水玻璃激發(fā)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

朱孟奇，劉金亮，何 凡，郭宏洋，王 超，王英旭

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

波特蘭水泥自1824年首次被英國(guó)工匠亞斯普丁申請(qǐng)專利后，各國(guó)便紛紛開(kāi)始投入實(shí)際工程應(yīng)用中，一直到今天。隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，建筑行業(yè)的工程規(guī)模越來(lái)越大，工程量也日益增加，這就極大地增加了土木工程行業(yè)對(duì)于水泥的需求量。然而，水泥在生產(chǎn)過(guò)程中必然會(huì)增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，同時(shí)也會(huì)增加對(duì)能源的消耗。總的來(lái)說(shuō)，每生產(chǎn)1 t水泥，就需要1.5 t的原料，并且會(huì)排放出等量的二氧化碳，還會(huì)排放出顆粒物、二氧化硫及氮氧化物。在如今環(huán)境日益惡劣的情況下，這無(wú)疑是令人擔(dān)憂的。所以，開(kāi)發(fā)一種新型綠色建筑材料是刻不容緩的。地質(zhì)聚合物(以下簡(jiǎn)稱地聚物)材料就是這樣一種環(huán)境友好類型的膠凝材料，它可以應(yīng)用到土木工程行業(yè)，制備高性能混凝土，用以取代普通硅酸鹽水泥混凝土。地聚物是一種由堿性激發(fā)劑激發(fā)鋁硅酸鹽原料得到的半晶體無(wú)機(jī)膠凝材料。它具有與普通硅酸鹽水泥相類似甚至更優(yōu)異的力學(xué)性能。除此之外，與水泥相比它還有優(yōu)異的耐久性能、較小的收縮性和更低的密度/強(qiáng)度比。各種各樣的工業(yè)廢料都可以作為合成地聚物的原料。舉個(gè)例子，比如鋼渣、鐵渣、粉煤灰、粒化高爐礦渣、赤泥、偏高嶺土、硅灰等。通過(guò)堿性、酸性或鹽類溶液的激發(fā)，可以極大地將地聚物里面的活性激發(fā)出來(lái)。由于地聚物具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，并且可以完全利用工業(yè)廢料，減少80%的二氧化碳排放量，因此近年來(lái)備受世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。相關(guān)研究表明，選用堿性溶液(如氫氧化鈉、氫氧化鉀或硅酸鈉)作為激發(fā)劑，可以最大限度地激發(fā)地聚物的活性。且激發(fā)效果最好的為硅酸鈉溶液。目前研究較多的為礦渣與粉煤灰雙摻制備的地聚物膠凝材料。但這種材料在礦渣含量高于粉煤灰時(shí)會(huì)出現(xiàn)地聚物后期強(qiáng)度不足的情況，而在粉煤灰含量高于礦渣時(shí)會(huì)出現(xiàn)地聚物早期強(qiáng)度不足的情況。沸石粉的摻入能有效解決這種問(wèn)題。有研究表明，在水泥制品中添加一定量的沸石粉能有效提高后期強(qiáng)度。因此本論文選用礦渣、粉煤灰這兩種工業(yè)廢料，并摻入沸石粉混合，以水玻璃溶液作為激發(fā)劑，研究不同配比下地聚物砂漿的28 d力學(xué)性能，并研究其強(qiáng)度影響因素。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 礦渣

礦渣為s95高爐礦渣，其含有較多的CaO。CaO作為強(qiáng)度的來(lái)源之一，對(duì)地聚物早期強(qiáng)度的形成與發(fā)展有著非常重要的促進(jìn)作用。礦渣的粒徑在400目左右。

1.2 粉煤灰

粉煤灰為二級(jí)粉煤灰。粉煤灰中含有較多的SiO，其含量一般可達(dá)50%以上，但其中CaO的含量較低，一般不超過(guò)10%。粉煤灰兼具改善工作性和提高后期強(qiáng)度等特性，它的粒徑在200～400目之間。

1.3 沸石粉

沸石粉是由天然沸石巖磨細(xì)而成。沸石種類繁多且產(chǎn)量豐富，其中含有比粉煤灰活性更高的SiO，且含量比粉煤灰更多。

1.4 水玻璃

水玻璃為市售工業(yè)硅酸鈉溶液。水玻璃模數(shù)約為3.47，其中NaO的含量為7.29%，SiO的含量為24.71%，溶液的含水率為68%。

1.5 氫氧化鈉

氫氧化鈉為片狀氫氧化鈉固體，純度為98%。

1.6 標(biāo)準(zhǔn)砂

本實(shí)驗(yàn)所用砂為GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.7 水

本實(shí)驗(yàn)所用水為日常使用的自來(lái)水。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了研究影響地聚物材料力學(xué)性能的因素，采用砂漿抗壓強(qiáng)度、砂漿抗折強(qiáng)度試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法作為分析堿激發(fā)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物性能的物理學(xué)指標(biāo)，最終得出最佳的礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物配比。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

因市售水玻璃溶液的模數(shù)過(guò)大，不能直接用于實(shí)驗(yàn)配比的設(shè)計(jì)，因此需要降低水玻璃的模數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用氫氧化鈉來(lái)降低水玻璃模數(shù)，通過(guò)氫氧化鈉與硅酸鈉的反應(yīng)，可以增加溶液中NaO的含量，從而降低水玻璃的模數(shù)。具體操作步驟如下：首先將片狀氫氧化鈉溶于水中，攪拌至固體氫氧化鈉完全溶解。其次將原水玻璃溶液倒入氫氧化鈉溶液中，充分?jǐn)嚢琛Ｗ詈髽?biāo)號(hào)并靜置至室溫。

地聚物砂漿制作流程按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》來(lái)進(jìn)行，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的長(zhǎng)方體，每組配比制作三條試件。地聚物砂漿養(yǎng)護(hù)時(shí)間從原料加堿激發(fā)劑溶液攪拌開(kāi)始計(jì)。試件帶模養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，并放入20 ℃左右的水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。養(yǎng)護(hù)時(shí)間結(jié)束后立即進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

2.3 配合比設(shè)計(jì)

為了研究礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物原料之間的比例、堿激發(fā)劑模數(shù)和堿含量對(duì)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿力學(xué)性能的影響，本實(shí)驗(yàn)按如下配比設(shè)計(jì)：礦渣含量固定為65%，粉煤灰含量依次從25%、17.5%到10%進(jìn)行改變，每次改變后剩下的百分比含量即為沸石粉含量。堿激發(fā)劑模數(shù)設(shè)定為1.4、1.2和1.0，堿含量設(shè)定為8%、6%和4%。配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 配合比設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

將養(yǎng)護(hù)完成的砂漿試件從水中取出，擦干表面水后立即進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。將試件放置于抗折壓力機(jī)上，以50 N/s左右(不超過(guò)或不少于10 N/s)的速度均勻加載，直至折斷。抗折強(qiáng)度按下式進(jìn)行計(jì)算

=15×

(1)

式中：為折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載，N；為跨距，mm；為棱柱體正方形截面的邊長(zhǎng)，mm。

28 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，如圖1所示。

表2 不同編號(hào)試件的28 d抗折強(qiáng)度

圖1 28 d抗折強(qiáng)度

從表2中可以看出，1試件的抗折強(qiáng)度最高，可達(dá)7.5 MPa，其對(duì)應(yīng)的配比為65%的礦渣、25%的粉煤灰、10%的沸石粉、8%的堿含量和1.4的模數(shù)。而抗折強(qiáng)度最低的是7試件，為5.1 MPa，對(duì)應(yīng)的配比為65%的礦渣、10%的粉煤灰、25%的沸石粉、8%的堿含量和1.0的模數(shù)。9組配比中，3、6、9沒(méi)有強(qiáng)度，因?yàn)檫@三組配比制備出的砂漿試件強(qiáng)度過(guò)低，無(wú)法成型并脫模。這三組配比的共同點(diǎn)是堿含量都為4%。由此可以看出，當(dāng)堿激發(fā)劑堿含量過(guò)低時(shí)，礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿將沒(méi)有強(qiáng)度。

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將折斷后的砂漿試件放于抗壓試驗(yàn)機(jī)夾具中，以2 400 N/s左右(不超過(guò)或不少于200 N/s)的速度進(jìn)行加載，直至壓壞。抗壓強(qiáng)度按下式進(jìn)行計(jì)算

=

(2)

式中：為破壞時(shí)的最大荷載，N；為受壓面積，mm。

28 d抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3、圖2。

表3 不同編號(hào)試件的28 d抗壓強(qiáng)度

圖2 28 d抗壓強(qiáng)度

從表3可以看出，抗壓強(qiáng)度最高的是4試件，強(qiáng)度為58.5 MPa，其次是1試件，強(qiáng)度為58.3 MPa，兩者相差僅有0.2 MPa。4試件對(duì)應(yīng)的配比為65%的礦渣、17.5%的粉煤灰、17.5%的沸石粉、8%的堿含量和1.2的模數(shù)，1試件對(duì)應(yīng)的配比為65%的礦渣、25%的粉煤灰、10%的沸石粉、8%的堿含量和1.4的模數(shù)。抗壓強(qiáng)度最低的是8試件，強(qiáng)度為46.7 MPa，對(duì)應(yīng)的配比為65%的礦渣、10%的粉煤灰、25%的沸石粉、6%的堿含量和1.4的模數(shù)。因?yàn)閴A含量的不足，所以3、6、9試件沒(méi)有抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

通過(guò)地聚物砂漿力學(xué)性能的研究，本論文得出了以下結(jié)論。

(1)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)58.5 MPa，最低為46.7 MPa。抗壓強(qiáng)度普遍達(dá)到普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)(不小于42.5 MPa)。

(2)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿的28 d抗折強(qiáng)度最高可達(dá)7.5 MPa，其次為7.3 MPa，最低為5.1 MPa。僅有兩組配比抗折強(qiáng)度達(dá)到普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)(不小于6.5 MPa)。

(3)水玻璃堿含量不足時(shí)，砂漿試件強(qiáng)度過(guò)低，無(wú)法成型。