摘要:綜述了石灰對粉煤灰活性激發作用的研究結果,分析了其水化反應過程,提出按等當量比較生、熟石灰激發粉煤灰活性的合理性和可行性,分析了熟石灰更有利于激發粉煤灰活性的技術、經濟優勢。

關鍵詞:石灰，激發粉煤灰活性，等當量，熟石灰，優勢

粉煤灰具有潛在火山灰活性,這種潛在火山灰活性需經激發才能得以發揮,快速、充分、經濟地激發粉煤灰活性是粉煤灰資源化利用的要求。粉煤灰呈酸性又“先天缺鈣”,人們受天然火山灰加石灰制作膠凝材料的啟發,一直將石灰作為激發粉煤灰活性的物質,對此,國內外研究者做了大量的研究和應用推廣工作,為粉煤灰研究和資源化奠定了理論和實用基礎。

1　國內外研究的回顧

1.1　石灰對粉煤灰活性激發的作用

粉煤灰的火山灰活性早就為人們所認識是因其化學組成與天然火山灰相似。粉煤灰化學組成與硅酸鹽水泥熟料的化學組成也極其相似,它們均屬于CaO-SiO2-Al2O3系統,其主要區別是化學組分的含量不一樣,而以氧化鈣含量相差大。低鈣粉煤灰的氧化鈣含量一般不超過10%,我國典型高鈣粉煤灰的氧化鈣含量也不超過25%,而硅酸鹽水泥熟料中氧化鈣含量一般在62～67%之間[1]。當粉煤灰的氧化鈣含量較高時就有一定的膠凝性能,理論上認為粉煤灰補充氧化鈣就可能水化硬化而形成強度。但實際研究和利用表明只向粉煤灰中補充氧化鈣,雖能激發粉煤灰的活性,但常溫常壓下其強度特別是早期強度偏低,因此,以往研究和應用石灰激發粉煤灰活性多在蒸壓與蒸養條件下進行。后來研究發現:粉煤灰的主要成分為酸性氧化物,其活性在堿性介質中容易得到激發,且需在其它條件下才能得到更快速、充分地激發[2]。

NaOH雖也是堿性物質,但與粉煤灰作用卻不產生強度,經對其水化產物的微觀分析發現:用石灰激發粉煤灰生成了具有膠凝性的水化產物(CSH、CAH、AFt等),而用NaOH激發粉煤灰則沒有生成具有膠凝性的水化產物。石灰不但為粉煤灰活性激發提供了堿性環境即提供了破解粉煤灰玻璃體中的Si-O、Al-O鍵的OH-,而且還提供了使粉煤灰活性得到激發、水化生成水硬膠凝性產物所需的Ca2+,同時促進水化生成物轉化成更穩定、強度的水化產物,是激發粉煤灰活性的必要條件[3]。

1.2　生、熟石灰對粉煤灰活性激發的差別

無論采用生石灰或熟石灰,其對粉煤灰活性激發的基本機理是相同的,從理論上看其對粉煤灰活性激發程度也是相同的,但從前人和我們的研究結果來看,它們之間存在較大的差別。以前,國內學者和國外部分學者用石灰激發粉煤灰活性時傾向于使用生石灰,認為生石灰消解時產生大量的水化熱,有利于粉煤灰的活性激發及水化膠凝物質的生成,同時在拌和好的漿體中生石灰消解需要一部分水,使漿體中游離水減少,硬化體中孔隙率降低,這些因素均有利于強度的提高,因此,認為生石灰比熟石灰更有利于粉煤灰活性的激發[1,3]。

但國外有學者考慮熟石灰在加工、儲存、細度及體積安定性等方面的優勢,利用熟石灰激發粉煤灰的活性,并取得了較好的效果[4],但沒有對生、熟石灰激發粉煤灰活性的差別和機理進行研究。

因此,以住對石灰激發粉煤灰活性的研究多指生石灰的激發作用。

2　石灰對粉煤灰活性激發作用的再認識

2.1　條件對比

采用生石灰激發粉煤灰活性,加水攪拌后生石灰與水迅速消解生成Ca(OH)2,然后Ca(OH)2再與粉煤灰中的SiO2和Al2O3反應生成具有膠凝性的物質而產生強度。就其水化反應過程來看,終參與反應的是Ca(OH)2,而不是CaO。因此,用熟石灰代替生石灰的效果應該是一樣的或者差別不大。但以往研究的試驗結果表明采用熟石灰的強度卻明顯低于生石灰的。資料[2,3]和我們前期試驗發現:過去比較生、熟石灰對粉煤灰活性的激發效果都是以等質量為比較條件。然而,石灰激發粉煤灰活性終參與激發的是Ca(OH)2,因而比較生、熟石灰對粉煤灰激發效果應該是以等當量的CaO或Ca(OH)2作為比較條件。因為1克CaO與水反應可生成1.32克Ca(OH)2,即等質量的生、熟石灰終提供的Ca(OH)2量是不相等的,生石灰終提供的Ca(OH)2是等質量熟石灰1.32倍。而粉煤灰活性激發需要不斷地消耗Ca(OH)2,等質量的生、熟石灰提供的Ca(OH)2卻是不相等的,從這個角度出發,在比較生、熟石灰對粉煤灰活性的激發效果以等質量為比較條件是不恰當的,應該以等當量為比較條件,即1克生石灰激發粉煤灰活性的效果應該是與1.32克熟石灰的激發效果進行比較。

2.2　試驗結果

采用重慶電廠干排灰和保定電廠的干排灰,重慶灰屬于三級灰,見表1。

試驗中重慶電廠的粉煤灰還采用磨細灰和超細灰,其密度分別為2.56×103kg/m3、2.70×103kg/m3,比表面積分別為690m2/kg、1210m2/kg。

采用重慶歌樂山石灰,活性77%,為中速灰。生熟石灰篩余量為0.8%,生石灰篩余量2.0%。硫酸鈉為工業芒硝。砂為標準砂。

試驗中考慮到單獨使用石灰的強度低,不便于比較,故摻入激發效果較好的硫酸鈉以提高強度,摻量為粉煤灰和生石灰總量的3%[3],在熟石灰與生石灰進行當量換算時硫酸鹽的摻量仍為粉煤灰和生石灰總量的3%,粉煤灰的摻量為80%,生石灰20%。采用生石灰時水膠比取0.48,采用熟石灰時取0.46;試件在標準養護室進行養護,先在空氣中養護7天,然后進行水養。其它參照GB177-85《水泥膠砂強度檢驗方法》進行;其試驗結果見表2。

試驗結果表明:以等質量比較,在原狀灰和超細灰試驗中,熟石灰對粉煤灰活性激發的膠砂強度低于生石灰激發的膠砂強度,磨細灰試驗中,熟石灰對粉煤灰活性激發的膠砂強度甚至高于生石灰激發的膠砂強度;以等當量比較,四種灰的試驗中熟石灰對粉煤灰活性激發的膠砂強度都高于生石灰激發的膠砂強度。因此,從石灰激發粉煤灰活性效果來看,以等當量熟石灰取代生石灰,熟石灰激發粉煤灰活性具有一定優勢。

2.3　實際應用的合理性和可行性

采用生石灰激發粉煤灰活性,由于生石灰是塊狀的,須經磨細、篩分達到一定細度,才能滿足水化反應的要求,特別是在生產建材制品時,拌和好的料還要通過輪碾、陳化才能滿足生產要求,制品養護還要噴水、加蓋保水層才能表面不開裂,而磨細、篩分、輪碾、陳化、噴水、加蓋保水層不僅增加了生產工藝的復雜程度,而且提高了粉煤灰建材制品生產成本。

熟石灰是生石灰消解而成的,該過程在自然條件下是一自發過程,不需要外界條件和能量;熟石灰是粉末狀的,細度相當小,足以滿足生產要求;且在生產過程中無石灰消解發熱和游離氧化鈣的破壞作用,相對簡化了生產,與生石灰相比采用熟石灰能降低粉煤灰產品的生產成本,即使是采用等當量的熟石灰也不會增加成本。

因此,從實際應用來看,以等當量為比較條件,比較生、熟石灰激發粉煤灰活性是合理可行的;這種合理性和可行性已在我們的中試試驗中得到體現。

2.4　討　　論

以等當量比較,熟石灰激發粉煤灰活性的綜合效果要比用生石灰好,原因[3]是:

(1)生石灰激發粉煤灰活性,特別是生石灰摻量較大,水化反應后有大量的游離氧化鈣存在,可能引起體積安定性不良,石灰顆粒越粗,由游離氧化鈣引起的體積安定性不良的可能性就越大。

(2)生石灰激發粉煤灰活性時,加水拌和首先是生石灰與水反應生成熟石灰,熟石灰溶解于水電離出Ca2+和OH-,而生石灰的消解會受到硫酸鹽的抑制[1],將減小系統液相介質的OH-濃度,降低堿性介質對粉煤灰網絡四面體的破解能力,終降低對粉煤灰活性的激發效果。

(3)由于生石灰需要吸水消解,系統的需水量大,導致整個系統標準稠度需水比大,與同細度的熟石灰相比,采用生石灰成型所需的水灰比相對較大。

(4)通常采用的生石灰是磨細生石灰,熟石灰是消解的粉末狀物質,其比表面積相對于一般的磨細生石灰要大得多,在某種程度上也利于對粉煤灰活性激發。

3　結　　論

石灰是粉煤灰的堿性激發劑,其主要作用是提供OH-破解粉煤灰活性成分中的Si-O和Al-O鍵、補充粉煤灰水化反應所需的Ca2+、促進水化產物的形成、轉化等作用,是激發粉煤灰活性的必要條件。

以往的研究一直認為生石灰比熟石灰有利于粉煤灰活性激發。其比較生、熟石灰對粉煤灰活性激發效果是以等質量為比較條件,而終激發粉煤灰活性的是Ca(OH)2,應以等CaO或Ca(OH)2當量為比較條件。

以此為條件,試驗結果表明,熟石灰對粉煤灰活性激發的效果比生石灰要好。

采用生、熟石灰激發粉煤灰活性的主要差別是熟石灰無體積安定性不良的破壞因素、系統需水比小、熟石灰細度小和生石灰的消解要受硫酸鹽的抑制等因素而產生的。

文獻來源：石灰對粉煤灰活性激發作用的研究進展，王智，錢覺時，盧浩（重慶大學材料與科學工程學院）