不同組分粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿的強(qiáng)度研究★

周雅萍，王 勇，洪雅妮，楊 錦

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院，浙江 諸暨 311800； 2.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 東陽 322100)

1 概述

硅酸鹽水泥是現(xiàn)有混凝土的主要構(gòu)成部分，隨著水泥的使用量逐年的增加，自然資源急劇消耗，生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳、粉塵和有害氣體也加重了溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。地質(zhì)聚合物作為一種新型綠色建筑材料，與普通硅酸鹽水泥相比，它具有更高的強(qiáng)度、硬度、韌性、高穩(wěn)定性和抗凍性，并且它的原料來源于粉煤灰、高嶺土、鋼渣等工業(yè)副產(chǎn)物[1]，可將這些工業(yè)廢料回收利用，是硅酸鹽水泥的優(yōu)質(zhì)替代品。

Nagalia等[2]通過研究表明，氫氧化鈉溶液是唯一可以在力學(xué)強(qiáng)度上與硅酸鹽水泥相媲美的堿金屬激發(fā)劑。張?zhí)斐嫉萚3]通過研究認(rèn)為，適當(dāng)?shù)膲A濃度(質(zhì)量濃度，下同)可以提高地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能，但堿濃度的大小需要與實(shí)際結(jié)合。盧祎苗等[4]研究表明粉煤灰的增加使地聚合物的抗壓強(qiáng)度下降，而含礦渣的量越高，地聚合物的抗壓強(qiáng)度越大。李海宏[5]的試驗(yàn)研究結(jié)果表明:制備粉煤灰地質(zhì)聚合物的最佳工藝參數(shù)為：水玻璃模數(shù)為1.5，水膠比(質(zhì)量比，下同)為0.26，激發(fā)劑與粉煤灰之比為0.20，其地質(zhì)聚合物28 d的抗壓強(qiáng)度高達(dá)109.84 MPa。

張大旺等[6]對(duì)配合比設(shè)計(jì)的發(fā)展與影響因素進(jìn)行了研究，表明地質(zhì)聚合物原材料的復(fù)雜性與激發(fā)劑的多變性導(dǎo)致地質(zhì)聚合物配合比的設(shè)計(jì)變化多樣,國內(nèi)外目前對(duì)配合比設(shè)計(jì)都沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。因此這值得我們對(duì)地質(zhì)聚合物的影響因素進(jìn)行更深入的研究。

2 實(shí)驗(yàn)概況

2.1 原材料

粉煤灰：產(chǎn)自河北科旭建材有限公司，其密度為2.4 g/cm3。

礦渣：產(chǎn)自河北科旭建材有限公司的?；郀t礦渣，其密度為2.93 g/cm3，比表面積為459 m2/kg。

砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司出品，中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，粒徑范圍0.08 mm～2 mm。

水玻璃：產(chǎn)自嘉善縣耐火材料有限公司，為液態(tài)硅酸鈉水玻璃，呈透明粘稠液體，其模數(shù)為3.3，波美度為38.5，含氧化鈉8.54%，二氧化硅27.3%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.16%。

氫氧化鈉：來自東菀市勛業(yè)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的顆粒狀分析純氫氧化鈉，其含氫氧化鈉的量不小于99.9%。

水：選用實(shí)驗(yàn)室普通自來水。

該實(shí)驗(yàn)采用的粉煤灰及礦渣的化學(xué)組成見表1。

表1 粉煤灰及礦渣的化學(xué)組成

2.2 調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)

根據(jù)水玻璃模數(shù)的定義，可知增加含氧化鈉的量即可降低水玻璃的模數(shù)。因?yàn)闅溲趸c的轉(zhuǎn)化公式2NaOH→Na2O+H2O，所以通過添加氫氧化鈉固體來降低水玻璃的模數(shù)。

因模數(shù)調(diào)節(jié)前后水玻璃溶液中含二氧化硅的量保持不變，且氫氧化鈉轉(zhuǎn)化為氧化鈉的轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.29。綜上所述，降低水玻璃溶液的模數(shù)所需氫氧化鈉的用量可用式(1)求出：

(1)

其中，W為每100 kg水玻璃需加入的氫氧化鈉固體的量，kg；M為原水玻璃溶液的實(shí)際模數(shù)；M1為要求的水玻璃溶液的模數(shù)；B為原水玻璃溶液中實(shí)際含氧化鈉的量。

由上述公式可求出，將本文中的水玻璃溶液模數(shù)調(diào)節(jié)至1.2，需在每100 kg的水玻璃中加入19.28 kg的氫氧化鈉固體。

2.3 試驗(yàn)方法和配合比

本文采用粉煤灰基地質(zhì)聚合物作為硅酸鹽水泥的替代品，以氫氧化鈉和水玻璃作為堿性激發(fā)劑，研究含堿量、水膠比、礦渣摻量這三個(gè)因素對(duì)粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿力學(xué)性能的影響。

采用正交試驗(yàn)，試配并確定最終配合比，制備尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體地質(zhì)聚合物砂漿，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，通過水泥砂漿抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)分別在3 d,7 d,28 d的齡期測量抗壓強(qiáng)度值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析水膠比、含堿量、礦渣摻量對(duì)砂漿擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度的影響，并得出結(jié)論。

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)見表2，粉煤灰基地質(zhì)聚合物砂漿的最終配合比見表3(以水膠比為0.4時(shí)為例)。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

表3 水膠比為0.4時(shí)，地質(zhì)聚合物砂漿的配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同水膠比的砂漿抗壓強(qiáng)度如圖1～圖3所示，可知：

1)砂漿強(qiáng)度隨齡期增長而增大。

2)砂漿強(qiáng)度隨含堿量增加而增大，但當(dāng)?shù)V渣摻量為30%和40%時(shí)，5%和6%堿含量的砂漿強(qiáng)度值相差不大，所以推測強(qiáng)度在含堿量過高的情況下不會(huì)持續(xù)增長，甚至可能降低。

究其原因，認(rèn)為水玻璃和氫氧化鈉溶液均為強(qiáng)堿溶液，激發(fā)了礦渣和粉煤灰的活性，增加含堿量，將加速兩者的水化反應(yīng)。但是過多的OH-離子使縮聚反應(yīng)生成的水化物在礦渣顆粒表面形成了屏障，導(dǎo)致礦渣顆粒內(nèi)部無法繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)[7]，并且試件會(huì)出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象導(dǎo)致內(nèi)部留有孔隙，因此當(dāng)?shù)V渣摻量較大時(shí)，含堿量過高將使試件的抗壓強(qiáng)度減小。

3)砂漿強(qiáng)度隨著含礦渣量的增加而增大，但當(dāng)水膠比為0.38時(shí)，30%和40%礦渣摻量的砂漿28 d齡期的抗壓強(qiáng)度相差不大。

究其原因，認(rèn)為礦渣的活性比粉煤灰好，析出Ca2+離子和[SiO4]4-反應(yīng)更加容易，且礦渣的粒徑較小、比表面積比粉煤灰大，當(dāng)用礦渣等量替代粉煤灰時(shí)，能增加其與堿性激發(fā)劑反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物，骨料之間的空隙也能填充地更密實(shí)，從而砂漿的強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增加而增大。同時(shí)，當(dāng)水膠比較低，礦渣摻量較多時(shí)，漿體中Ca2+離子濃度變高，由于沒有足夠的水參加水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物的生成量不會(huì)增加，試件的抗壓強(qiáng)度也不會(huì)持續(xù)增加[8]。

4)砂漿強(qiáng)度隨著水膠比的增加而先增加后減小。結(jié)合圖1～圖3，在礦渣摻量、含堿量相同的情況下，當(dāng)?shù)V渣摻量不大于30%時(shí)，水膠比為0.40的試件強(qiáng)度為最優(yōu)；雖然當(dāng)?shù)V渣摻量為40%時(shí)，水膠比為0.42的試件強(qiáng)度略大于水膠比為0.4的試件強(qiáng)度，但兩者抗壓強(qiáng)度值相差不大。

究其原因，認(rèn)為當(dāng)水膠比過大時(shí)，漿體濃度變低，骨料上會(huì)附著多余游離水分導(dǎo)致黏結(jié)力下降，在硬化時(shí)會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的裂痕，試件強(qiáng)度會(huì)降低。而水膠比過小，漿體形成不充分，水化反應(yīng)不充分，降低了試件的強(qiáng)度。因此在滿足工作性能的前提下，考慮到試驗(yàn)誤差因素，認(rèn)為水膠比為0.4是本次試驗(yàn)的最優(yōu)水膠比。

4 結(jié)論

本文研究了含堿量、礦渣摻量、水膠比對(duì)粉煤灰地質(zhì)聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，得到主要結(jié)論如下:

1)砂漿強(qiáng)度隨含堿量增加而增大，但當(dāng)?shù)V渣摻量較大且含堿量過高時(shí)，強(qiáng)度不會(huì)隨含堿量增大持續(xù)增長，甚至可能降低。

2)砂漿強(qiáng)度隨著含礦渣量的增加而增大，但當(dāng)水膠比較低時(shí)，其抗壓強(qiáng)度不會(huì)隨著礦渣摻量的增加而持續(xù)增長。

3)在保證砂漿工作性能的前提下，砂漿強(qiáng)度隨著水膠比的增加，先增大后減小。