水玻璃激發(fā)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿的力學(xué)性能試驗研究

朱孟奇，劉金亮，何 凡，郭宏洋，王 超，王英旭

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

波特蘭水泥自1824年首次被英國工匠亞斯普丁申請專利后，各國便紛紛開始投入實際工程應(yīng)用中，一直到今天。隨著人類社會的不斷發(fā)展，建筑行業(yè)的工程規(guī)模越來越大，工程量也日益增加，這就極大地增加了土木工程行業(yè)對于水泥的需求量。然而，水泥在生產(chǎn)過程中必然會增加環(huán)境負擔，同時也會增加對能源的消耗?？偟膩碚f，每生產(chǎn)1 t水泥，就需要1.5 t的原料，并且會排放出等量的二氧化碳，還會排放出顆粒物、二氧化硫及氮氧化物。在如今環(huán)境日益惡劣的情況下，這無疑是令人擔憂的。所以，開發(fā)一種新型綠色建筑材料是刻不容緩的。地質(zhì)聚合物(以下簡稱地聚物)材料就是這樣一種環(huán)境友好類型的膠凝材料，它可以應(yīng)用到土木工程行業(yè)，制備高性能混凝土，用以取代普通硅酸鹽水泥混凝土。地聚物是一種由堿性激發(fā)劑激發(fā)鋁硅酸鹽原料得到的半晶體無機膠凝材料。它具有與普通硅酸鹽水泥相類似甚至更優(yōu)異的力學(xué)性能。除此之外，與水泥相比它還有優(yōu)異的耐久性能、較小的收縮性和更低的密度/強度比。各種各樣的工業(yè)廢料都可以作為合成地聚物的原料。舉個例子，比如鋼渣、鐵渣、粉煤灰、?；郀t礦渣、赤泥、偏高嶺土、硅灰等。通過堿性、酸性或鹽類溶液的激發(fā)，可以極大地將地聚物里面的活性激發(fā)出來。由于地聚物具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，并且可以完全利用工業(yè)廢料，減少80%的二氧化碳排放量，因此近年來備受世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。相關(guān)研究表明，選用堿性溶液(如氫氧化鈉、氫氧化鉀或硅酸鈉)作為激發(fā)劑，可以最大限度地激發(fā)地聚物的活性。且激發(fā)效果最好的為硅酸鈉溶液。目前研究較多的為礦渣與粉煤灰雙摻制備的地聚物膠凝材料。但這種材料在礦渣含量高于粉煤灰時會出現(xiàn)地聚物后期強度不足的情況，而在粉煤灰含量高于礦渣時會出現(xiàn)地聚物早期強度不足的情況。沸石粉的摻入能有效解決這種問題。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強度。因此本論文選用礦渣、粉煤灰這兩種工業(yè)廢料，并摻入沸石粉混合，以水玻璃溶液作為激發(fā)劑，研究不同配比下地聚物砂漿的28 d力學(xué)性能，并研究其強度影響因素。

1 試驗原材料

1.1 礦渣

礦渣為s95高爐礦渣，其含有較多的CaO。CaO作為強度的來源之一，對地聚物早期強度的形成與發(fā)展有著非常重要的促進作用。礦渣的粒徑在400目左右。

1.2 粉煤灰

粉煤灰為二級粉煤灰。粉煤灰中含有較多的SiO，其含量一般可達50%以上，但其中CaO的含量較低，一般不超過10%。粉煤灰兼具改善工作性和提高后期強度等特性，它的粒徑在200～400目之間。

1.3 沸石粉

沸石粉是由天然沸石巖磨細而成。沸石種類繁多且產(chǎn)量豐富，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

水玻璃為市售工業(yè)硅酸鈉溶液。水玻璃模數(shù)約為3.47，其中NaO的含量為7.29%，SiO的含量為24.71%，溶液的含水率為68%。

1.5 氫氧化鈉

氫氧化鈉為片狀氫氧化鈉固體，純度為98%。

1.6 標準砂

本實驗所用砂為GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》規(guī)定的標準砂。

1.7 水

本實驗所用水為日常使用的自來水。

2 實驗過程

2.1 實驗內(nèi)容

為了研究影響地聚物材料力學(xué)性能的因素，采用砂漿抗壓強度、砂漿抗折強度試驗及數(shù)值模擬的方法作為分析堿激發(fā)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物性能的物理學(xué)指標，最終得出最佳的礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物配比。

2.2 實驗方法

因市售水玻璃溶液的模數(shù)過大，不能直接用于實驗配比的設(shè)計，因此需要降低水玻璃的模數(shù)。本實驗采用氫氧化鈉來降低水玻璃模數(shù)，通過氫氧化鈉與硅酸鈉的反應(yīng)，可以增加溶液中NaO的含量，從而降低水玻璃的模數(shù)。具體操作步驟如下：首先將片狀氫氧化鈉溶于水中，攪拌至固體氫氧化鈉完全溶解。其次將原水玻璃溶液倒入氫氧化鈉溶液中，充分攪拌。最后標號并靜置至室溫。

地聚物砂漿制作流程按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》來進行，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的長方體，每組配比制作三條試件。地聚物砂漿養(yǎng)護時間從原料加堿激發(fā)劑溶液攪拌開始計。試件帶模養(yǎng)護1 d后脫模，并放入20 ℃左右的水中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間為28 d。養(yǎng)護時間結(jié)束后立即進行強度測試。

2.3 配合比設(shè)計

為了研究礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物原料之間的比例、堿激發(fā)劑模數(shù)和堿含量對礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿力學(xué)性能的影響，本實驗按如下配比設(shè)計：礦渣含量固定為65%，粉煤灰含量依次從25%、17.5%到10%進行改變，每次改變后剩下的百分比含量即為沸石粉含量。堿激發(fā)劑模數(shù)設(shè)定為1.4、1.2和1.0，堿含量設(shè)定為8%、6%和4%。配合比設(shè)計如表1所示。

表1 配合比設(shè)計

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗折強度試驗

將養(yǎng)護完成的砂漿試件從水中取出，擦干表面水后立即進行抗折強度試驗。將試件放置于抗折壓力機上，以50 N/s左右(不超過或不少于10 N/s)的速度均勻加載，直至折斷。抗折強度按下式進行計算

=15×

(1)

式中：為折斷時施加于棱柱體中部的荷載，N；為跨距，mm；為棱柱體正方形截面的邊長，mm。

28 d抗折強度試驗結(jié)果見表2，如圖1所示。

表2 不同編號試件的28 d抗折強度

圖1 28 d抗折強度

從表2中可以看出，1試件的抗折強度最高，可達7.5 MPa，其對應(yīng)的配比為65%的礦渣、25%的粉煤灰、10%的沸石粉、8%的堿含量和1.4的模數(shù)。而抗折強度最低的是7試件，為5.1 MPa，對應(yīng)的配比為65%的礦渣、10%的粉煤灰、25%的沸石粉、8%的堿含量和1.0的模數(shù)。9組配比中，3、6、9沒有強度，因為這三組配比制備出的砂漿試件強度過低，無法成型并脫模。這三組配比的共同點是堿含量都為4%。由此可以看出，當堿激發(fā)劑堿含量過低時，礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿將沒有強度。

3.2 抗壓強度試驗

將折斷后的砂漿試件放于抗壓試驗機夾具中，以2 400 N/s左右(不超過或不少于200 N/s)的速度進行加載，直至壓壞。抗壓強度按下式進行計算

=

(2)

式中：為破壞時的最大荷載，N；為受壓面積，mm。

28 d抗壓強度見表3、圖2。

表3 不同編號試件的28 d抗壓強度

圖2 28 d抗壓強度

從表3可以看出，抗壓強度最高的是4試件，強度為58.5 MPa，其次是1試件，強度為58.3 MPa，兩者相差僅有0.2 MPa。4試件對應(yīng)的配比為65%的礦渣、17.5%的粉煤灰、17.5%的沸石粉、8%的堿含量和1.2的模數(shù)，1試件對應(yīng)的配比為65%的礦渣、25%的粉煤灰、10%的沸石粉、8%的堿含量和1.4的模數(shù)?？箟簭姸茸畹偷氖?試件，強度為46.7 MPa，對應(yīng)的配比為65%的礦渣、10%的粉煤灰、25%的沸石粉、6%的堿含量和1.4的模數(shù)。因為堿含量的不足，所以3、6、9試件沒有抗壓強度。

4 結(jié) 論

通過地聚物砂漿力學(xué)性能的研究，本論文得出了以下結(jié)論。

(1)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿的28 d抗壓強度最高可達58.5 MPa，最低為46.7 MPa?？箟簭姸绕毡檫_到普通硅酸鹽水泥標準(不小于42.5 MPa)。

(2)礦渣-粉煤灰-沸石粉地聚物砂漿的28 d抗折強度最高可達7.5 MPa，其次為7.3 MPa，最低為5.1 MPa。僅有兩組配比抗折強度達到普通硅酸鹽水泥標準(不小于6.5 MPa)。

(3)水玻璃堿含量不足時，砂漿試件強度過低，無法成型。