矿渣粉与粉煤灰改善水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能差异研究

2021-11-12宫经伟谢刚川贾洪全

水力发电 2021年8期

宫经伟，谢刚川，贾洪全，秦灿

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

0 引言

掺矿渣粉与粉煤灰水泥基材料抗侵蚀性能的差异，主要与粉煤灰和矿渣粉的化学成分、火山灰活性有关。多数学者研究表明，掺粉煤灰水泥基材料的抗侵蚀性能优于掺矿渣粉水泥基材料；少数学者的研究得出相反结论[8-11]。目前，已有研究硫酸盐浓度设置较为单一，还未深入研究粉煤灰与矿渣粉活性矿物含量、侵蚀前的火山灰反应程度对水泥基材料抗侵蚀性能的影响。为此，本文通过硫酸盐侵蚀试验，宏观上分析不同浓度硫酸盐侵蚀下掺矿渣粉与粉煤灰水泥基材料抗侵蚀性能的差异；并运用扫描电子显微镜和X射线衍射等微观测试手段，深入分析矿渣粉与粉煤灰的活性矿物含量、火山灰活性和硫酸盐浓度对其抗侵蚀性能的影响及作用机理，为新疆地区合理应用矿渣粉与粉煤灰改善水泥基材料的抗侵蚀性能提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

水泥采用新疆阜康天山水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥，混合材为粉煤灰和石灰石，比表面积389 m2/kg。矿渣粉采用新疆宝新盛源建材有限公司生产的S75级矿渣粉，比表面积427 m2/kg。粉煤灰采用新疆五彩湾火力发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，比表面积424 m2/kg，3种材料的化学和矿物组成见表1。砂采用符合国家标准GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法》要求的标准砂；拌和用水为实验室自来水，配制侵蚀溶液用水为蒸馏水；硫酸钠采用天津致远化学试剂有限公司的无水硫酸钠(分析纯)。

表1 试验原材料的化学和矿物组成 %

矿渣粉与粉煤灰的XRD图谱及粒径分布曲线如图1所示。由图1a、1b可知，矿渣粉的XRD图谱上无明显尖锐结晶峰，谱线呈“驼峰状”分布，说明矿渣粉中晶态固体含量较少，玻璃体含量较高。粉煤灰的XRD图谱上有一定程度的结晶峰，结晶体主要为莫来石和石英；在2θ=10°～30°有一定程度的玻璃相特征峰丘，但峰背底高度与面积均小于矿渣粉，说明其玻璃体含量较少。玻璃体含量越高，火山灰活性越强[12]。由图1c可知，矿渣粉与粉煤灰的颗粒粒径分布相差甚小。

图1 矿渣粉与粉煤灰的XRD图谱及粒径分布曲线

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

1.2.2 试验过程

选取部分侵蚀后的试件，用Quanta FEG 250型扫描电子显微镜观测其微观形貌，用帕纳科锐影XpertProMPD X射线衍射仪(XRD)分析其化学组分。

2 结果与讨论

2.1 不同配比水泥胶砂试件的抗蚀系数劣化规律

图2 不同浓度硫酸盐侵蚀下各配比水泥胶砂试件的抗蚀系数变化曲线

2.2 侵蚀前矿渣粉与粉煤灰火山灰反应的差异

掺矿渣粉与粉煤灰胶凝体系中，当水泥石孔溶液的pH值大于13.3时，矿渣粉与粉煤灰中的硅和铝才能被有效溶解出来发生火山灰反应[14]。火山灰反应将消耗胶凝体系中的Ca(OH)2，生成C-A-H凝胶和低碱度C-S-H凝胶。化学反应方程式如下[6]：2SiO2+3Ca(OH)2+H2O→3CaO·2SiO2·4H2O； Al2O3+3Ca(OH)2+3H2O→3CaO·Al2O3·6H2O。

掺矿渣粉与粉煤灰胶凝体系的碱环境主要由水泥熟料中的C3S快速水化生成的Ca(OH)2提供；另外，矿渣粉与粉煤灰中的CaO遇水反应也会生成Ca(OH)2，进一步增加水泥石孔溶液的碱度。首先，粉煤灰对水泥水化有一定的阻碍作用，矿渣粉对水泥水化有促进作用。其次，矿渣粉的CaO含量约为粉煤灰的7.2倍，且掺量小于70%时，基本不影响矿渣粉的反应程度；故掺矿渣粉胶凝体系中的Ca(OH)2供给量更为充足，矿渣粉自加水就开始发生火山灰反应，而粉煤灰的火山灰反应开始于加水24 h后[15]。此外，相比于粉煤灰而言，矿渣在收集过程中，冷却过程更剧烈，玻璃体含量相对较高。图1的XRD图谱也表明矿渣粉的玻璃体含量高于粉煤灰，这使得矿渣粉的火山灰活性更强，反应速率更快。

综上所述，相比于粉煤灰而言，矿渣粉的火山灰反应开始时间较早，且火山灰反应速率远大于粉煤灰。28 d养护期内，粉煤灰的火山灰反应程度只有1.5%～5.5%[16]，而矿渣粉的火山反应程度达到了30%～50%[17]，是粉煤灰的5～9倍。因矿渣粉的火山灰反应开始时间较早，且反应速率较快，将消耗更多的Ca(OH)2，抑制侵蚀发生。同时，火山灰反应会生成水化铝酸钙(C-A-H)凝胶与低钙硅比水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，再次填充水泥石的凝胶孔，进一步改善孔结构，减缓侵蚀速率。因此，侵蚀前矿渣粉对水泥基材料抗侵蚀性能的改善效果更好。

2.3 侵蚀后掺矿渣粉与粉煤灰水泥基材料微观结构的差异

图3 试件在浓度为20 000 mg/L的溶液中侵蚀9个月后的SEM照片

微观测试结果表明，矿渣粉与粉煤灰颗粒分散填充在胶凝材料中，并发生火山灰反应生成新的胶凝产物填充水泥石凝胶孔，增强水泥石密实度。另外，掺入矿渣粉与粉煤灰减少了水泥用量，特别是C3S、C3A含量。本试验中矿渣粉与粉煤灰的粒径分布相近，掺量相同时，水泥熟料中的C3S、C3A含量减少比例也相同。然而，因矿渣粉的火山灰反应程度远高于粉煤灰，消耗了更多易被侵蚀的Ca(OH)2，并生成更多的C-S-H凝胶填充水泥石凝胶孔；故掺矿渣粉胶砂试件水泥石孔隙孔径较小，密实度较高，侵蚀产物生成量较少，抗侵蚀性能更为优异。