水玻璃激发矿渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂浆的力学性能试验研究

2022-09-21朱孟奇刘金亮郭宏洋王英旭

黑龙江交通科技 2022年9期

朱孟奇，刘金亮，何凡，郭宏洋，王超，王英旭

(东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

波特兰水泥自1824年首次被英国工匠亚斯普丁申请专利后，各国便纷纷开始投入实际工程应用中，一直到今天。随着人类社会的不断发展，建筑行业的工程规模越来越大，工程量也日益增加，这就极大地增加了土木工程行业对于水泥的需求量。然而，水泥在生产过程中必然会增加环境负担，同时也会增加对能源的消耗。总的来说，每生产1 t水泥，就需要1.5 t的原料，并且会排放出等量的二氧化碳，还会排放出颗粒物、二氧化硫及氮氧化物。在如今环境日益恶劣的情况下，这无疑是令人担忧的。所以，开发一种新型绿色建筑材料是刻不容缓的。地质聚合物(以下简称地聚物)材料就是这样一种环境友好类型的胶凝材料，它可以应用到土木工程行业，制备高性能混凝土，用以取代普通硅酸盐水泥混凝土。地聚物是一种由碱性激发剂激发铝硅酸盐原料得到的半晶体无机胶凝材料。它具有与普通硅酸盐水泥相类似甚至更优异的力学性能。除此之外，与水泥相比它还有优异的耐久性能、较小的收缩性和更低的密度/强度比。各种各样的工业废料都可以作为合成地聚物的原料。举个例子，比如钢渣、铁渣、粉煤灰、粒化高炉矿渣、赤泥、偏高岭土、硅灰等。通过碱性、酸性或盐类溶液的激发，可以极大地将地聚物里面的活性激发出来。由于地聚物具有优异的力学性能和耐久性能，并且可以完全利用工业废料，减少80%的二氧化碳排放量，因此近年来备受世界范围内的广泛关注。相关研究表明，选用碱性溶液(如氢氧化钠、氢氧化钾或硅酸钠)作为激发剂，可以最大限度地激发地聚物的活性。且激发效果最好的为硅酸钠溶液。目前研究较多的为矿渣与粉煤灰双掺制备的地聚物胶凝材料。但这种材料在矿渣含量高于粉煤灰时会出现地聚物后期强度不足的情况，而在粉煤灰含量高于矿渣时会出现地聚物早期强度不足的情况。沸石粉的掺入能有效解决这种问题。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强度。因此本论文选用矿渣、粉煤灰这两种工业废料，并掺入沸石粉混合，以水玻璃溶液作为激发剂，研究不同配比下地聚物砂浆的28 d力学性能，并研究其强度影响因素。

1 试验原材料

1.1 矿渣

矿渣为s95高炉矿渣，其含有较多的CaO。CaO作为强度的来源之一，对地聚物早期强度的形成与发展有着非常重要的促进作用。矿渣的粒径在400目左右。

1.2 粉煤灰

粉煤灰为二级粉煤灰。粉煤灰中含有较多的SiO，其含量一般可达50%以上，但其中CaO的含量较低，一般不超过10%。粉煤灰兼具改善工作性和提高后期强度等特性，它的粒径在200～400目之间。

1.3 沸石粉

沸石粉是由天然沸石岩磨细而成。沸石种类繁多且产量丰富，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

水玻璃为市售工业硅酸钠溶液。水玻璃模数约为3.47，其中NaO的含量为7.29%，SiO的含量为24.71%，溶液的含水率为68%。

1.5 氢氧化钠

氢氧化钠为片状氢氧化钠固体，纯度为98%。

1.6 标准砂

本实验所用砂为GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》规定的标准砂。

1.7 水

本实验所用水为日常使用的自来水。

2 实验过程

2.1 实验内容

为了研究影响地聚物材料力学性能的因素，采用砂浆抗压强度、砂浆抗折强度试验及数值模拟的方法作为分析碱激发矿渣-粉煤灰-沸石粉地聚物性能的物理学指标，最终得出最佳的矿渣-粉煤灰-沸石粉地聚物配比。

2.2 实验方法

因市售水玻璃溶液的模数过大，不能直接用于实验配比的设计，因此需要降低水玻璃的模数。本实验采用氢氧化钠来降低水玻璃模数，通过氢氧化钠与硅酸钠的反应，可以增加溶液中NaO的含量，从而降低水玻璃的模数。具体操作步骤如下：首先将片状氢氧化钠溶于水中，搅拌至固体氢氧化钠完全溶解。其次将原水玻璃溶液倒入氢氧化钠溶液中，充分搅拌。最后标号并静置至室温。

地聚物砂浆制作流程按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》来进行，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的长方体，每组配比制作三条试件。地聚物砂浆养护时间从原料加碱激发剂溶液搅拌开始计。试件带模养护1 d后脱模，并放入20 ℃左右的水中进行养护，养护时间为28 d。养护时间结束后立即进行强度测试。

2.3 配合比设计

为了研究矿渣-粉煤灰-沸石粉地聚物原料之间的比例、碱激发剂模数和碱含量对矿渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂浆力学性能的影响，本实验按如下配比设计：矿渣含量固定为65%，粉煤灰含量依次从25%、17.5%到10%进行改变，每次改变后剩下的百分比含量即为沸石粉含量。碱激发剂模数设定为1.4、1.2和1.0，碱含量设定为8%、6%和4%。配合比设计如表1所示。

表1 配合比设计

3 试验结果分析

3.1 抗折强度试验

将养护完成的砂浆试件从水中取出，擦干表面水后立即进行抗折强度试验。将试件放置于抗折压力机上，以50 N/s左右(不超过或不少于10 N/s)的速度均匀加载，直至折断。抗折强度按下式进行计算

=15×

(1)

式中：为折断时施加于棱柱体中部的荷载，N；为跨距，mm；为棱柱体正方形截面的边长，mm。

28 d抗折强度试验结果见表2，如图1所示。

表2 不同编号试件的28 d抗折强度

图1 28 d抗折强度

从表2中可以看出，1试件的抗折强度最高，可达7.5 MPa，其对应的配比为65%的矿渣、25%的粉煤灰、10%的沸石粉、8%的碱含量和1.4的模数。而抗折强度最低的是7试件，为5.1 MPa，对应的配比为65%的矿渣、10%的粉煤灰、25%的沸石粉、8%的碱含量和1.0的模数。9组配比中，3、6、9没有强度，因为这三组配比制备出的砂浆试件强度过低，无法成型并脱模。这三组配比的共同点是碱含量都为4%。由此可以看出，当碱激发剂碱含量过低时，矿渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂浆将没有强度。

3.2 抗压强度试验

将折断后的砂浆试件放于抗压试验机夹具中，以2 400 N/s左右(不超过或不少于200 N/s)的速度进行加载，直至压坏。抗压强度按下式进行计算

(2)

式中：为破坏时的最大荷载，N；为受压面积，mm。

28 d抗压强度见表3、图2。

表3 不同编号试件的28 d抗压强度

图2 28 d抗压强度

从表3可以看出，抗压强度最高的是4试件，强度为58.5 MPa，其次是1试件，强度为58.3 MPa，两者相差仅有0.2 MPa。4试件对应的配比为65%的矿渣、17.5%的粉煤灰、17.5%的沸石粉、8%的碱含量和1.2的模数，1试件对应的配比为65%的矿渣、25%的粉煤灰、10%的沸石粉、8%的碱含量和1.4的模数。抗压强度最低的是8试件，强度为46.7 MPa，对应的配比为65%的矿渣、10%的粉煤灰、25%的沸石粉、6%的碱含量和1.4的模数。因为碱含量的不足，所以3、6、9试件没有抗压强度。