养护条件对地聚物胶凝材料的力学性能影响

江嘉豪,刘金亮,杨喻博,张宏亮,逄坤轩,董 旭

(东北林业大学,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

随着我国工业化的快速发展,产生大量工业废渣,随之而来的是资源消耗和环境污染问题[1]。混凝土是世界上使用最多的建筑材料,主要原料是水泥,生产工艺复杂且排放大量CO2,既不经济也对环境造成了污染[2]。为了促进人与自然和谐相处,保护生态环境,新型绿色建筑材料的研究显得尤为重要。地聚物[3-4]是法国科学家Davidovits研发的一种无机非金属材料,是一种环保的胶凝材料和新型绿色建筑材料,是以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物(粉煤灰、煤矸石以及矿渣)为主要原料与适量碱硅酸盐溶液充分混合后,在20～120 ℃的养护条件下成型硬化生成的一类铝硅酸盐类沸石材料,具有高强度[5]、高耐腐蚀性[6]、耐高温[7]等特点,具有广泛和潜在的应用前景[8]。

林伟青等[9]采用废弃白云岩粉尘作为原材料,碱激发制备地聚物净浆,研究不同养护温度时试件的抗压强度。结果表明,在150 ℃时抗压强度达到最大值为66.45 MPa。庄瑞鸿[10]研究在室温条件下,粉煤灰地聚物的力学性能及干缩性质,采用水胶比、氢氧化钠浓度及水玻璃模数为变量,目的是制备出一种干缩性能小且力学性能合适的粉煤灰地聚物砂浆。结果表明,在室温养护条件下,在同等浓度下制备粉煤灰基地聚物砂浆,水胶比越低的试件力学性能越好。在水胶比不改变的状态下,氢氧化钠溶液浓度越大,力学性能越好。同时,水玻璃模数对粉煤灰基地聚物砂浆干缩性质具有显著的影响并表达了粉煤灰基地聚物反应的复杂性[11]。王宙等[12]以矿渣为主要原材料进行碱激发制备地聚物,以抗压强度为指标,研究养护温度、养护时间及养护湿度对地聚物力学性能的影响,养护温度方面,在试件脱模后放入20～100 ℃(梯度为20)恒温水浴2 h,取出后放入标准养护室内养护至1、3、7、28 d龄期进行抗压强度测试。同时,养护时间方面,放入80 ℃恒温水浴,养护时间分别为2～12 h,梯度为2,取出后放入标准养护室内养护至相应龄期进行抗压强度测试。最后,养护湿度方面,选择养护温度80 ℃、养护时间10 h,试件脱模后分别放入70%、90%和100%养护箱内养护,养护至相应龄期进行抗压强度测试。结果表明,在80 ℃养护条件下,养护时间为10 h,养护湿度为70%时,制备矿渣基地聚物7 d抗压强度达到85.8 MPa,可见影响地聚物强度的因素非常多。

目前采用矿渣和粉煤灰两种材料制备地聚物居多,是两种产量较大的工业固体废弃物,沸石粉分布广且易于开采、价格低廉,制备混凝土具有填充缝隙作用,并且可以有效提高力学性能,将沸石粉掺入矿渣和粉煤灰中制备地聚物较少。此外,从以上学者研究中也可发现养护条件是影响地聚物强度的重要因素,现将原料以矿渣比例不变,改变粉煤灰和沸石粉在矿渣中的比例为因素一,水胶比为因素二,水玻璃模数为因素三,设计三个因素三个水平9组不同配合比的正交试验,分别采用室温养护和标准养护,揭示不同养护条件下三个因素对地聚物28 d抗压强度的影响,并以28 d抗压强度为指标确定制备地聚物的最佳配合比。

1 试验原材料

(1)矿渣。

矿渣为S95级高炉矿渣,其含有较多的CaO和SiO,CaO含量为34%,SiO含量为34.5%。其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。

(2)粉煤灰。

根据CaO含量,超过10%为C类,低于10%为F类,本研究采用F类粉煤灰,通常是由燃烧无烟煤或烟煤得到的;按照细度划分,筛余≤12%为一级,≤20%为二级,≤45%为三级,本研究使用的是二级粉煤灰。粉煤灰中含有较多的SiO2,但CaO的含量较低,一般不超过10%。

(3)沸石粉。

沸石粉是通过研磨高含量SiO2的天然沸石制成的。沸石粉价格低廉且易于开采,其中含有比粉煤灰活性和含量更高的SiO2。

(4)水玻璃。

水玻璃为市售工业硅酸钠溶液。水玻璃模数约为3.29,其中Na2O的含量为8.63%,SiO2的含量为27.41%,溶液的含水率为67%。

(5)氢氧化钠。

氢氧化钠采用纯度为99%的NaOH薄片。

(6)水。

试验使用水为日常自来水。

2 试验过程

(1)试验内容。

试验以原材料配合比(因素A)、水胶比(因素B)和水玻璃模数(因素C)为因素,设计三个因素三个水平正交试验表(表1),分析在室温养护与标准养护条件下,以28 d抗压强度为指标,对地聚物胶凝材料的力学性能影响及确定制备地聚物最佳配合比。利用正交试验设计出9组不同配合比试件进行抗压试验,采用制备水泥砂浆的操作方法制备出地聚物净浆试件并进行力学性能试验。

表1 正交试验设计表

(2)试验方法。

为得到试验所需的水玻璃模数,采用向其加入NaOH以降低模数。首先,将片状NaOH放入烧杯并溶于水,片状NaOH搅拌至溶解,该过程放热,在搅拌溶解后封口,在室温下冷却,冷却后将原水玻璃溶液倒入NaOH溶液中,充分搅拌。随后,根据设计试验组合,分别将原材料通过砂浆搅拌机混合2 min,然后添加冷却的碱性溶液和额外的水240 s,搅拌60 s,慢搅拌180 s。接下来,将净浆倒入涂过脱模剂的模具中,并在振动台上振动60 s,为防止水分蒸发,用聚乙烯塑料膜对试样表面密封处理,待24 h试件脱模后,在标准养护和室温养护下固化28 d,进行抗压强度试验。

地聚物砂浆制作流程按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)来进行,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的长方体,每组配合比制作3条试件,强度取平均值。

(3)配合比设计。

为了研究制备地聚物矿渣、粉煤灰和沸石粉原料间比例、水胶比和水玻璃模数对地聚物净浆力学性能的影响,本试验配合比设计如下:矿渣含量固定为50%,沸石粉含量依次从0%、25%到50%进行改变,每次改变后剩下的百分比含量即为粉煤灰含量。水胶比设置为0.30、0.35、0.40,水玻璃模数设置为1.2、1.4、1.6,三个因素三个水平设计出9组不同配合比的试验组合,如表2所示。

表2 试验安排及标准养护、室温养护28 d抗压强度

3 试验与试验结果分析

(1)标准养护抗压强度试验。

将净浆试件放于抗压夹具中,以2 400 N/s±200 N/s的速度进行加载,直至压坏。抗压强度Rc按公式(1)进行计算。

Rc=Fc/A

(1)

式中:Fc为破坏时的最大荷载,N;A为受压面积,mm2。

标准养护28 d的9组试验组合的正交试验抗压强度见表2。对抗压强度结果进行极差分析,其结果见表3。

表3 标准养护28 d抗压强度极差分析结果

通过表3极差分析结果可得到,对于标准养护试件28 d龄期的抗压强度,因素显著性为B>A>C,即水胶比对试件抗压强度有最显著的影响,其次是矿渣、粉煤灰及沸石粉之间的配合比影响,碱激发剂水玻璃模数的影响最小。三个因素在标准养护条件下得到的最优配合比是A2B2C2,即矿渣、粉煤灰和沸石粉配合比分别为50%、25%和25%;水胶比为0.35;水玻璃模数为1.4。正交试验设计中存在此组合,强度为68.4 MPa。显著性是根据极差R值的大小确定的,极差R是k1至k3中最大值减去最小值得到的,以因素A举例,即59.47-54.07=5.40。k1至k3是K1至K3的平均值,以因素A举例,即k1=162.2/3。K1至K3的算法是根据正交试验设计和28 d抗压强度(表2)计算得出,例如因素A的K1为43.3+58.2+60.7=162.2;因素B的K1为43.3+44.2+43.8=131.3;因素C的K1为43.3+65.8+59.8=168.9。

(2)室温养护抗压强度试验。

将净浆试件放于抗压夹具中,以2 400 N/s±200 N/s的速度进行加载,直至压坏。抗压强度Rc也按公式(1)计算。

室温养护28 d的9组试验组合的正交试验抗压强度也见表2。对抗压强度结果进行极差分析,其结果见表4。

表4 室温养护28 d抗压强度极差分析结果

通过表4极差分析结果可得到,对于标准养护试件28 d龄期的抗压强度,因素显著性为B>A>C,即水胶比对试件抗压强度有最显著的影响,其次是矿渣、粉煤灰及沸石粉之间的配合比影响,碱激发剂水玻璃模数的影响最小。三个因素在标准养护条件下得到的最优配合比是A2B3C2,即矿渣、粉煤灰和沸石粉配合比分别为50%、25%和25%;水胶比为0.40;水玻璃模数为1.4。正交试验设计中不存在此组合,经过进行补充此试验配合比制备地聚物得到的强度为60.35 MPa,比其他配合比抗压强度高,验证了正交试验极差分析的准确性。得到强度为显著性是根据极差R值的大小确定的,极差R是k1至k3中最大值减去最小值得到的,以因素A举例,即51.27-44.73=6.54。k1至k3是K1至K3的平均值,以因素A举例,即k1=140/3。K1至K3的算法是根据正交试验设计和28 d抗压强度(表3)计算得出,例如因素A的K1为38.8+50+51.2=140;因素B的K1为38.8+42+40.6=121.4;因素C的K1为38.8+54.9+43.2=136.9。

4 结 论

通过以上对养护条件影响地聚物净浆力学性能的研究,得出以下结论。

(1)养护条件对地聚物的抗压强度有很大的影响。在标准养护和室温养护下,通过正交试验设计极差分析可知水胶比对地聚物抗压强度有显著的影响,其次是矿渣、粉煤灰及沸石粉之间的配合比,碱激发剂模数的影响最小。制备地聚物的矿渣、粉煤灰和沸石粉最佳配合比组合为50%、25%和25%,水玻璃模数为1.4,标准养护时水胶比为0.35,室温养护时水胶比为0.40。

(2)在标准养护和室温养护下,水胶比为0.3时,制备地聚物净浆试件强度均较低。