粉煤灰掺量对硫氧镁泡沫水泥性能的影响

摘" " " 要：研究了改变粉煤灰的掺量对硫氧镁泡沫水泥性能的影响，试验结果表明，掺入定量的粉煤灰后，混凝土性能将得到明显提高，且随粉煤灰掺量的变化而变化。

关" 键" 词：粉煤灰； 硫氧镁泡沫水泥； 性能

中图分类号：TQ013.1" " "文献标识码： A" " "文章编号： 1004-0935（2023）08-1139-03

煤炭资源在我国的储量丰富，因此我国成为世界最大的煤炭生产国和消费国。火力发电就是以煤为燃料运行的，我国每年的发电量约为2.3亿kW·h，火力发电量约在其中的75%，因此伴随燃煤而产生的大量固废粉煤灰量就逐年增加，2020年我国的粉煤灰排放量已达到2.2亿t，粉煤灰累计的存量已超过18亿t，占地约31万亩，因此如何处理这些粉煤灰已经成为全社会关注的问题。自1987年以来，中国政府已经明确把粉煤灰作为一种再生资源进行再利用的政策，如何将粉煤灰资源合理有效地进行利用已然成为我国地一项长远战略。

粉煤灰是一种具有火山灰质地地材料，它的优点在于潜在活性高，化学性能稳定，颗粒细小并且重金属含量低，添加到混凝土中能够提高混凝土或砂浆的物理性能。将粉煤灰充分利用起来可以改善生态环境、实现资源再利用，因此社会效益、环境效益、经济效益非常显著。例如，采用干法排灰可以将粉煤灰采用堆放均化和高细粉磨的“两高三分超细法”工艺，生产的早强粉煤灰硅酸盐水泥可以添加灰渣40％～50％的灰渣代替粘涂料，一条年产20万t的生产线可以使用掉12万t的粉煤灰，产生5 000万的产值，创造600万元的利税。另外，经过广大科研工作者的共同努力，粉煤灰的综合利用技术日益成熟，在冶金、建材、交通、化工、矿山、水利、农业等领域都有广泛的应用前景。

发泡水泥最早是由德国人发明的，该技术在1980年左右传入我国，它是通过发泡机的发泡系统将发泡剂通过机械方式充分发泡，然后与水泥浆均匀混合，再经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温防火材料。发泡水泥的突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化。

发泡水泥的原材料可以是钙质材料、硅质材料或镁质材料，其中，镁质材料水泥是一种碱式镁质胶凝材料，主要有氯氧镁水泥，硫氧镁水泥和磷酸镁水泥三种。氯氧镁水泥是一种MgO·MgCl2·H2O三元体系的镁质胶凝材料，其主要成分为碱式氯化镁，它具有一系列优点，例如：不需要湿养护，粘结性能好，防火性能好，耐磨性好，导热系数小，早期强度高，耐油、抗有机溶剂，抗无机盐和硫化物侵蚀。可用于制造轻质墙体材料、隔断材料、防火材料、装饰板材、轻质保温材料、混凝土材料、发泡砌块、工艺品等产品，在建筑、装饰等领域具有广泛的应用[1-3]。磷酸镁水泥是一种通过酸碱反应及物理作用而凝结硬化的材料，该材料具有水化迅速、环境适应性广和早期强度高等特点，有着非常重要的军事运用价值，在高速公路与市政主干道的快速修补及有害物质固化等方面也有广阔的应用前景[4-5]。硫氧镁水泥是指由活性MgO和一定浓度的MgSO4水溶液组成的一种MgO·MgSO4·H2O三元凝胶体系组成的镁质材料，与氯氧镁水泥，磷酸镁水泥材料的区别仅仅在于拌合浆料时所使用溶液的酸根不同。硫氧镁水泥具有防火、质量轻、隔声、绝热、凝结快等特点。氯氧镁水泥与硫氧镁这两种凝胶材料的诸如阻燃性、耐磨性、低热导率和环境友好等性质大体相似，不同点在于硫氧镁水泥与氯氧镁水泥相比，优点主要在于对钢筋腐蚀性能低，抗温性能好的特点。

从目前国内外文献来看，硫氧镁水泥的文献远少于氯氧镁水泥，特别是对硫氧镁水泥发泡材料的研究更少。另外，燃煤电厂在煤燃烧后的烟气中会产生大量的粉煤灰，其主要成分是SiO2、Al2O3等，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一，如果能将这些粉煤灰填充到硫氧镁泡沫水泥中，将体现出巨大的环境和经济效益。本文使用本公司电厂产生的粉煤灰添加到硫氧镁发泡水泥中，考察不同掺量对该泡沫水泥各项性能的影响。

1" 实验部分

1.1" 实验药品

实验主要药品见表1。

1.2" 实验设备

实验所用主要仪器设备见表2。

1.3" 实验过程

取硫氧镁水泥100份，水35份，30%过氧化氢5份，粉煤灰份数为变量。首先按配比称量各种原料，其次将硫氧镁水泥，粉煤灰和水中加入到砂磨分散多用搅拌机中，将其搅拌成均匀浆体，搅拌时间控制在90～180 s，接着将发泡剂加入到浆体中，继续搅拌至均匀，搅拌时间控制在5～10 s。最后将浆体浇注入模成型，静停发泡。产品在温度为25 ℃，湿度为90%的恒温恒湿箱中养护14 d，之后脱模，用于测试。

1.4" 测试方法

1.4.1" 发泡水泥容重测试

本实验为测试14 d龄期的发泡水泥的容重，即将养护14 d龄期的发泡水泥试块切割为较为规则的圆台状，计算其体积，再测其圆台状水泥试块的重量。计算可得容重，公式如下：

γ＝G/V （1）

其中： γ—容重，N/m³；

G—重量，N；

V—体积，m³。

1.4.2" 测试的发泡水泥吸水率

参考GB/T 5486测试发泡水泥试块14 d龄期的吸水率。

1.4.3" 观察发泡水泥的形貌

采用体视显微镜观察水泥试块14 d龄期的形貌。

1.4.4" 测试发泡水泥的导热系数

参考GB/T22588—2008测试水泥试块14d龄期的导热系数。

1.4.5" 测试发泡水泥的抗压强度

参考GB/T 11969测试水泥试块14 d龄期的抗压强度。

2" 结果与讨论

2.1" 粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响

由表3可知，粉煤灰的掺入会使混凝土强度提高的速度放缓，而且粉煤灰掺量越大，混凝土抗压强度提高的速度越慢，当粉煤灰的掺量为20%时，混凝土的抗压强度明显降低，约为不掺粉煤灰混凝土时强度的60%左右。粉煤灰是一种活性掺合料，掺入的粉煤灰会发生水化反应，但这个过程较为缓慢的。有文献指出[6]，在水化初期，粉煤灰的颗粒表面并没有发生改变，这表明在混凝土初始形成阶段，粉煤灰相当于惰性填料，仅表现为可以改善混凝土的流动性，对抗压强度贡献不大，但随着混凝土保养时间的延长，粉煤灰表面会产生越来越多的水化产物，生成的大量纤维状晶体会相互交叉连接，从而表现为越来越高的粘结能力，这些水化的纤维状晶体与硫氧镁水泥结构紧密连接，显著提高了粉煤灰混凝土的力学强度[7-10]。

2.2" 粉煤灰掺量对混凝土吸水性的影响

硫氧镁水泥在固化时会在内部产生很多微孔，这些相互连通微孔是混凝土具有吸水性的主要原因。当混凝土中掺入粉煤灰之后，因为粉煤灰会发生二次水化反应，产生的大量细小的纤维状水化物会填充在混凝土的微孔之中，可以有效的阻塞水泥中相互连通微孔，进而提高了水泥的耐水性。研究发现：养护条件对混凝土吸水性影响很大，特别是蒸汽高温养护时间的长短对前期性能提高的影响很大。在相同的温度下，养护7 d要比养护3 d的耐水性有十分明显提高 （约40％左右 ）。养护7 d以后，掺加了粉煤灰的混凝土的耐水性的增长潜力得到充分的提高。如果将养护时间提高到28 d以后，耐水性能提高不大。因此可以认为，高温养护的时间对混凝土的后期耐水性的影响不大。此外，发现养护3 d以后，提高养护的温度，可以显著提高混凝土的耐水性（100 ℃下进行养护要比在80 ℃下养护耐水性高40%）。但是，养护7 d以后，温度对耐水性的提高影响就不明显了。这是由于随着水泥养护温度的提高和养护期的延长，粉煤灰的水化程度也会不断提高。因此，提高粉煤灰的掺量，混凝土的耐水能力也将提高， 如表4所示。

2.3" 粉煤灰掺量对混凝土容重和导热系数的影响

粉煤灰的化学成份主要包括SiO2和Al2O3，其中SiO2的含量约为48%，Al2O3含量约为27%左右。粉煤灰的外观以玻璃质中空微珠为主，孔隙率在50%～80%之间，因此粉煤灰的堆积密度一般为550～700 kg/m3之间。由表3可以看出，随着粉煤灰添加量的增加，硫氧镁水泥的容重逐渐降低，同时导热系数也逐渐降低，这说明提高低密度的粉煤灰用量有利于提高混凝土的保温效果，如表5所示。

2.4" 粉煤灰掺量对混凝土形貌的影响

图1所示的是掺加了不同含量粉煤灰的水泥试块的体视显微镜照片，通过对比可以发现：掺加了粉煤灰的发泡水泥试块的孔隙比未掺加粉煤灰的发泡水泥试块孔隙更大且均为闭孔结构，而改变粉煤灰的掺加量对水泥试块孔隙影响不大。

3" 结 论

混凝土中掺入粉煤灰，可 以利用工业废料，对工业生产和环境有重要的意义。 硫氧镁泡沫水泥掺入粉煤灰后，混凝土的初期强度提高速度比较慢，但后期的强度同未加粉煤灰的混凝土相比有一定程度的提高，且后期混凝土的强度随着粉煤灰掺加量的提高而提高。

参考文献：

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Effect of Fly Ash Content on Properties of Magnesium Oxysulfate Foam Cement

TIAN Hai-yan

（1. China Energy Engineering Group Northeast No.3 Electric Power Construction Co.， Ltd.， Jinzhou Liaoning 121001， China;

2. Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：" The effect of changing the content of fly ash on the performance of magnesium oxysulfate foam cement was studied. The test results showed that the performance of concrete was obviously improved after adding quantitative fly ash， and the performance changed with the change of fly ash content.

Key words：" Fly ash; Magnesium oxysulfate foam cement; Performance