。 在 l 4 9 0 d时间内， 在三组配合 比中， 四种 自 密实混凝土的碱度基本 相差不大。在 1 4 5 6 d龄 期内， 磨细固硫渣自密实混凝土的碱度略高于矿渣 粉 自密实混凝土 ， 略低于粉煤灰 自密实 昆 凝土 ， 与未 掺掺合料自密实混凝土的碱度接近； 在 5 6 9 0 d 龄 期内， 磨细固硫渣自密实 昆 凝土的碱度略高于未掺 掺合料的自密实混凝土， 略低于粉煤灰 白密实混凝 土， 与矿渣粉 自密实混凝土的碱度相当。到9 0 d 龄 期时， 在三组配合比中， 磨细固硫渣与矿渣粉和粉煤 灰等常用掺合料， 掺量在 3 0 一 3 5 范围内， 三种 单掺掺合料 自密实混凝土 的碱度相差不大 ， 高于不 掺掺合料 自密实混凝土的碱度。磨细固硫渣 自密实 混凝土 9 0 d的碱度在 l 2 2 4以上 ， 明显高于钢筋钝 化膜破坏 1 1 5 ( p H值) 的临界值。因此， 能保证钢 筋钝化膜的稳定存在 。 在三组配合比中， 磨细固硫渣 自密实混凝土碱 度随龄期的变化规律相同， 即随着龄期增加其碱度 降低； 其余三种自密实混凝土碱度随龄期的变化规 律基本一致 ， 即在 1 4 d ( 或 2 8 d ) 以前 ， 随着龄期增 加它们的碱度在提高， 在 l 4 ( 2 8 d ) 9 0 d内， 随着 龄期增加它们的碱度在降低， 而且达到峰值的时问 除第一组中粉煤灰 自密实混凝土略有差异外， 其余 自密实混凝土完全相同均为 1 4 d 。原因是在 1 4 d ( 或2 8 d ) 以前， 水泥熟料水化生成 C a ( O H) 速度 快， 掺合料( 或混合材料) 可能刚刚开始或者还未与 C a ( O H ) 发生火山灰反应， 因此， 该时间段内水化 产物 C a ( O H) 的量随龄期延长而增加 ， 且 K( O H) 和 N a ( O I - I ) 的量并未减少， 自密实混凝土的碱度也 就提高了。在 1 4 d ( 或 2 8 d ) 以后 ， 水泥熟料水化生 成 C a ( O I - I ) ： 的速度随着时间延长逐渐变得缓慢， 而 掺合料( 或混合材料) 火山灰反应消耗 C a ( O H) 的 速度随着时间的延长逐渐加快 ， 而且火 山灰反应产 物低钙硅 比的C s H凝胶吸附一价碱金属量在 逐渐增多。因此， 在 1 4 d ( 或 2 8 d ) 以后 ， C a ( O H) 、 K ( O H ) 和 N a ( O H) 的量随龄期增加而减少， 混凝土碱 度也就降低了。由此可见， 在 1 4 d以前， 磨细固硫 渣自密实混凝土碱度随龄期的变化规律， 与其余 自 密实混凝土相反， 这一点还有待于进一步研究。 2 ) 图4 表明， 随着水胶比降低和胶凝材料用量 增加， 未掺掺合料 自密实混凝土的碱度略有提高。 由图5 7 可以看出， 水胶比、 掺合料掺量和胶凝材 料用量， 对单掺粉煤灰、 矿渣粉和磨细固硫渣自密实 混凝土碱度的影响规律基本一致。随着水胶比和掺 合料掺量的降低， 自 密实混凝土的碱度略有提高， 其 提高的程度与掺合料种类和龄期有关。磨细固硫渣 自密实混凝土的碱度后期提高幅度高于早期； 而矿 渣粉和粉煤灰 自密实混凝土的碱度早期提高幅度高 于后期。在保持水胶 比不变 ， 增加胶凝材料用量 ， 粉 煤灰和矿渣粉 自密实混凝土 的碱度略有提高， 而磨 细固硫渣 自密实混凝土除 2 8 d和 5 6 d的碱度略有 降低外， 其他龄期碱度略有提高。 3 结 论 1 ) 磨细固硫渣自密实 昆 凝土 1 4 d 前的碱度高 于其余三种自密实 昆 凝土； 在 1 4 5 6 d龄期内， 磨 细固硫渣自密实 昆 凝的碱度介于矿渣粉自密实混凝 土与粉煤灰 自密实混凝土之间； 在 5 6 9 0 d龄期 内， 磨细固硫渣自密实混凝土的碱度介于不掺掺合 料的自密实混凝土与粉煤灰 白密实混凝土之间。磨 细固硫渣 自密实混凝土 9 0 d龄期的碱度在 l 2 2 4以 上， 明显高于钢筋钝化膜破坏 1 1 5的临界值。 2 ) 在试验龄期内， 磨细固硫渣自密实混凝土碱 度随着龄期的增加而降低； 在 1 4 d ( 或 2 8 d ) 以前， 其他三种自密实混凝土碱度随龄期的增加其碱度提 高， 在 l 4 d ( 或2 8 d ) 以后， 它们的碱度随着龄期增 加而降低。 3 ) 随着水胶比降低和胶凝材料用量的增加， 不 掺掺合料的 自密实混凝土碱度略有提高 ； 随着水胶 比和掺合料掺量降低， 胶凝材料用量的增加， 三种单 掺掺合料自密实混凝土多数龄期的碱度有提高。 参 考 文 献 ： 1 王智， 钱觉时 流化床燃煤固硫渣火山灰活性评定的探讨 J 重庆建筑大学学报， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 2 8 - 6 2 郑洪伟， 王智， 钱觉时， 等 流化床燃煤固硫渣活性评定方法 J 粉煤灰综合利用， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 6 - 9 3 纪宪坤， 周永祥， 冷发光 流化床( F B C ) 燃煤固硫灰渣研究综 述 J 粉煤灰， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 4 1 4 5 4 王智 ， 钱觉时， 汪宏涛 流化床燃煤 固硫灰渣的物理特性 J 粉煤灰综合利用 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 3 2 - 3 3 5 钱觉时， 郑洪伟， 宋远明， 等 流化床燃煤固硫灰渣特性 J 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 O ) ： 1 3 9 6 1 4 0 0 6 廉慧珍， 陈恩义 因势利导利用流化床燃煤固硫渣 J 硅酸盐 建筑制品， 1 9 9 5 ( 1 ) ： 4 - 7 7 陈袁魁， 包正宇， 龙世宗， 等 高钙脱硫灰渣用作水泥原材料的 研究 J 水泥工程， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 4 ) ： 1 0 1 2 8 赵风清， 刘鹏蛟， 武振刚 固硫灰渣水泥的开发 J 粉煤灰综 合利用， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 3 9 4 0 9 何宏舟， 过伟丽， 陈洪， 等 C F B锅炉炉内脱硫灰渣的特性及 其作水泥掺合料的实验研究 J 能源与环境， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 5 7 5 8 1 0 陈益民， 许仲梓 高性能水泥制备和应用的科学基础 M 北 京 ： 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 8 ： 4 5 1 48 2 1 1 吴建华， 蒲心诚， 刘芳， 等 粉煤灰水泥的护筋性探讨 J 重 庆大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 5 7 - 5 9 1 2 张云升， 孙伟， 刘斯凤， 等 矿物掺合料对绿色高性能混凝土 抗钢筋锈蚀性能的影响 J 建筑技术， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 3 4 - 3 5