碱激发剂对不同掺量粉煤灰UHPC的影响

2019-12-05许永震吴来帝敏海涛丁民任国斌魏定邦赵静卓

中国建材科技 2019年3期

许永震吴来帝敏海涛丁民任国斌魏定邦赵静卓

（1 甘肃长达路业有限责任公司；2 临夏公路局；3 甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司；4 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司；5 甘肃省公路养护技术创新中心，甘肃兰州730030）

0 前言

碱激发剂是通过使用化学激发的方式将原来矿物掺合料中不具有水化活性的物质转变为具有水化活性的胶凝材料[1]。1930年，Kuhl（德国研究者）研究矿渣在氢氧化钾溶液中的凝结特性。从上世纪末，我国的碱激发水泥开始应用于各个行业，并取得良好的成果，。基于所含胶凝组分的成分，可以将碱激发水泥分成碱激发矿渣水泥、碱激发硅酸盐复合水泥、碱激发铝酸钙复合水泥、碱激发火山灰水泥、碱激发石灰-火山灰/矿渣水泥共5种类型。碱激发硅铝酸盐类水泥将有望成为未来硅酸盐水泥的替代材料，也是目前国际学术界研究的热点，创新点[2]。基于此，本文主要通过碱激发的原理研究在粉煤灰-水泥体系中，改变粉煤灰掺量、选择不同碱激发剂来研究对水泥抗压、抗折强度以及流动性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥为陕西千阳海螺水泥有限公司生产的PO52.5硅酸盐水泥，性能见表1。粉煤灰为西固范家坪电厂Ⅰ级粉煤灰，硅灰为甘肃三远硅材料公司硅灰，比表面积大于27m2/g。

表1 硅酸盐水泥成分表

减水剂为用江苏苏博特有限公司的SBT-400P，减水率大于30%，采用兰州永登产破碎石英砂，复合砂浆配比砂灰比为1.2∶1。

1.2 实验方法及设备

胶砂抗压、抗折强度采用砂浆强度试验方法测试；

水泥胶砂流动度采用新修订的标准ZB/T2419进行操作。

1.3 试验方案

采用不同的碱激发剂考察对矿物掺合料为粉煤灰的UHPC流动性、抗压、抗折强度的影响。碱激发剂选择氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠、水玻璃。设计实验方案见表2。

表2 实验方案

1）测试流动性能，80℃蒸养3天的抗压抗折强度。

2）测试在0min、30min、60min时的流动度。

2 结果与讨论

2.1 不同掺量粉煤灰对UHPC性能的影响

由于UHPC在实际应用中，可操作时间较少，因此掺加大量粉煤灰来改善其塑性可操作性能，保证良好的施工状态。

不同掺量粉煤灰的流动性能、抗压强度、抗折强度如图1、图2、图3所示，流动性随着粉煤灰掺量的增加，得到明显的改善。粉煤灰对UHPC流动度贡献巨大，掺入20%时，流动性为空白样的135%，掺入30%时，流动性为空白样的250%，掺入40%后的流动性为空白样的300%。粉煤灰掺量30%、40%时，如图4所示，60min时流动度仍在205mm以上。

图1 粉煤灰0%、20%、30%、40%的流动性

图2 粉煤灰0%、20%、30%、40%的抗压强度

抗压、抗折强度随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小。前期，随着粉煤灰的掺入，空隙被不断填充，抗压、抗折强度逐渐增加，填充完全后，强度达到最大值，后期填充的粉煤灰逐渐增多，水泥被代替，生成的水化产物不断减少，故抗压、抗折随之降低。

总之，UHPC中，随着粉煤灰掺量的增多，UHPC的流动性越来越好，粉煤灰掺量为20%、30%、40%时，流动度分别为未掺入粉煤灰的135%、250%、300%；抗压、抗折强度随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小。

2.2 不同碱激发剂对不同掺量粉煤灰UHPC流动性能、抗压、抗折强度的影响

UHPC中，随着粉煤灰掺量的增加，砂浆浆体流动性会越来越好，故掺入大量的粉煤灰来改善施工性能是解决施工时材料可操作时间短问题有效的途径。但是随着粉煤灰掺量的增加，抗压、抗折强度却不断降低，因此引入碱激发剂，来解决粉煤灰大掺量下UHPC抗压、抗折强度不足等问题。下面，在粉煤灰20%、30%、40%掺量下，加入氢氧化钠、氢氧化钙、硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠、水玻璃等碱激发剂，对UHPC的砂浆浆体流动性能、经时损失以及抗压、抗折强度影响作以研究。

图3 粉煤灰0%、20%、30%、40%的抗折强度

图4 粉煤灰0%、20%、30%、40%的经时损失

图5 粉煤灰20%各碱激发剂的流动性

在粉煤灰掺量为20%时，掺入氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠、水玻璃等碱激发剂。由图5、图6、图7可知，粉煤灰掺量为20%时，碱激发剂对UHPC的流动性贡献较小，效果最为明显的是碳酸钠，流动性为不掺碱激发剂的150%。掺入碳酸钠后，虽然对UHPC初期的流动性贡献较大，如图8所示，但经时损失特别明显。粉煤灰掺量为20%时，碱激发剂的掺入对抗压强度影响不明显，对抗折强度，除氢氧化钠有略微增长外，其他均略微下降。

图6 粉煤灰20%各碱激发剂的抗压强度

图7 粉煤灰20%各碱激发剂的抗折强度

图8 掺入碳酸钠经时损失

在粉煤灰掺量为30%时，掺入氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠、水玻璃等碱激发剂。如图9、图10、图11所示，各碱激发剂对流动性有一定的影响，未掺入碱激发剂的初始流动性为250mm，掺入氢氧化钠后流动度明显降低，是空白样的65%，其他氢氧化钙、硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠、水玻璃的流动度分别为空白样的98%、86%、90%、106%、92%；对抗压强度，未掺入碱激发剂的抗压强度为170.4MPa，掺入氢氧化钠、硫酸钠、硫酸钙有明显增长，分别为空白样抗压强度的106%、106%、108%；掺入氢氧化钙、碳酸钠、水玻璃的抗压强度与空白相当；对抗折强度，未掺入碱激发剂的抗折强度为34.2MPa，掺入氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钙、水玻璃后强度增加明显，分别是未掺入碱激发剂的115%、118%、111%、111%，掺入硫酸钠导致抗折强度降低，未未掺入碱激发剂的92%；经时损失曲线如图12所示，氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠、水玻璃掺入UHPC后，流动性随着时间不断变小，直到失去流动性，未掺入碱激发剂的与硫酸钙流动性有一定降低，但仍能保持良好的流动性，流动度为195mm，205mm。

图9 粉煤灰30%各碱激发剂的流动性

图10 粉煤灰30%各碱激发剂的抗压强度

图11 粉煤灰30%各碱激发剂的抗折强度

图12 粉煤灰30%各碱激发剂的经时损失

图13 粉煤灰40%各碱激发剂的流动性

图14 粉煤灰40%各碱激发剂的抗压强度

图15 粉煤灰40%各碱激发剂的流动性图

图16 粉煤灰40%各碱激发剂的经时损失

综合抗压、抗折强度以及经时损失等因素，在粉煤灰掺量为30%的UHPC中，硫酸钙为最为合适的碱激发剂。

在粉煤灰掺量为40%时，掺入氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠、水玻璃等碱激发剂。如图13、图14、图15所示，对流动性指标，初期未掺入碱激发剂的流动度为290mm，掺入碳酸钠后，初期流动度有所增加，为未掺入碱激发剂的107%，而掺入氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、硫酸钙后，流动度有所下降，分别为未掺入碱激发剂的86%、88%、84%、90%，但是流动度均大于245mm；对抗压强度，未掺入碱激发剂的为162.3MPa，掺入氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠后抗压强度得到提升，分别为未掺入碱激发剂的104%、113%、114%、111%、103%，掺入水玻璃后抗压强度降低，为未掺入碱激发剂的98%；对抗折强度，未掺入碱激发剂的为34.2MPa，掺入氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠、水玻璃后，抗折强度均降低，分别为未掺入碱激发剂的89%、82%、93%、97%、92%，而掺入硫酸钙的增长为未掺入碱激发剂的105%；如图16，氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠、水玻璃掺入UHPC后，流动度随着时间不断变小，直到失去流动性，未掺入碱激发剂的与掺入硫酸钙流动流动度有轻微降低，但仍能保持良好的流动性，流动度为250mm，240mm。

综合抗压、抗折强度，经时损失等因素，在粉煤灰掺量为40%的UHPC中，硫酸钙为最合适的碱激发剂。