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        鈣含量對低鈣粉煤灰基地聚合物混凝土性能的影響

        2022-02-07 14:01:24宋熊降雪壯竇仲秋
        江蘇建材 2022年6期

        宋熊,降雪壯,竇仲秋

        (浙江交工路橋建設(shè)有限公司,浙江 杭州 313300)

        0 引言

        地聚合物是一種含有Si-O-Al 離子鍵與共價鍵的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠,其可通過堿溶液(氫氧化鈉、硅酸鈉等)與富含硅鋁酸鹽的前驅(qū)體(如粉煤灰)發(fā)生反應制備得到(離子浸出、單體重構(gòu)、縮聚反應等)[1-2]。與傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥相比,地聚合物碳排放量更低、制備方便、耐久性好,還能處理一部分的工業(yè)廢料,已被廣泛應用于道路修復、重金屬固定、航空材料制備當中。然而,低鈣地聚合物體系需要在60 ℃及以上的高溫環(huán)境下進行養(yǎng)護,制約了其在現(xiàn)澆混凝土體系內(nèi)的應用。

        1 試驗

        1.1 原材料

        試驗采用:42.5 級普通硅酸鹽水泥,比表面積為310 m2/kg;F 級低鈣粉煤灰,比表面積為360 m2/kg,具體化學成分見表1;ISO 標準砂,比重2.65 g/cm3,吸水率為1.6%;液態(tài)硅酸鈉溶液,模數(shù)為3.3,固含量為38%;固態(tài)氫氧化鈉顆粒,純度>99%。

        表1 粉煤灰和水泥的化學成分 單位:%

        1.2 試驗方法

        提前一天將氫氧化鈉溶解在硅酸鈉溶液中制備模數(shù)為1.2 的堿激發(fā)劑,水膠比0.4(堿激發(fā)劑不足部分由外加水補足)。水泥摻量為0%、10%、20%、30%、40%,具體配合比見表2。

        表2 樣品配合比

        將粉煤灰、水泥和標準砂先在攪拌機上均勻攪拌2.5 min,緩慢倒入冷卻至常溫的堿溶液,繼續(xù)攪拌5 min,得到具有凝膠特性的地聚合物砂漿。將漿體填裝至邊長150 mm 的立方體模具中并在振動臺上排除氣泡、擠壓緊密,并在樣品表面覆蓋保鮮膜防止堿溶液的蒸發(fā)。制備完畢后,將樣品移入標準養(yǎng)護箱內(nèi)(溫度為20±1 ℃,相對濕度為95%),達到待測時間后取出測樣。

        依據(jù)JGJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》,使用維卡儀測定樣品的凝結(jié)時間,利用坍落筒測定樣品流動性,立方體試塊放置于壓力機上進行抗壓強度測定(加載速度20 N/s)。利用場發(fā)射Gemini 500 型掃描電子顯微鏡(加速電壓3 kV)觀察經(jīng)抗壓強度試驗破壞得到的樣品小碎片(鍍金)。

        2 結(jié)果分析

        2.1 工作性

        摻入不同水泥的粉煤灰基地聚合物砂漿樣品的凝結(jié)時間與坍落度結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知,地聚合物砂漿的坍落度與凝結(jié)時間都受體系內(nèi)鈣含量的影響,隨鈣含量的增加而逐漸下降。對照組C0 的坍落度可達240 mm,流動性較高,而摻入20%水泥后坍落度為140 mm。樣品的凝結(jié)時間受鈣含量的作用更為明顯,摻入外加鈣組分后,樣品的凝結(jié)時間顯著降低,摻5%水泥時,樣品的初凝和終凝時間較對照組下降54.1%與53.7%。因此,適當提高粉煤灰基地聚合物砂漿材料內(nèi)的鈣組分可改善其工作性。

        圖1 不同水泥摻量下的樣品坍落度與凝結(jié)時間發(fā)展

        2.2 力學性能

        摻入不同水泥的粉煤灰基地聚合物砂漿樣品的抗壓強度發(fā)展情況如圖2 所示。由圖2 可知,常溫養(yǎng)護的純粉煤灰基地聚物砂漿材料的抗壓強度較低,養(yǎng)護90 d 后達到24.4 MPa。摻入水泥材料的地聚合物材料內(nèi)部生成C-S-H 凝膠,其水化過程會產(chǎn)生熱量,導致試件內(nèi)部的固化溫度提高,進而明顯的提升樣品的抗壓強度,摻5%、10%、15%與20%的樣品28 d 抗壓強度較對照組而言分別提高69.4%、121.3%、126.4%與144.6%。不同樣品的強度發(fā)展基本一致,早期發(fā)展較快,28 d 后增長速度放緩??偟膩碚f,水泥的摻量僅占總膠凝材料的5%時,即可獲得合適的凝結(jié)時間和較高的常溫養(yǎng)護早強。

        圖2 不同水泥摻量下的樣品抗壓強度發(fā)展情況

        2.3 微觀結(jié)構(gòu)特征

        對樣品進行掃描電子顯微鏡分析,結(jié)果如圖3所示??稍趯φ战M樣品C0 上發(fā)現(xiàn)較多未反應的球狀粉煤灰顆粒。此外,還能在掃描圖中觀察到較多孔洞與細裂縫,與抗壓強度測試結(jié)果較為一致,這可能是由于養(yǎng)護過程中水分蒸發(fā)引起的收縮造成的。對于摻入20%水泥的粉煤灰基地聚合物砂漿樣品而言,未觀察到粉煤灰顆粒,基體的聚合度較高,結(jié)構(gòu)更為致密,且樣品表面可觀察到大量結(jié)晶相的沉淀,這也表明了樣品中水化硅鋁酸鈉凝膠(N-A-S-H)與水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)的共存。后者的強度更高,有效增強了基體的力學性能。

        圖3 地聚合物試塊28 d 微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展情況(C0 與C20 組)

        3 結(jié)語

        文章探究了不同鈣含量下的常溫制備粉煤灰基地聚合物砂漿工序性、力學及耐久性性能的發(fā)展情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)粉煤灰被不同比例的水泥替代后,由于C-S-H 凝膠的生成,基體更為致密,流動性更差,砂漿的力學性能也由此得到明顯改善。

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