氧化物對無機(jī)礦物聚合物混凝土耐久性能的影響研究

蘇 開 拓

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714099）

氧化物對無機(jī)礦物聚合物混凝土耐久性能的影響研究

蘇 開 拓

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714099）

無機(jī)礦物聚合物作為以天然鋁硅酸鹽或工業(yè)固體廢棄物為主要原料而合成的一種新型的節(jié)能材料，成為當(dāng)前建筑行業(yè)研究的熱點。以礦渣、粉煤灰、偏高嶺土作為主要原材料，通過研究混凝土中不同CaO含量與 n(SiO2)/n(Al2O3)的摩爾比對混凝土試件力學(xué)性能及耐久性的影響。通過采用快速砂漿棒法、電導(dǎo)法等方法對混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、氯離子滲透測試，并通過電子顯微鏡觀察期微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明都要優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土，表現(xiàn)出良好的抗壓、耐腐蝕等性能。

氧化鈣；無機(jī)礦物；摩爾比；抗壓強(qiáng)度；抗腐蝕

建筑行業(yè)中水泥一直作為主要的污染原料，給我國環(huán)境、資源等帶來巨大的壓力[1]，因此，如何實現(xiàn)水泥產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，實現(xiàn)水泥生產(chǎn)的“生態(tài)化”，成為當(dāng)前水泥工業(yè)進(jìn)程中面臨的巨大難題。而無機(jī)礦物聚合物作為現(xiàn)代一種新的建筑材料，與傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)相比，省去其中的燒結(jié)過程，從而減少二氧化碳和粉塵的排放[2]，提高了對工業(yè)固體廢棄物的利用率，解決了電廠粉煤灰、鋼鐵廢渣、電解鋁赤泥等污染物的排放與再利用的問題，成為當(dāng)前建筑領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景的材料。對此，本研究針對不同 CaO含量與 n(SiO2)/n(Al2O3)的摩爾比對無機(jī)礦物聚合物混凝土耐久性能的影響進(jìn)行深入研究與探討，以此為無機(jī)礦物聚合物混凝土的應(yīng)用提供實驗數(shù)據(jù)參考。

1 試驗部分

無機(jī)礦物聚合物的制備通常以偏高嶺土、粉煤灰、礦渣等作為主要原材料[3]，同時加入適量的堿性激發(fā)劑，如NaOH。各種原料的具體指標(biāo)則如表1、表2和表3所示。

（1）偏高嶺土

本研究中選取的偏高嶺土來自我國內(nèi)蒙清水河縣，其主要指標(biāo)如表1。

表1 偏高嶺土主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of metakaolin %

（2）粉煤灰

粉煤灰作為制備實驗用品的主要材料，本文則選取遼寧鐵嶺生產(chǎn)的I級煤灰，其主要指標(biāo)如表2。

表2 粉煤灰主要化學(xué)成分及含量Table 2 Main chemical composition and content of fly ash %

（3）礦渣

本試驗采用的礦渣則采用由南京柏陽化工有限公司生產(chǎn)的?；郀t礦渣粉，通過實驗室檢驗，符合試驗要求的GB/T 18046-2000標(biāo)準(zhǔn)，其具體的化學(xué)成分如表3。

表3 試驗用礦渣化學(xué)組成Table 3 Chemical composition of slag %

（4）堿性激發(fā)劑

在該試驗中采用由NaOH和二氧化硅所組成低模數(shù)水玻璃（模數(shù)為1.2、1.4）[4]，從而更好的激發(fā)其中的硅鋁礦物與溶液之間形成聚合物前驅(qū)物。其中NaOH為白色固體，固體含量高于96%；二氧化硅則采用長沙升陽化工生產(chǎn)，模數(shù)在3.1～3.4之間，Na2O含量不低于 8.3%，二氧化硅的含量不少于26%。

（5）其他

粗料集：碎石，粒徑5～31.5 mm之間，連續(xù)級配；

細(xì)料集：玻璃體，用于制備膠砂試件；河砂，細(xì)度模數(shù)2.4。

2 試驗方法

2.1 膠砂與混凝土抗壓強(qiáng)度試驗

分別制定標(biāo)準(zhǔn)的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和100 mm×100 mm×100 mm型號的試模，待通過攪拌機(jī)攪拌倒入試模，并將其放置24 h，脫模后將其放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，分別對膠砂試件與混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。其中膠砂試件抗壓測試分別取3次，誤差不超過10%，具體則為以2 400 N±200 N/s速率均勻往膠砂加荷載，直到其被破壞；混凝土抗壓測試同樣為3次的平均值，當(dāng)其中的最大值或最小值與中間值的差距大于15%，則將該中間值最為其抗壓強(qiáng)度。具體計算公式則為：

式中：Rc— 抗壓強(qiáng)度，MPa；

A — 承壓面積，mm2；

Pc— 破壞荷載，N。

2.2 氯離子滲透試驗

在本試驗中采用清華大學(xué)研究者提出的電導(dǎo)率法，將測試的飽鹽混凝土看成導(dǎo)電元件，并根據(jù)其電導(dǎo)率與CI-擴(kuò)散系數(shù)存在一種線性關(guān)系，從而通過Nernst-Einstein 方程求解得到該CI-系數(shù)，其具體的計算公式為：

式中：Di— 粒子擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s;

R — 氣體常數(shù)，8.314 J/mol·k;

T — 絕對溫度，K；

σi— 偏導(dǎo)數(shù)，s/cm；

Zi— 粒子電荷數(shù)；

Ci— 氯離子濃度，mol/cm3;

F — 常數(shù)，96 500 C/mol。

2.3 SEM測試

通過采用SEM測試，從而微觀觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[5]。本研究中則將試驗制備的無機(jī)礦物聚合物混凝土破碎，取出大小為0.5 cm的立方體芯部，在進(jìn)行微觀觀察前，將其放置在150 ℃的溫度下進(jìn)行干燥4 h，同時對其表面噴金0.01～0.1 mm，使其具備良好的導(dǎo)電功能，最后將制備好的芯部立方體放入電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。

3 CaO含量與 n(SiO2)/n(Al2O3)摩爾比對無機(jī)礦物混凝土耐久性影響

3.1 抗壓強(qiáng)度測試

為更好的研究不同氧化鈣含量對無機(jī)礦物聚合物耐久性能的硬性，在凈漿試件的制備前進(jìn)行大量實驗，并以20%、15%、10% 3個不同氧化鈣含量分組入手，在其中氧化鈣含量一定的條件下，改變其中的 n(SiO2)/n(Al2O3)、n(NaO2)/n(Al2O3)和 n(H2O) / n(SiO2) 的值，從而確定實驗原材料的組成比例。通過試驗確定 n(SiO2)/n(Al2O3)的值在 2.7～4區(qū)間，n(NaO2)/n(Al2O3)比值在0.2～0.4區(qū)間，n(H2O)/n(SiO2)值則確定在2.2～3.3，水玻璃的模數(shù)則為1.4。

結(jié)合上述的數(shù)據(jù)制備水泥凈漿試件，并統(tǒng)一對其在3、7和28 d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

通過在20%、15%、10% 3種不同氧化鈣含量分組下，可分別得到其在氧化鈣確定時候，不同n(SiO2)/n(Al2O3)值下的無機(jī)礦物聚合物凈漿試件抗壓強(qiáng)度，具體則如圖1-圖3所示。

3.2 抗?jié)B透性能分析

滲透性作為反映混凝土抗腐蝕的一個重要參數(shù)，是影響混凝土中鋼筋腐蝕的一個重要因素[6]。因此，開展對其氯離子滲透性的測試實驗，成為評價其耐久性的重要方式。本研究則采用電導(dǎo)法對其進(jìn)行測試，實驗的技術(shù)路線則采用如圖4所示。

圖1 20% CaO含量下不同n(SiO2)/n(Al2O3)值下的抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of concrete sample with different /n (SiO2) n (Al2O3) under 20% CaO content

圖2 15% CaO含量下不同n(SiO2)/n(Al2O3)值下的抗壓強(qiáng)度Fig. 2 Compressive strength of concrete sample with different /n (SiO2) n (Al2O3) under 15% CaO content

圖3 10% CaO含量下不同n(SiO2)/n(Al2O3)值下的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of concrete sample with different /n (SiO2) n (Al2O3) under 10% CaO content

通過不同氧化鈣含量的情況下，得到如圖5所示的通電量。

圖5 不同氧化鈣含量下的氯離子通電量（%）Fig. 5 The chlorine ion power consumption of different calcium oxide content（%）

3.3 SEM測試

同時為進(jìn)一步觀察其微觀結(jié)構(gòu)，選擇不同氧化鈣含量下其內(nèi)部組織的結(jié)構(gòu)，圖6則為CaO含量為20%，在28 d時與傳統(tǒng)混凝土進(jìn)行的觀察對比。

圖6 傳統(tǒng)混凝土與無機(jī)礦物混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.6 The internal structure of conventional concrete and inorganic mineral concrete

4 結(jié)果分析

耐久性作為衡量混凝土質(zhì)量好壞的指標(biāo)，成為當(dāng)前對混凝土評價的普遍方式。無機(jī)礦物聚合物混凝土作為一種新生態(tài)的材料，對其評價則選擇抗壓強(qiáng)度、氯離子滲透性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了測試。通過圖1-圖3在不同CaO含量分組下的不同n(SiO2) /n(Al2O3)比可以發(fā)現(xiàn)，在試件制作的3 d、7 d時候，其抗壓強(qiáng)度隨著摩爾比的增大而逐步的減小，而在28 d時候，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，并在氧化鈣含量最大的時候，抗壓強(qiáng)度為58.31。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于在本實驗制備的原料中，其主要為SiO2和Al2O3，上述兩種物質(zhì)很容易被水玻璃水解，從而產(chǎn)生具有活性的SiO2和NaOH，使得形成新的三維結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，而其中[SiO4]單體的增加，使得其中形成膠凝材料聚合。

在通電量方面，隨著氧化鈣含量的增加，其通電量則變得越來越小，當(dāng)其中的 CaO含量在達(dá)到20%的時候，其通電量最小，為3 400 C左右。導(dǎo)致該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于氧化鈣含量增高，使其產(chǎn)生的聚合反應(yīng)增加，整體結(jié)構(gòu)逐步趨于穩(wěn)定，并使得內(nèi)部空隙變小，以此使得其強(qiáng)度增加，氯離子的通電量也變得很小。同時該問題也可以通過圖6對其進(jìn)行的微觀觀察可以得到。

5 結(jié) 論

通過上述試驗表明，在無機(jī)礦物聚合物制備的早期，隨著氧化鈣含量的增加，其抗壓強(qiáng)度逐步減小，而當(dāng)在28 d時候，其抗壓強(qiáng)度則變大。同時當(dāng)氧化鈣含量為20%，n(SiO2)/n(Al2O3)比取值為4.0時，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。因此，在對無機(jī)礦物聚合物進(jìn)行制備的時候，氧化鈣含量取值為 20%，n(SiO2)/n(Al2O3)比在4.0左右的時候，其耐久性能最好。但由于未對n(NaO2)/n(Al2O3)、n(H2O) /n(SiO2)納入考慮范圍，需要在接下來的試驗中進(jìn)一步確認(rèn)該值，從而更好的做好原材料的配比。

［1］ 王晴,笪菁,張存寶. 氧化物組成對無機(jī)礦物聚合物混凝土鋼筋銹蝕的影響[A]. 中國硅酸鹽學(xué)會水泥分會.中國硅酸鹽學(xué)會水泥分會第三屆學(xué)術(shù)年會暨第十二屆全國水泥和混凝土化學(xué)及應(yīng)用技術(shù)會議論文摘要集[C].中國硅酸鹽學(xué)會水泥分會:,2011:1.

［2］馬驍. 基于無機(jī)聚合物水泥的新型高性能輕骨料混凝土的制備與性能研究[D].長沙：中南大學(xué),2012.

［3］胡克杰,李士偉. 無機(jī)聚合物膠凝材料調(diào)研及綜合性能分析[J]. 廣東建材,2014,05:18-20.

［4］王晴,張崇燕,丁兆洋,隋智通. 無機(jī)礦物聚合物混凝土收縮性能的研究[J]. 材料導(dǎo)報,2010,10:65-67+73.

［5］王晴,胡英澤,涂欣,丁兆洋. 氧化物組成對地聚合物混凝土抗凍性能的研究[J]. 商品混凝土,2010,10:34-36.

［6］鄧小勇,李志剛,黃亞新,于正義,李聰. 聚合物超細(xì)粉體混凝土耐久性能實驗分析[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(06): 534-539.

Effect of Oxide on the Durability of Inorganic Mineral Polymer Concrete

SU Kai-tuo
（Shaanxi Railway Institute, Shaanxi Weinan 714099，China）

Geopolymer is a new energy-saving material prepared with natural aluminum silicate or industrial solid wastes as main raw material; it has become the focus of current research in the construction industry.In this paper, with slag, fly ash and metakaolin as main raw materials, geopolymer was prepared. Effect of CaO content and n (SiO2) / n (Al2O3) molar ratio on mechanical properties and durability of concrete sample was investigated. By using the accelerated mortar bar method and conductance method, compressive strength and chloride ion penetration of concrete sample were tested, and its microstructure was observed by electron microscopy. The results show that the concrete sample is better than traditional concrete, exhibits good compressive strength, corrosion resistance and other properties.

Calcium oxide; Mineral; Molar ratio; Compressive strength; Corrosion resistance

TQ 178

A

1671-0460（2015）08-1758-04

2015-07-20

蘇開拓（1984-），男，陜西渭南人，助教，研究生，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)管理科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：管理科學(xué)與工程、物流管理、工程物資管理。E-mail：sukaituo12@126.com。