1、第21卷 第3期Vol 21 No 3文章編號(hào):1004 793X (2003 03 0360 04材 料 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 報(bào)Journal of Materials Science &Engineering總第83期Jun. 2003含粉煤灰或礦渣水泥石的孔結(jié)構(gòu)陳胡星, 馬先偉, 陳柏連112(1 浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系, 浙江杭州 310027; 2 浙江杭州宏圖管樁有限公司, 浙江杭州 311228 摘 要 本文對(duì)摻粉煤灰與摻礦渣的水泥石孔結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了比較, 結(jié)果表明:與摻礦渣相比, 摻粉煤灰時(shí)水泥石總孔隙率較大, 但趨于小孔分布, 增加的主要是孔徑在5nm 以下的孔, 孔徑

2、大于5n m 的孔反而較少。關(guān)鍵詞 粉煤灰; 礦渣; 孔結(jié)構(gòu)中圖分類(lèi)號(hào):TQ172 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:APore Structures of Cement Stone Containing Slag or Fly AshC HEN Hu xing , MA Xian wei , CHEN Bo lian112(1. Department of Materials Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027;2. Hangzhou Hongtu Pile Manufacturing Co. , Ltd, Hangzho

3、u 311228, ChinaAbstract The characters of pore structure of the cement s tone containing slag and containing fly ash are investigated in this paper.The resul ts show that the cement stone containing fly ash has higher porosity but smaller pore radii distribution, having more porosi ty with pore radi

4、i under 5nm and less over 5nm.Key w ords fly ash; slag; cement stone; p ore structure4 0%。各試樣在20 溫度下, 以0 30水灰比制備凈漿水1 引 言粉煤灰和礦渣在水泥及其混凝土中的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛, 粉煤灰和礦渣作水泥混合材或混凝土摻合料, 不僅能充分利用廢渣、降低成本, 更重要的是能改善水泥和混凝土某些性能1, 2。水泥石是一典型的多孔材料, 許多性能, 如強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性以及對(duì)環(huán)境介質(zhì)的抗蝕性等, 都與它的孔結(jié)構(gòu), 即孔隙率與孔徑分布等有著密切的關(guān)系, 已有許多實(shí)驗(yàn)證明, 降低水泥石的孔隙率, 消

5、除大孔將有利于其性能的改善, 反之, 若孔隙率增大、內(nèi)部出現(xiàn)大孔, 水泥石的性能將變差3,4。為此, 了解粉煤灰和礦渣對(duì)水泥石孔結(jié)構(gòu)的作用是很重要的。本文主要研究和比較水泥中摻粉煤灰和摻礦渣這二種情況下, 其水泥石的孔隙率與孔徑分布?；瘶右约?cm 2cm 2cm 凈漿強(qiáng)度小試體, 24小時(shí)后脫模入50 水中養(yǎng)護(hù), 至規(guī)定水化齡期, 取塊狀樣用無(wú)水乙醇中止水化, 50 下烘干24小時(shí), 供孔結(jié)構(gòu)分析, 同時(shí)對(duì)小試體進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試?？捉Y(jié)構(gòu)分析所用儀器為美國(guó)Quantachrom 生產(chǎn)的Auto 60型自動(dòng)測(cè)孔儀。表1 原料的化學(xué)成分 %Table 1 C hem ical com position

6、s of materials %materialLossSi O 2Al 2O 3Fe 2O 34 795 405 325 415 891 880 12CaOMgOSO 3-f CaO 0 212 10-clinker A 0 3221 05clinker B 0 5821 38fl y as h s lag anhydri te-63 144 9365 010 854 061 8342 989 184 3250 5930 0730 7010 940 890 2640 392 0152 562 實(shí) 驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所用的水泥熟料、粉煤灰和無(wú)水石膏的化學(xué)成分見(jiàn)表1, 其中粉煤灰為 級(jí)灰, 細(xì)度為0 045

7、mm 方孔篩篩余w c =6 3%, 其它原料分別在標(biāo)準(zhǔn)小磨粉磨至細(xì)度為0 08mm 方孔篩篩余w c =4 0-6 0%, 然后按表2配制成7組試樣, 各試樣無(wú)水石膏摻量以SO 3質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)均為收稿日期:2002 12 16; 修訂日期:2002 12 30作者簡(jiǎn)介:陳胡星(1964 , 男, 浙江大學(xué)材料系副教授.表2 各試樣的配比 %Table 2 The m ixture proportion of Various Samplessample F1F2S1S262 462 4clinker A 62 462 4clinker Banhydrite 7 67 67 67 6fl y as

8、 h 30303030s lag 第21卷第3期陳胡星, 等. 含粉煤灰或礦渣水泥石的孔結(jié)構(gòu)36190天的水泥石孔隙率與孔徑分布。以粉煤灰作混合材的3 結(jié)果與討論3 1 水泥石孔隙率與孔徑分布表3和圖1為各試樣在50 水中養(yǎng)護(hù)至3天、28天和水泥石的孔結(jié)構(gòu), 與以礦渣作混合材的水泥石孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較, 兩者有較大的差異, 前者總孔隙率較大, 但明顯趨于小孔分布, 對(duì)于不同的養(yǎng)護(hù)齡期, 二者的差異具有相似的規(guī)律性。以試樣F1、S1在50 水中養(yǎng)護(hù)至90天的水泥石孔圖1 各樣品在50 下養(yǎng)護(hù)至不同齡期的水泥石的孔隙與孔徑分布圖Fig. 1 The porosity and pore radii di

9、atribution of vari ous cement stone curing for di fferent times at 50362 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2003年6月結(jié)構(gòu)為例, 摻粉煤灰的試樣F1的總孔隙率前者為15 8%, 摻同樣數(shù)量礦渣的試樣S1的總孔隙率為10 7%, F1比S1要大, 而最可幾孔徑F1為5 5nm, 比S1的13 2nm 顯然要小得多。小于5nm 孔隙, F1為0 056cm 3 g, S1為0 013cm 3/g, F1幾乎是S1的4倍, 而大于5nm 的孔隙, 前者為0 026cm 3/g, 反而比S1樣的0 037cm 3/g 要小。再看水泥石孔結(jié)構(gòu)發(fā)

10、展情況, 見(jiàn)圖1, 從3天、28天到90天, 對(duì)于摻粉煤灰的試樣, 其總孔數(shù)量逐漸減少, 但小于5nm 的孔數(shù)量卻一直在增加, 而摻礦渣的試樣, 在整個(gè)孔徑范圍內(nèi)的孔均減少。例如, 試樣F1水泥石中總孔數(shù)量在3天、28天和90天時(shí)分別為0 129cm 3/g 、0 083cm 3/g 和0 081cm 3/g, 隨著水化齡期逐漸減小, 小于5n m 的孔隙分別為0 039cm 3/g 、0 046cm 3/g 和0 056cm 3/g , 即隨著齡期的增長(zhǎng)而逐漸增加; 而試樣S1水泥石中總孔數(shù)量在3天、28天和90天時(shí)分別為0 085cm 3/g 、0 055cm 3 g 和0 051cm 3

11、/g, 小于5nm 的孔隙分別為0 019cm 3/g 、0 015cm 3/g 和0 013cm 3/g, 兩者都隨著水化齡期的增長(zhǎng)而減小。表3 各試樣在50 下養(yǎng)護(hù)至不同齡期的水泥石的孔隙率與孔徑分布Table 3 The porosity and pore radii diatribution o f various stone for different times at 50Sample F1-3d F1-28d F1-90d F2-3d F2-28d F2-90d S1-3d S1-28d S1-90d S2-3d S2-28d S2-90dporosi ty 23 2315 97

12、15 7522 9818 8017 9117 3211 4610 6517 3011 3811 21pore radii distributi on %100 nm 2 110 640 593 144 600 872 18 6 292 5910050 nm1 050 490 361 340 970 411 681 15 2 691 561 395020 nm 2 151 451 312 431 470 8013 162 872 319 82 973 042510 nm 29 214 653 2632 048 225 4243 4851 4453 3536 1630 7846 33105 nm

13、35 5536 9226 2336 4835 1933 1217 5817 1119 1619 9432 4920 9052 5 nm 20 2743 8351 5518 6737 0139 1814 3416 0016 0317 3818 9318 722 5 nm 9 6612 0216 705 9012 5420 207 5811 439 157 7410 689 623 2 水泥石孔隙率與強(qiáng)度的關(guān)系表4為各試樣在50 溫度下養(yǎng)護(hù)至不同齡期的凈漿強(qiáng)度。對(duì)水泥石孔隙率與強(qiáng)度, 用關(guān)系式: = 0e -k進(jìn)行關(guān)聯(lián), 這里 為水泥石在孔隙率為 時(shí)的抗壓強(qiáng)度, 0為水泥石在孔隙率為零時(shí)的本征強(qiáng)度

14、, k 是常數(shù)5。很明顯, 在ln 與 的座標(biāo)中, 摻粉煤灰的試樣的各孔隙率與強(qiáng)度數(shù)據(jù)可關(guān)聯(lián)成一根直線, 而摻礦渣試樣的各孔隙率與強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)則可關(guān)聯(lián)成另一根不同的直線, 如圖2所示。把這兩根直線分別延伸到 =0的時(shí), 可得到兩組試樣的本征強(qiáng)度 0, 摻粉煤灰的試樣為528MPa, 而摻礦渣的試樣只有221MPa 。本實(shí)驗(yàn)實(shí)際上采用兩種熟料, 但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)水泥石強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系產(chǎn)生很大的影響, 而摻用不同的混合材, 卻明顯地影響了水泥石孔隙率與強(qiáng)度的關(guān)系, 摻粉煤灰試樣的本征強(qiáng)度比摻礦渣的試樣要大很多。表4 各試樣的凈漿抗壓強(qiáng)度Table 4 Com pressive strength of

15、samplesSample F1F2S1S2Compressive strength MPa 3d 46 045 347 551 628d 104 381 578 488 990d 106 995 391 390 6圖2 孔隙率與強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig. 2 The relation between s trength and porosity of cement stones3 3 討論摻粉煤灰的水泥石孔結(jié)構(gòu), 與摻礦渣的水泥石孔結(jié)構(gòu)相比, 為什么會(huì)有如此明顯的差異? 從反應(yīng)活性來(lái)考慮, 礦渣一般優(yōu)于粉煤灰, 礦渣能夠提供更多的水化產(chǎn)物, 對(duì)降低水泥石孔隙率方面似乎應(yīng)該有更明顯的作用。但粉煤灰

16、有著其獨(dú)特的自身結(jié)構(gòu)和顆粒形態(tài)的特性, 粉煤灰多呈球形, 粒徑很小, 表面比較光滑, 這種球形顆粒通稱(chēng) 微珠 , 它在水泥漿體中具有 滾珠軸承 行為, 能夠比較有效地填塞水泥漿體中的粗孔, 尤其是填塞水泥漿體中的毛細(xì)孔的通道, 使大孔細(xì)化。這可能是造成二者水泥石孔結(jié)構(gòu)特征差異的第21卷第3期主要原因。陳胡星, 等. 含粉煤灰或礦渣水泥石的孔結(jié)構(gòu)363渣的情況相比, 具有較好的孔結(jié)構(gòu)特征, 雖然總孔隙率較大, 但趨于小孔分布, 孔隙增加部分主要為孔徑小于5nm的膠孔, 而孔徑大于5nm 的孔隙反而要少。2 根據(jù)關(guān)系式: = e -k 對(duì)不同水泥石的強(qiáng)度 與總孔隙率 進(jìn)行關(guān)聯(lián)后表明, 摻粉煤灰的水

17、泥石, 與摻礦渣相比, 具有較高的本征強(qiáng)度。對(duì)于強(qiáng)度與孔隙率之間的關(guān)系, 關(guān)系式 = 0e -k , 并沒(méi)有考慮水泥石孔分布不同的影響, 用該關(guān)系式進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí), 摻粉煤灰的水泥與摻相同數(shù)量礦渣的水泥關(guān)聯(lián)為二根不同的直線, 并且從中推知, 摻粉煤灰時(shí), 其本征強(qiáng)度要大得多, 這從某種程度上說(shuō)明摻粉煤灰對(duì)提高水泥水化產(chǎn)物自身強(qiáng)度方面, 也比摻礦渣有利。對(duì)于水泥石這一典型的多孔材料, 它的許多性能, 如強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性以及對(duì)環(huán)境介質(zhì)的抗蝕性, 等等, 都與它的孔結(jié)構(gòu)特征有著密切關(guān)系, 特別是水泥石中大孔的數(shù)量多時(shí), 其性能將顯著變差。摻粉煤灰的水泥石, 比之摻礦渣的情況, 雖然總的孔隙率較大,

18、但在孔徑分布上趨于小孔, 增加的主要是孔徑小于5nm 的膠孔, 而大于5nm 的大孔反而少, 這反映了在本實(shí)驗(yàn)條件下, 摻粉煤灰的水泥石的孔結(jié)構(gòu)比較好, 單純從水泥石孔結(jié)構(gòu)情況來(lái)看, 摻粉煤灰比之摻礦渣對(duì)提高水泥及其混凝土的耐久性更為有利。參考文獻(xiàn)1 E. W. Miller. Blen d cement Application and i mplication sJ.Ce ment&Con crete Comp osites, 1993; 15:237245.2 Chao hu ng Hwan g, Der Hsien Shen . The effects of b last fu rn ace slagand fly ash on the hyd ration of p ortland cementJ.Cemen t Concre te Research, 1991, 21(4 :410.3 沈威, 等. 水泥工藝學(xué)M.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1991, 277.4 S . P. Jiang, Ch Detriche, e