粉煤灰与矿粉对地聚物水泥性能的影响研究*

左李萍，蒙海宁，许彦明，朱祥，陆小军，伊立

（1. 镇江建科建设科技有限公司，江苏 镇江 212004；2. 江苏镇江建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 镇江 212004）

0 引言

随着人类社会经济的发展，其资源的消耗越来越多，尤其是非再生资源，无法循环使用，消耗一点就减少一点。而在人类的发展史上非金属材料一直都有着举足轻重的地位，自从 19 世纪水泥问世以来，在社会的建设当中发挥着巨大作用，但普通水泥在生产过程中会产生较大污染。因此，采用无机矿物制备多功能的无机材料[1-5]是当今世界材料学研究的重要方向之一。无机聚合物材料因能符合这些要求而引起学术界的重视，地聚物水泥就是一类新型的高性能无机聚合物材料[6-9]。单独使用偏高岭土来制备地聚物水泥还是有许多不足之处，因此，本文中考虑采用粉煤灰和矿粉进行复掺改性研究。

1 试验

1.1 原材料

（1）偏高岭土：本试验采用的偏高岭土取自河北省灵寿县，其化学成分见表 1。

（2）粉煤灰：选用镇江谏壁电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，其化学成分见表 2。

表 2 Ⅱ级粉煤灰的化学组成 wt%

（3）矿粉：选用江南水泥粉磨公司生产的 S95 级磨细矿粉，其化学成分见表 3。

表 3 矿粉的化学组成 wt%

（4）激发剂

1）固体激发剂：NaOH 为分析纯，纯度在 95% 以上。

2）液体激发剂（硅酸钠）：青岛优索化学科技有限公司生产，为半透明状粘稠液体，其化学成分见表4，用 NaOH 和水调节至所要求的水玻璃模数。

表 4 水玻璃技术指标

1.2 试验设备（表 5）

表 5 试验仪器

1.3 试验配比设计

1.3.1 粉煤灰单掺试验配比设计

粉煤灰的掺入量分别为 5%、 10% 以及 15% 的不同比例，具体配方见表 6，其中 N9 是前期研究最好的偏高岭土基地聚物水泥的试验配比（即，硅酸钠模数为1.4，碱引入量为 18%，偏高岭土的掺量为 100%），因而在本文中作为空白组对比。

表 6 单掺粉煤灰的试验配合比

1.3.2 矿粉单掺试验配比设计

设计与单掺粉煤灰类似的配合比，便于对比，详见表 7。

表 7 单掺矿粉的试验配合比

1.3.3 粉煤灰和矿粉复掺配比设计

粉煤灰和矿粉复掺配比设计为 80% 的偏高岭土，矿粉和粉煤灰合起来占比为 20%，配比详见表 8。

表 8 复掺矿粉的试验配合比

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰掺量对地聚物水泥流动性能的影响

图 1 为不同掺量的粉煤灰对地聚物水泥流动性能的影响。由图 1 可见，当粉煤灰掺入量从 5% 增加到 15%时，其流动性逐渐增大，当掺入 15% 粉煤灰时，其流动度达到 235mm。这是由于粉煤灰是球形颗粒，产生“滚珠效应”，地聚物水泥的流动性能得到提高。

图 1 粉煤灰的掺量对地聚物水泥流动性能的影响

2.2 粉煤灰掺量对地聚物水泥凝结时间的影响

表 9 表示了不同掺量的粉煤灰对地聚物水泥凝结时间的影响。由表 9 中可知随着粉煤灰掺量的增加，地聚物水泥的初凝和终凝时间都会延长。这是由于偏高岭土的火山灰活性要比粉煤灰高，偏高岭土会优先发生火山灰反应，而粉煤灰反应的滞后性导致了地聚物水泥的凝结时间增加。

表 9 粉煤灰的掺量对地聚物水泥凝结时间的影响

2.3 粉煤灰掺量对地聚物水泥抗压强度的影响

粉煤灰掺量对地聚物水泥抗压强度的影响如表 10和图 2 所示。随着粉煤灰掺量的增加，其抗压强度呈下降趋势。另外随着粉煤灰的掺入，地聚物水泥的 3d 抗压强度增长较快，之后抗压强度增长较缓慢。

表 10 粉煤灰的掺量对地聚物水泥抗压强度的影响MPa

图 2 粉煤灰的掺量对地聚物水泥抗压强度的影响

2.4 矿粉掺量对地聚物水泥流动性能影响

图 3 为不同掺量的矿粉对地聚物水泥流动性能的影响。由图 3 可见，当矿粉掺入量增加时，地聚物水泥的流动性也会增加，当矿粉的掺入量为胶凝材料的 15%时，流动性能达到了 220mm。这主要是因为矿粉的粒度很细，从而使地聚物水泥有更好的流动性，但矿粉对地聚物水泥流动性的增加却没有粉煤灰好。从图 3 还可看出，当矿粉的掺入量达到 5% 时，流动性增长幅度最多，随着增加矿粉的掺入量，地聚物水泥的流动度增长幅度逐渐趋于平缓。

图 3 矿粉掺量对地聚物水泥流动性能的影响

2.5 矿粉掺量对地聚物水泥凝结时间的影响

从表 11 中可以看出随着矿粉的掺入，地聚物水泥的凝结时间明显缩短。由于矿粉是高钙物质，能迅速发生碱激发反应，减少凝结时间。

表 11 矿粉的掺量对地聚物水泥凝结时间的影响

2.6 矿粉掺量对地聚物水泥抗压强度的影响

表 12 和图 4 是不同矿粉的掺量对地聚物水泥强度的影响。由试验结果可以看出掺入矿粉能提高地聚物水泥的抗压强度，其中地聚物水泥 3d 抗压强度的增长幅度最大，达到了 10.3%， 28d 抗压强度比不加矿粉的增加了 8%。矿粉是高钙矿物，其能迅速参与碱激发反应，加快碱激发的水化进程。随着矿粉掺量的增加，其抗压强度增大。

表 12 矿粉掺量对地聚物水泥抗压强度性能的影响MPa

图 4 矿粉掺量对地聚物水泥抗压强度性能的影响

2.7 粉煤灰与矿粉的复掺对地聚物水泥抗压强度的影响

由表 13 和图 5 显示了粉煤灰和矿粉的复掺对地聚物水泥抗压强度的影响。由图可以看出与纯偏高岭土的空白样相比，M7（5% 粉煤灰，15% 矿粉）组的强度最高，矿粉的掺入对其强度有明显的促进作用，从 M9 这一组（15% 粉煤灰，5% 矿粉）来看，由于掺入较多的粉煤灰，试块的抗压强度最低，对于 M8，该组抗压强度处于 M7 和 M9 之间。

表 13 粉煤灰—矿粉复掺对地聚物水泥抗压强度的影响 MPa

图 5 粉煤灰—矿粉复掺对地聚物水泥抗压强度的影响

3 小结

（1）随着粉煤灰掺量的增加浆体的流动性增大，工作性能得到改善。此外，当粉煤灰掺量增加时，地聚物水泥的凝结时间也会增加，同时地聚物水泥的抗压强度也会降低。

（2）矿粉是高钙矿物，能迅速参与碱激发反应，同时放出大量的水化热，从而能够提高其浆体的温度，加快偏高岭土的水化进程。

（3）综合对流动性能和抗压强度性能的影响，其较优配方是掺入 5% 的粉煤灰＋15% 的矿粉，3d 强度达到 40.6MPa，28d 强度达到 47.5MPa。