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        陶粒摻量和級(jí)配對(duì)酸激發(fā)地聚合物物理力學(xué)性能的影響研究

        2024-03-04 03:53:42張仰龍
        四川水泥 2024年2期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能影響質(zhì)量

        王 昊 張仰龍 馬 彬

        (桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

        0 引言

        地聚合物最初由法國(guó)學(xué)者提出,并被人們廣為接受[1]。地聚合物常以工業(yè)副產(chǎn)品為主要原材料制備,例如煤灰、偏高嶺土、礦渣等,其具有制備流程簡(jiǎn)單、高早強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫以及低能耗低排放等優(yōu)異性能[2-3]。然而,傳統(tǒng)堿激發(fā)地聚合物易出現(xiàn)“泛堿”和脆性高的問(wèn)題,導(dǎo)致其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用受限。與堿激發(fā)地聚合物相比,酸激發(fā)地聚合物具有更強(qiáng)的黏結(jié)性,從而具有更高的抗壓強(qiáng)度、更低的風(fēng)化率以及更高的熱穩(wěn)定性[4]。然而,由于酸激發(fā)地聚合物早期收縮過(guò)大,導(dǎo)致其應(yīng)用受限,且主要作為注漿材料使用。

        陶粒是一種輕骨料,其自身的堆積密度一般為300~900kg/m3。此外,陶粒具有密度小、孔隙高、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有良好的保水和反水性質(zhì)。因此,陶粒在工程領(lǐng)域一直是重要的建筑節(jié)能材料。陶粒混凝土的應(yīng)用與研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-6]。陶粒在混凝土中能吸收水泥漿的水分,使混凝土的密實(shí)度增加。此外,在陶?;炷劣不^(guò)程中,陶??紫端帜芟蛩酀{返還,起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用[7]。目前,陶粒對(duì)酸激發(fā)地聚合物影響的研究相對(duì)較少,尤其是對(duì)改善酸激發(fā)地聚合物初期干燥收縮與開(kāi)裂的研究幾乎空白。

        本文將以酸激發(fā)偏高嶺土基地聚合為基體,摻入陶粒制備地聚合物陶?;炷?。分析陶粒摻量及級(jí)配對(duì)酸激發(fā)地聚合物物理力學(xué)性能的影響,為其工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

        1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

        1.1 試驗(yàn)材料

        偏高嶺土(600℃煅燒)采購(gòu)自上海昊弗化工有限公司。陶粒采購(gòu)自湖南祁東建旺科技陶粒有限公司,其中陶粒的密度約為0.5g/cm3。磷酸采購(gòu)自廣西學(xué)林化工有限公司,濃度為85%。以上原材料的化學(xué)組成如表1所示。

        表1 原材料的化學(xué)組成(單位:%)

        1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        將85%濃度磷酸稀釋為8mol/L磷酸溶液,水固比設(shè)定為1.4,保證磷酸與偏高嶺土充分反應(yīng)??紤]到輕質(zhì)陶粒骨料在地聚合物中會(huì)出現(xiàn)上浮問(wèn)題,結(jié)合前期研究[8],陶粒含量不超過(guò)9%。通過(guò)調(diào)節(jié)陶粒摻量,陶粒級(jí)配參數(shù)分別設(shè)立摻量組和級(jí)配組。摻量組:陶粒粒徑設(shè)定為0.63~1.25mm,養(yǎng)護(hù)溫度40℃,養(yǎng)護(hù)濕度90%,養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)24h,陶粒摻量分別為3%,6%,9%。級(jí)配組:陶粒摻量固定為6%,養(yǎng)護(hù)溫度40℃,養(yǎng)護(hù)濕度90%,養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)24h,陶粒級(jí)配為0~0.315mm,0.315~0.63mm,0.63~1.25mm。摻量組和級(jí)配組的配合比見(jiàn)表2和表3所示。

        表2 摻量組試樣的配合比(單位:g)

        表3 級(jí)配組試樣的配合比

        1.3 試樣制備

        首先,將85%濃度磷酸與水調(diào)配成濃度為8mol/L的磷酸溶液,靜置至常溫。將磷酸溶液與偏高嶺土混合攪拌3~5min,按照實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的摻量組與級(jí)配組分別摻入不同含量的陶粒再次均勻攪拌5min,分別倒入40mm×40mm×40mm(強(qiáng)度測(cè)試)與25mm×25mm×280mm(干燥收縮測(cè)試)的模具中振實(shí)。然后,將注漿后的模具放入養(yǎng)護(hù)箱(溫度為40℃,濕度為90%),養(yǎng)護(hù)24h后拆模、標(biāo)記。最后,將試樣放入干燥養(yǎng)護(hù)箱(溫度22℃,濕度50%),一定齡期后取出測(cè)試。

        1.4 試樣性能測(cè)試

        1.4.1 力學(xué)性能測(cè)試

        采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,具體方法參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》(GB/T17671-1999)[9]進(jìn)行,其中設(shè)備加載速率設(shè)定為5mm/min。

        1.4.2 收縮性能測(cè)試

        對(duì)養(yǎng)護(hù)完成的25mm×25mm×280mm試樣,使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行試樣長(zhǎng)度測(cè)試,在1~8d,8~28d,28~56d時(shí)分別以1d,2d,4d的測(cè)量頻率進(jìn)行測(cè)量。試樣收縮率S可通過(guò)公式(1)進(jìn)行計(jì)算:

        式中:

        L0——試樣初始長(zhǎng)度;

        Ln——第n天的測(cè)量長(zhǎng)度。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

        2.1 陶粒摻量與級(jí)配對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

        2.1.1 摻量組

        圖1為陶粒級(jí)配在0.63~1.25mm條件下,陶粒摻量對(duì)試樣力學(xué)性能的影響。由圖1可見(jiàn),隨著陶粒摻量的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)陶粒摻量為3%時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度最高,具體值為10.036MPa。當(dāng)陶粒摻量為9%時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度最低,具體值為7.581MPa。這是因?yàn)樘樟nw粒分布不均勻,且陶粒顆粒的自身強(qiáng)度不高,致使陶粒摻量的增加對(duì)試樣力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

        圖1 陶粒摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

        2.1.2 級(jí)配組

        圖2為陶粒級(jí)配對(duì)試樣力學(xué)性能的影響??梢?jiàn),在陶粒摻量固定為6%的條件下,隨著陶粒級(jí)配的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。其中,當(dāng)陶粒級(jí)配為0~0.315mm時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度為6.460MPa。當(dāng)陶粒級(jí)配為0.315~0.63mm時(shí),抗壓強(qiáng)度為10.88MPa。當(dāng)陶粒級(jí)配為0.63~1.25mm時(shí),抗壓強(qiáng)度為8.03MPa。這是因?yàn)楫?dāng)陶粒粒徑過(guò)小時(shí),陶粒僅起到部分填充作用,且自身強(qiáng)度較低,導(dǎo)致試樣整體強(qiáng)度也較低。當(dāng)陶粒粒徑適當(dāng)時(shí),陶粒不僅起到填充作用,而且起到保水作用促進(jìn)材料持續(xù)反應(yīng),因此試樣強(qiáng)度較高。

        圖2 陶粒級(jí)配對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

        2.2 陶粒摻量與級(jí)配對(duì)質(zhì)量損失率的影響

        2.2.1 摻量組

        圖3為陶粒級(jí)配0.63~1.25mm時(shí),陶粒摻量對(duì)試樣質(zhì)量損失率的影響。可見(jiàn),隨著時(shí)間的增加,試樣質(zhì)量損失可以分為兩個(gè)階段:1~18d的質(zhì)量快速損失階段;18~56d的質(zhì)量損失穩(wěn)定階段。在1~18d時(shí),試樣的自由水蒸發(fā),試樣質(zhì)量快速損失。此外,偏高嶺土溶解出的Si-OH,Al-OH與磷酸中[PO4]反應(yīng),生成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)同時(shí)脫出結(jié)合水[10-11],且隨后蒸發(fā),致使試樣質(zhì)量損失率進(jìn)一步增大[12]。在18~56d時(shí),試樣中的自由水基本蒸發(fā)結(jié)束,此時(shí)僅有少量結(jié)合水蒸發(fā),最終試樣的質(zhì)量損失率趨于穩(wěn)定。

        圖3 陶粒摻量對(duì)質(zhì)量損失率的影響

        此外,陶粒級(jí)配為0.63~1.25mm時(shí),隨著陶粒摻量的增加,質(zhì)量損失率逐漸升高。

        其中,陶粒摻量為3%時(shí)試樣質(zhì)量損失率為4.49%,陶粒摻量為9%時(shí)試樣質(zhì)量損失率為8.34%。這是因?yàn)樘樟搅吭蕉啵嚇映跏己吭蕉?,質(zhì)量損失率越大。

        2.2.2 級(jí)配組

        圖4為陶粒摻量6%時(shí),陶粒級(jí)配對(duì)試樣質(zhì)量損失率的影響??梢?jiàn),相比陶粒摻量,陶粒級(jí)配對(duì)質(zhì)量損失率的影響要小。隨著陶粒級(jí)配的增加,試樣質(zhì)量損失率先升高后下降。當(dāng)陶粒級(jí)配為0~0.315mm時(shí),試樣最終的質(zhì)量損失率為6.46%;當(dāng)陶粒級(jí)配為0.315~0.63mm時(shí),試樣最終質(zhì)量損失率為7.02%;當(dāng)陶粒級(jí)配為0.63~1.25mm時(shí)試樣最終質(zhì)量損失率為6.82%。這是因?yàn)椴煌?jí)配下,陶粒的含水量不同,且其保水性能也不相同,導(dǎo)致相同陶粒摻量下試樣的質(zhì)量損失率略有不同。

        圖4 陶粒級(jí)配對(duì)質(zhì)量損失率的影響

        2.3 陶粒摻量與級(jí)配對(duì)收縮率的影響

        圖5為陶粒級(jí)配在0.63~1.25mm時(shí),陶粒摻量對(duì)試樣收縮率的影響??梢?jiàn),隨著陶粒摻量的增加,試樣收縮率為先增大后減小。其中,當(dāng)陶粒摻量為3%時(shí),試樣的收縮不明顯,其最終收縮率僅為0.14%。這是因?yàn)樘樟搅枯^少,試樣內(nèi)部自由水較少,原材料不能持續(xù)反應(yīng),化學(xué)收縮不明顯,僅自由水流失,導(dǎo)致試樣收縮不明顯。當(dāng)陶粒摻量為6%時(shí),試樣的最終收縮率為3.54%。這是因?yàn)檫m量陶粒的摻入,試樣內(nèi)部自由水充足,原材料持續(xù)反應(yīng),化學(xué)收縮明顯,導(dǎo)致試樣整體收縮明顯。當(dāng)陶粒摻量為9%時(shí),試樣的最終收縮出現(xiàn)減小趨勢(shì),最終值為3.11%。這是因?yàn)檫^(guò)多的陶粒摻量,試樣中偏高嶺土含量減少,參與化學(xué)反應(yīng)的材料有限,導(dǎo)致試樣收縮有下降趨勢(shì)。

        圖5 陶粒摻量對(duì)收縮率的影響

        圖6為當(dāng)陶粒摻量6%時(shí),陶粒級(jí)配對(duì)試樣收縮率的影響??梢?jiàn),隨著陶粒級(jí)配的升高,試樣收縮率先增大后減小。當(dāng)陶粒級(jí)配為0~0.315mm時(shí),由于小粒徑陶粒的填充效應(yīng)比較顯著,因此試樣的收縮并不明顯,其最終收縮率僅為0.35%。當(dāng)陶粒級(jí)配為0.315~0.63mm時(shí),試樣的最終收縮率最大值為4.54%。這是因?yàn)檫m當(dāng)粒徑下的陶粒不僅起到部分填充作用,而且能起到保水作用,促進(jìn)材料持續(xù)反應(yīng),導(dǎo)致試樣收縮現(xiàn)象明顯。當(dāng)陶粒級(jí)配為0.63~25mm時(shí),試樣的收縮有下降趨勢(shì),收縮率為3.54%。這是因?yàn)檫^(guò)大粒徑的陶粒在試樣中分布不均勻,不能充分促進(jìn)原材料持續(xù)反應(yīng),導(dǎo)致試樣收縮有下降趨勢(shì)。

        圖6 陶粒級(jí)配對(duì)收縮率的影響

        3 結(jié)束語(yǔ)

        以酸激發(fā)偏高嶺土基地聚合物為研究對(duì)象,通過(guò)添加不同摻量和級(jí)配的陶粒,研究陶粒對(duì)酸激發(fā)地聚合物力學(xué)性能、質(zhì)量損失率、收縮率的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下:

        (1)隨著陶粒摻量的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。在陶粒摻量固定為6%的條件下,隨著陶粒級(jí)配的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。

        (2)隨著時(shí)間的增加,試樣的質(zhì)量損失大體可以分為快速損失階段和穩(wěn)定階段。當(dāng)陶粒摻量增加時(shí),試樣質(zhì)量損失率逐漸升高。相比陶粒摻量,陶粒級(jí)配對(duì)質(zhì)量損失率的影響要小。隨著陶粒級(jí)配的增加,試樣質(zhì)量損失率先升高后下降。

        (3)當(dāng)陶粒級(jí)配為0.63~1.25mm時(shí),隨著陶粒摻量的增加,試樣收縮率先增大后減小。當(dāng)陶粒摻量為6%時(shí),隨著陶粒級(jí)配的升高,試樣收縮率也是先增大后減小。

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