養護條件對地聚物膠凝材料的力學性能影響

江嘉豪,劉金亮,楊喻博,張宏亮,逄坤軒,董 旭

(東北林業大學,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著我國工業化的快速發展,產生大量工業廢渣,隨之而來的是資源消耗和環境污染問題[1]。混凝土是世界上使用最多的建筑材料,主要原料是水泥,生產工藝復雜且排放大量CO2,既不經濟也對環境造成了污染[2]。為了促進人與自然和諧相處,保護生態環境,新型綠色建筑材料的研究顯得尤為重要。地聚物[3-4]是法國科學家Davidovits研發的一種無機非金屬材料,是一種環保的膠凝材料和新型綠色建筑材料,是以天然鋁硅酸鹽礦物或工業固體廢棄物(粉煤灰、煤矸石以及礦渣)為主要原料與適量堿硅酸鹽溶液充分混合后,在20～120 ℃的養護條件下成型硬化生成的一類鋁硅酸鹽類沸石材料,具有高強度[5]、高耐腐蝕性[6]、耐高溫[7]等特點,具有廣泛和潛在的應用前景[8]。

林偉青等[9]采用廢棄白云巖粉塵作為原材料,堿激發制備地聚物凈漿,研究不同養護溫度時試件的抗壓強度。結果表明,在150 ℃時抗壓強度達到最大值為66.45 MPa。莊瑞鴻[10]研究在室溫條件下,粉煤灰地聚物的力學性能及干縮性質,采用水膠比、氫氧化鈉濃度及水玻璃模數為變量,目的是制備出一種干縮性能小且力學性能合適的粉煤灰地聚物砂漿。結果表明,在室溫養護條件下,在同等濃度下制備粉煤灰基地聚物砂漿,水膠比越低的試件力學性能越好。在水膠比不改變的狀態下,氫氧化鈉溶液濃度越大,力學性能越好。同時,水玻璃模數對粉煤灰基地聚物砂漿干縮性質具有顯著的影響并表達了粉煤灰基地聚物反應的復雜性[11]。王宙等[12]以礦渣為主要原材料進行堿激發制備地聚物,以抗壓強度為指標,研究養護溫度、養護時間及養護濕度對地聚物力學性能的影響,養護溫度方面,在試件脫模后放入20～100 ℃(梯度為20)恒溫水浴2 h,取出后放入標準養護室內養護至1、3、7、28 d齡期進行抗壓強度測試。同時,養護時間方面,放入80 ℃恒溫水浴,養護時間分別為2～12 h,梯度為2,取出后放入標準養護室內養護至相應齡期進行抗壓強度測試。最后,養護濕度方面,選擇養護溫度80 ℃、養護時間10 h,試件脫模后分別放入70%、90%和100%養護箱內養護,養護至相應齡期進行抗壓強度測試。結果表明,在80 ℃養護條件下,養護時間為10 h,養護濕度為70%時,制備礦渣基地聚物7 d抗壓強度達到85.8 MPa,可見影響地聚物強度的因素非常多。

目前采用礦渣和粉煤灰兩種材料制備地聚物居多,是兩種產量較大的工業固體廢棄物,沸石粉分布廣且易于開采、價格低廉,制備混凝土具有填充縫隙作用,并且可以有效提高力學性能,將沸石粉摻入礦渣和粉煤灰中制備地聚物較少。此外,從以上學者研究中也可發現養護條件是影響地聚物強度的重要因素,現將原料以礦渣比例不變,改變粉煤灰和沸石粉在礦渣中的比例為因素一,水膠比為因素二,水玻璃模數為因素三,設計三個因素三個水平9組不同配合比的正交試驗,分別采用室溫養護和標準養護,揭示不同養護條件下三個因素對地聚物28 d抗壓強度的影響,并以28 d抗壓強度為指標確定制備地聚物的最佳配合比。

1 試驗原材料

(1)礦渣。

礦渣為S95級高爐礦渣,其含有較多的CaO和SiO,CaO含量為34%,SiO含量為34.5%。其對地聚物早期強度的形成與發展有著非常重要的促進作用。

(2)粉煤灰。

根據CaO含量,超過10%為C類,低于10%為F類,本研究采用F類粉煤灰,通常是由燃燒無煙煤或煙煤得到的;按照細度劃分,篩余≤12%為一級,≤20%為二級,≤45%為三級,本研究使用的是二級粉煤灰。粉煤灰中含有較多的SiO2,但CaO的含量較低,一般不超過10%。

(3)沸石粉。

沸石粉是通過研磨高含量SiO2的天然沸石制成的。沸石粉價格低廉且易于開采,其中含有比粉煤灰活性和含量更高的SiO2。

(4)水玻璃。

水玻璃為市售工業硅酸鈉溶液。水玻璃模數約為3.29,其中Na2O的含量為8.63%,SiO2的含量為27.41%,溶液的含水率為67%。

(5)氫氧化鈉。

氫氧化鈉采用純度為99%的NaOH薄片。

(6)水。

試驗使用水為日常自來水。

2 試驗過程

(1)試驗內容。

試驗以原材料配合比(因素A)、水膠比(因素B)和水玻璃模數(因素C)為因素,設計三個因素三個水平正交試驗表(表1),分析在室溫養護與標準養護條件下,以28 d抗壓強度為指標,對地聚物膠凝材料的力學性能影響及確定制備地聚物最佳配合比。利用正交試驗設計出9組不同配合比試件進行抗壓試驗,采用制備水泥砂漿的操作方法制備出地聚物凈漿試件并進行力學性能試驗。

表1 正交試驗設計表

(2)試驗方法。

為得到試驗所需的水玻璃模數,采用向其加入NaOH以降低模數。首先,將片狀NaOH放入燒杯并溶于水,片狀NaOH攪拌至溶解,該過程放熱,在攪拌溶解后封口,在室溫下冷卻,冷卻后將原水玻璃溶液倒入NaOH溶液中,充分攪拌。隨后,根據設計試驗組合,分別將原材料通過砂漿攪拌機混合2 min,然后添加冷卻的堿性溶液和額外的水240 s,攪拌60 s,慢攪拌180 s。接下來,將凈漿倒入涂過脫模劑的模具中,并在振動臺上振動60 s,為防止水分蒸發,用聚乙烯塑料膜對試樣表面密封處理,待24 h試件脫模后,在標準養護和室溫養護下固化28 d,進行抗壓強度試驗。

地聚物砂漿制作流程按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)來進行,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的長方體,每組配合比制作3條試件,強度取平均值。

(3)配合比設計。

為了研究制備地聚物礦渣、粉煤灰和沸石粉原料間比例、水膠比和水玻璃模數對地聚物凈漿力學性能的影響,本試驗配合比設計如下:礦渣含量固定為50%,沸石粉含量依次從0%、25%到50%進行改變,每次改變后剩下的百分比含量即為粉煤灰含量。水膠比設置為0.30、0.35、0.40,水玻璃模數設置為1.2、1.4、1.6,三個因素三個水平設計出9組不同配合比的試驗組合,如表2所示。

表2 試驗安排及標準養護、室溫養護28 d抗壓強度

3 試驗與試驗結果分析

(1)標準養護抗壓強度試驗。

將凈漿試件放于抗壓夾具中,以2 400 N/s±200 N/s的速度進行加載,直至壓壞。抗壓強度Rc按公式(1)進行計算。

Rc=Fc/A

(1)

式中:Fc為破壞時的最大荷載,N;A為受壓面積,mm2。

標準養護28 d的9組試驗組合的正交試驗抗壓強度見表2。對抗壓強度結果進行極差分析,其結果見表3。

表3 標準養護28 d抗壓強度極差分析結果

通過表3極差分析結果可得到,對于標準養護試件28 d齡期的抗壓強度,因素顯著性為B>A>C,即水膠比對試件抗壓強度有最顯著的影響,其次是礦渣、粉煤灰及沸石粉之間的配合比影響,堿激發劑水玻璃模數的影響最小。三個因素在標準養護條件下得到的最優配合比是A2B2C2,即礦渣、粉煤灰和沸石粉配合比分別為50%、25%和25%;水膠比為0.35;水玻璃模數為1.4。正交試驗設計中存在此組合,強度為68.4 MPa。顯著性是根據極差R值的大小確定的,極差R是k1至k3中最大值減去最小值得到的,以因素A舉例,即59.47-54.07=5.40。k1至k3是K1至K3的平均值,以因素A舉例,即k1=162.2/3。K1至K3的算法是根據正交試驗設計和28 d抗壓強度(表2)計算得出,例如因素A的K1為43.3+58.2+60.7=162.2;因素B的K1為43.3+44.2+43.8=131.3;因素C的K1為43.3+65.8+59.8=168.9。

(2)室溫養護抗壓強度試驗。

將凈漿試件放于抗壓夾具中,以2 400 N/s±200 N/s的速度進行加載,直至壓壞。抗壓強度Rc也按公式(1)計算。

室溫養護28 d的9組試驗組合的正交試驗抗壓強度也見表2。對抗壓強度結果進行極差分析,其結果見表4。

表4 室溫養護28 d抗壓強度極差分析結果

通過表4極差分析結果可得到,對于標準養護試件28 d齡期的抗壓強度,因素顯著性為B>A>C,即水膠比對試件抗壓強度有最顯著的影響,其次是礦渣、粉煤灰及沸石粉之間的配合比影響,堿激發劑水玻璃模數的影響最小。三個因素在標準養護條件下得到的最優配合比是A2B3C2,即礦渣、粉煤灰和沸石粉配合比分別為50%、25%和25%;水膠比為0.40;水玻璃模數為1.4。正交試驗設計中不存在此組合,經過進行補充此試驗配合比制備地聚物得到的強度為60.35 MPa,比其他配合比抗壓強度高,驗證了正交試驗極差分析的準確性。得到強度為顯著性是根據極差R值的大小確定的,極差R是k1至k3中最大值減去最小值得到的,以因素A舉例,即51.27-44.73=6.54。k1至k3是K1至K3的平均值,以因素A舉例,即k1=140/3。K1至K3的算法是根據正交試驗設計和28 d抗壓強度(表3)計算得出,例如因素A的K1為38.8+50+51.2=140;因素B的K1為38.8+42+40.6=121.4;因素C的K1為38.8+54.9+43.2=136.9。

4 結 論

通過以上對養護條件影響地聚物凈漿力學性能的研究,得出以下結論。

(1)養護條件對地聚物的抗壓強度有很大的影響。在標準養護和室溫養護下,通過正交試驗設計極差分析可知水膠比對地聚物抗壓強度有顯著的影響,其次是礦渣、粉煤灰及沸石粉之間的配合比,堿激發劑模數的影響最小。制備地聚物的礦渣、粉煤灰和沸石粉最佳配合比組合為50%、25%和25%,水玻璃模數為1.4,標準養護時水膠比為0.35,室溫養護時水膠比為0.40。

(2)在標準養護和室溫養護下,水膠比為0.3時,制備地聚物凈漿試件強度均較低。