MPCM對地聚合物混凝土和硅酸鹽水泥混凝土凝結時間的影響

時曉東

(新疆梨城新創(chuàng)檢測服務有限公司 巴州 841000)

1 研究背景

將廢棄材料回收成新的建筑材料有助于保護環(huán)境和自然資源。地聚合物將是普通硅酸鹽水泥的替代品，與硅酸鹽水泥相比，它顯著減少溫室氣體排放，降低高能耗[1]。地聚合物可以由富含鋁硅酸鹽或高嶺石的工業(yè)廢料與堿性溶液結合制備[2,3]。此外，與膠凝材料相比，地聚合物組分具有優(yōu)異的機械性能和更短的凝結時間[4,5]。

在高寒地區(qū)，建筑物在冬季暴露在冰凍天氣中，更容易造成砂漿和混凝土的劣化。相變材料(PCM)可以使混凝土結構較少的暴露在凍融循環(huán)中，并有助于保持舒適的室內溫度[6]。當溫度高于相變材料的熔點時，相變材料熔化吸收多余的熱量，相變材料具有很高的潛熱。當溫度降低時，相變材料通過凝固釋放多余的熱量。將PCM封裝到微膠囊中可防止PCM與周圍材料之間的相互作用[7]。此外，微膠囊提供較大的傳熱表面積，提高結構穩(wěn)定性，使用含有微膠囊相變材料的砂漿和混凝土可以獲得更好的熱舒適性[8-9]。

2 材料和方法

2.1 材料

使用兩種不同的帶有疏水殼的MPCM(以盡量減少吸附在微膠囊殼上的水量)：PE-EVA-PCM，具有50 %低密度聚乙烯(LDPE)和50 %乙烯基乙酸乙酯(EVA)共聚物的殼；St-DVB-PCM，是由50%苯乙烯(St)和50%二乙烯基苯(DVB)共聚物組成的殼。使用石蠟作為兩種微膠囊的核心。

采用F級粉煤灰(FA)、磨細高爐礦渣(GGBFS)、砂、碎石等堿性激發(fā)劑配制地聚合物混凝土。用于制備堿性溶液的氫氧化鈉和硅酸鈉溶液(按重量計，35 %固體)。表1顯示了由GGBFS和F級粉煤灰的X射線熒光(XRF)測定的化學成分。硅酸鹽水泥與FA混合，為了在不添加大量水的情況下獲得更好的工作性，使用高效減水劑。

表1 X射線熒光法分析FA和GGBFS

用于地聚合物混凝土和硅酸鹽水泥混凝土的碎石和砂篩分情況和FA的低角激光散射見圖1所示。

圖1 (a)礦渣、粉煤灰、微膠囊和(b)砂和碎石粒度分布

2.2 混合澆筑

對于所有的地聚合物，選擇具有硅酸鈉溶液和氫氧化鈉溶液(14 M)的1.5和總SiO2至Na2O比為0.7的堿性溶液。由于糊狀物不含砂，微膠囊作為額外添加劑添加。對于混凝土，微膠囊取代了相應體積的砂。

對于地聚合物膏體，選擇堿性溶液與地聚合物粘合劑(FA +GGBFS)之比為0.4。將地聚合物粘合劑和堿性溶液混合90s，然后加入微膠囊并混合90s，以獲得均勻的糊狀物。對于硅酸鹽水泥漿體，將水灰比為0.35的水泥混合90s，獲得與地聚合物漿體相同的稠度。加入MPCM后，混合繼續(xù)進行90s。對于地聚合物和硅酸鹽水泥漿體，MPCM作為另外20%體積的粉末材料加入。

為了獲得GPC和PCC的可靠數(shù)據(jù)，地聚合物粘合劑的液體總量(堿性溶液+水)和硅酸鹽水泥的水灰比保持在0.5不變。此外，對于不含微膠囊的混凝土，碎石和砂的總量與地聚合物混凝土和硅酸鹽水泥混凝土幾乎相同。

為了減少由于混合過程對微膠囊的潛在損害，最后添加MPCM。表2和表3分別給出了地聚合物和硅酸鹽水泥漿體以及混凝土的組成。對于混凝土，微膠囊的百分比對應于用MPCM代替的砂的體積。

表2 地聚合物膏體與混凝土配合比設計

表3 硅酸鹽膏體與混凝土的配合比設計

GPC和PCC樣品中，0%和20%的砂被St-DVB-PCM或PE-EVA-PCM代替，在20℃時，由于GPC的凝固時間較短，使用振動機去除試樣內的空氣，而對于PCC試樣，則使用鋼杵壓實模具。將GPC和PCC澆鑄到10cm×10cm×10cm的模具中，預固化24h(環(huán)境溫度；相對濕度90%)，然后對樣品進行脫模。脫模后的試樣在自來水中固化28天(20℃下)。在開始凍融循環(huán)之前，將固化后的樣品置于露天1h并稱重。在每個凍融循環(huán)中，首先將樣品浸泡在溫度為(3±1)℃的冷卻室中的自來水中6 h。然后，將樣品放置在溫度為(-20±1)℃的冰箱中18h。對樣品進行0、7、14和28次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)結束后，樣品在室溫下干燥，然后進行進一步測試。

2.3 試驗方法

用計算機控制的維卡針儀(ToniSET One，7301型)測定無微膠囊和含20%微膠囊的硅酸鹽水泥和地聚合物漿體在0℃和20℃下的凝結時間。在儀器盆中裝滿了冰水混合物確保測量在0℃下進行。從原材料的初始混合計算凝結時間，并用硅酸鹽水泥漿的10分鐘和地聚合物糊的2分鐘進行測定。初始凝固時間為針入度小于39.5mm的時間，而最終凝固時間為針入度樣品至0.5mm深度的時間。

3 試驗結果分析

圖2顯示了溫度和微膠囊對硅酸鹽水泥和地質聚合物糊凝結時間的影響。從圖2可以清楚地看出，地質聚合物反應比硅酸鹽水泥的水合反應快得多。正如預期的那樣，降低溫度會減緩硅酸鹽水泥漿體的水化速度，從而延長凝結時間，而地質聚合物糊在低溫下的凝結時間要快得多。

圖2 (a)硅酸鹽水泥漿和(b)含有0和20 %微膠囊的地聚合物漿在0℃和20℃下的初凝和終凝時間

當向水泥漿中添加MPCM時，水被吸附在微膠囊的表面上，從而減少了漿中的可用水量。盡管有效水的減少將加速水化過程初始階段的水泥水化，但當向樣品中添加微膠囊時，初始凝結時間變長。這可能是由于較高的粘度引起的，這會減慢水泥反應的初始階段。PE-EVAPCM比St-DVB-PCM具有更高的吸水率和更低的坍落度，對初凝時間的影響也更為顯著。在初始凝固時間之后，所有樣品的粘度都很高。在這一階段，由于可用水量減少，水泥水化速度加快成為主導過程。因此，對于含有微膠囊的樣品，樣品的凝固速度更快，最終凝固時間更短。

對于室溫下的地質聚合物膏體，在0℃時，凝固時間非?？?，而微膠囊的添加沒有顯著影響。NaOH在水中的溶解度從20℃時的1110g/L(27.8m)下降到0℃時的418g/L(10.5m)，此外，水玻璃的溶解度也隨著溫度的降低而降低。準確的數(shù)值取決于水玻璃的組成，溶解度也可能會受到其他化合物的影響。將14M NaOH溶液與固體含量為35%的硅酸鈉溶液混合，然后與干粉(將水吸附在顆粒表面)混合。當所得到的混合物(地聚合物糊)在凝固時間測量開始時冷卻至0℃時，可以合理地假設NaOH和硅酸鈉濃度均高于這些組分在0℃時的溶解度。因此，堿性溶液開始沉淀。堿溶液沉淀形成的固體顆?？梢宰鳛榈鼐酆衔锓磻暮诵模瑥亩涌旆磻俾?。此外，沉淀增加了樣品的固體含量，這可能有助于縮短凝固時間。

4 結論

微膠囊的加入使初凝時間延長，終凝時間縮短。吸附在微膠囊上的水可能是造成這種效果的原因。與預期的一樣，降低溫度會減緩波特蘭水泥的反應速度，導致更長的凝結時間。有趣的是，地質聚合物漿體的凝結時間在低溫下要快得多。這可能是堿性溶液在低溫下沉淀造成的。