低等级粉煤灰-高硅矿石复合掺合料制备及性能

赵　杰

（钢城集团凉山瑞海实业有限公司，四川 西昌 615000）

0　引言

高硅矿石，也有研究称其为硅石，多以天然矿石或选矿尾矿形式存在[1]。虽然其SiO2含量相对较高，但仍不能满足特种石英材料或石英砂的纯度要求，因此此类天然高硅矿石多未经开发，选矿尾矿类高硅矿石多以堆存为主。近年来，以地域性天然原料或各类工业废渣制备绿色建筑材料越来越受到国家和相关建筑建材科研院所和企业的重视。以地域性天然原料或各类废渣制备混凝土用矿物掺合料是重点关注方向之一。矿物掺合料的使用可以减少水泥熟料用量，同时提高混凝土的工作性和耐久性[2-5]。传统矿物掺合料以粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等工业废渣为主，但工业废渣基矿物掺合料受地域资源和工业布局限制，不仅组成、结构和性能波动大，而且部分地区供应困难。（JG/T 486—2015）《混凝土用复合掺合料》明确指出，未来的混凝土用矿物掺合料将以复合掺合料为主。复合掺合料既可保持单一种类矿物掺合料的优点，又可利用复合化效应扬长避短，促进低品质工业废渣（如低等级粉煤灰、高钛矿渣）和天然矿石材料在建材中的应用，从而解决传统单一优质矿物掺合料供给困难、价格偏高问题[6-10]。

结合凉山储量丰富的高硅矿石，针对生产过程中排放量高、利用率偏低的低等级粉煤灰为研究对象，研究低等级粉煤灰和高硅矿石基复合掺合料的技术可行性，从而促进低等级粉煤灰和地域性天然原料的综合开发和利用。

1　原材料及实验方法

1.1　原材料

水泥为P·O42.5R普通硅酸盐水泥，水泥物理性能见表1；低等级粉煤灰来自四川攀枝花某电厂粉煤灰（PF）和四川江油某厂粉煤灰（JF）；高硅矿石为雅安市某矿山生产；骨料为标准砂以及市售河砂和碎石，砂的细度模数2.43，碎石为5～25 mm连续级配；聚羧酸减水剂，质量分数49.3%，减水率28.7%。

表1　水泥的物理性能

高硅矿石粉、低等级粉煤灰以及复合掺合料均为利用实验室球磨机将原料粉磨45 min制备得到。水泥、粉煤灰、高硅矿石及所制备复合掺合料化学成分见表2。

表2　化学成分分析表　%

1.2　实验方法及设备

复合掺合料、粉煤灰、高硅矿石粉需水量比、活性、胶砂流动度和流动度比分别参照GB/T 1596－2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和JG/T 486－2015《混凝土用复合掺合料》进行；混凝土配合比依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》设计；混凝土成型及工作性能（坍落度）测试参照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》；混凝土力学性能测试按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，每组配合比各龄期抗压强度检测3个100 mm×100 mm×100 mm试块，加载速率5.0 kN/s，结果取其算数平均值。采用荷兰产X'Pert PRO型X射线衍射仪、德国蔡司公司ultra55扫描电子显微镜测试各原料的物相组成和微观形貌。

2　结果与讨论

2.1　复合掺合料物理化学性能

由表2各原料的化学成分分析可知，高硅矿石粉SO3质量分数较高，超出粉煤灰和复合掺合料的相关标准要求；而粉煤灰JF烧失量较高，其烧失量指标仅能达到Ⅲ级粉煤灰标准。将高硅矿石粉分别与粉煤灰PF、JF复合，所得的复合掺合料SO3质量分数和烧失量降低，但随着高硅矿石粉掺量增加，SO3质量分数升高；随粉煤灰JF掺量增加，烧失量增大。按照粉煤灰或复合掺合料相关标准要求，SO3质量分数一般在3.0%或3.5%以下，故掺用高硅矿石粉的复合掺合料应特别注意SO3质量分数的调节。

对粉煤灰和高硅矿石粉的矿物组成和微观形貌进行了分析，如图1所示。可以看出粉煤灰PF和JF矿物组成相似，主要矿物是莫来石和石英，但在15～35°的衍射角度范围内馒头峰并不显著，说明晶体物质含量较多、玻璃体相对较少；而高硅矿石粉物相以石英为主，未标注杂峰主要为铝硅酸盐矿物。

图1　粉煤灰PF（左）、JF（中）和高硅矿石粉（右）XRD图谱

图2为粉煤灰和高硅矿石SEM图。从图2中可以看出：粉煤灰PF中球形颗粒较多；粉煤灰JF中球形颗粒较少，仍有较多不规则颗粒存在；高硅矿石粉主要由棱角分明的不规则颗粒组成，表面相对较为致密光滑。

图2　粉煤灰PF（左）、JF（中）和高硅矿石粉（右）SEM图

高硅矿石粉、低等级粉煤灰以及复合掺合料粉磨45 min制备得到掺合料的粒度分布和需水量比如表3所示。粉磨后，高硅矿石粉、低等级粉煤灰及复合掺合料45 μm的筛余量均能满足Ⅰ级粉煤灰和混凝土用复合掺合料标准要求。单独磨细得到的高硅矿石粉、粉煤灰PF和JF需水量比均为100%。复合粉磨后，粉煤灰PF和高硅矿石粉制备的复合掺合料需水量比有所下降，由图2分析，粉煤灰PF中球形颗粒较多，能够起到润滑和减水效果；而粉煤灰JF和高硅矿石粉制备的复合掺合料需水量比随着高硅矿石粉掺量增加而提高，这可能与两者球形颗粒含量过少有关。

表3　粒度分布和需水量比

2.2　复合掺合料工作性及力学性能

需水量比检测主要针对粉煤灰，而复合掺合料情况更为复杂。按照JG/T 486—2015《混凝土用复合掺合料》中指标设定，复合掺合料对砂浆和混凝土工作性影响主要利用流动度和流动比来衡量。从表4可以看到，粉煤灰PF对砂浆工作性改善明显，而高硅矿石粉和粉煤灰JF则会降低砂浆工作性。复合掺合料工作性随粉煤灰PF用量增大而增加，均超过单独掺粉煤灰PF和高硅矿石粉的砂浆组；而粉煤灰JF和高硅矿石粉制备的复合掺合料工作性较差，且随着高硅矿石粉用量增加，工作性逐渐下降，甚至低于单独选用粉煤灰JF和高硅矿石粉的砂浆组。利用低等级粉煤灰和高硅矿石粉制备的复合掺合料活性均介于粉煤灰PF和高硅矿石粉以及粉煤灰JF和高硅矿石粉之间，表明几者之间的协同效应并不明显。

表4　复合掺合料胶砂工作性及力学性能

2.3　复合掺合料制备混凝土

实验拌制的是C30混凝土，配合比设计见表5。其中胶凝材料总量为325 kg/m3，高硅矿石粉、低等级粉煤灰或高硅矿石粉和低等级粉煤灰复合制备的复合掺合料占胶凝材料质量的30%，减水剂的掺量固定，实验中减水剂的掺量为制备15 L混凝土时的具体掺量。

表5　混凝土配合比设计

从表6中可以看到在固定减水剂掺量下，单独掺用粉煤灰PF有利于提高混凝土的坍落度，而高硅矿石粉掺入对混凝土工作性不利；而复合掺合料所制备的混凝土整体来看工作性较差。

表6　混凝土性能

单掺高硅矿石粉，混凝土抗压强度虽然大于30 MPa，但强度富余量明显不足；掺复合掺合料制备的混凝土，强度变化规律为随着高硅矿石粉的增加而基本呈下降趋势，且基本介于单独掺用粉煤灰PF和高硅矿石粉以及粉煤灰JF和高硅矿石粉制备的混凝土力学强度之间。

3　结论

（1）低等级粉煤灰和高硅矿石粉复合能够调节复合掺合料的化学组成，使之满足于相关标准需要。

（2）利用低等级粉煤灰和高硅矿石粉制备的复合掺合料的工作性能和力学性能未能得到显著改善，性能和功能叠加效应并不明显。