左李萍,蒙海宁,许彦明,朱祥,陆小军,伊立
(1. 镇江建科建设科技有限公司,江苏 镇江 212004;2. 江苏镇江建筑科学研究院集团股份有限公司,江苏 镇江 212004)
随着人类社会经济的发展,其资源的消耗越来越多,尤其是非再生资源,无法循环使用,消耗一点就减少一点。而在人类的发展史上非金属材料一直都有着举足轻重的地位,自从 19 世纪水泥问世以来,在社会的建设当中发挥着巨大作用,但普通水泥在生产过程中会产生较大污染。因此,采用无机矿物制备多功能的无机材料[1-5]是当今世界材料学研究的重要方向之一。无机聚合物材料因能符合这些要求而引起学术界的重视,地聚物水泥就是一类新型的高性能无机聚合物材料[6-9]。单独使用偏高岭土来制备地聚物水泥还是有许多不足之处,因此,本文中考虑采用粉煤灰和矿粉进行复掺改性研究。
(1)偏高岭土:本试验采用的偏高岭土取自河北省灵寿县,其化学成分见表 1。
(2)粉煤灰:选用镇江谏壁电厂生产的Ⅱ级粉煤灰,其化学成分见表 2。
表 2 Ⅱ级粉煤灰的化学组成 wt%
(3)矿粉:选用江南水泥粉磨公司生产的 S95 级磨细矿粉,其化学成分见表 3。
表 3 矿粉的化学组成 wt%
(4)激发剂
1)固体激发剂:NaOH 为分析纯,纯度在 95% 以上。
2)液体激发剂(硅酸钠):青岛优索化学科技有限公司生产,为半透明状粘稠液体,其化学成分见表4,用 NaOH 和水调节至所要求的水玻璃模数。
表 4 水玻璃技术指标
表 5 试验仪器
1.3.1 粉煤灰单掺试验配比设计
粉煤灰的掺入量分别为 5%、 10% 以及 15% 的不同比例,具体配方见表 6,其中 N9 是前期研究最好的偏高岭土基地聚物水泥的试验配比(即,硅酸钠模数为1.4,碱引入量为 18%,偏高岭土的掺量为 100%),因而在本文中作为空白组对比。
表 6 单掺粉煤灰的试验配合比
1.3.2 矿粉单掺试验配比设计
设计与单掺粉煤灰类似的配合比,便于对比,详见表 7。
表 7 单掺矿粉的试验配合比
1.3.3 粉煤灰和矿粉复掺配比设计
粉煤灰和矿粉复掺配比设计为 80% 的偏高岭土,矿粉和粉煤灰合起来占比为 20%,配比详见表 8。
表 8 复掺矿粉的试验配合比
图 1 为不同掺量的粉煤灰对地聚物水泥流动性能的影响。由图 1 可见,当粉煤灰掺入量从 5% 增加到 15%时,其流动性逐渐增大,当掺入 15% 粉煤灰时,其流动度达到 235mm。这是由于粉煤灰是球形颗粒,产生“滚珠效应”,地聚物水泥的流动性能得到提高。
图 1 粉煤灰的掺量对地聚物水泥流动性能的影响
表 9 表示了不同掺量的粉煤灰对地聚物水泥凝结时间的影响。由表 9 中可知随着粉煤灰掺量的增加,地聚物水泥的初凝和终凝时间都会延长。这是由于偏高岭土的火山灰活性要比粉煤灰高,偏高岭土会优先发生火山灰反应,而粉煤灰反应的滞后性导致了地聚物水泥的凝结时间增加。
表 9 粉煤灰的掺量对地聚物水泥凝结时间的影响
粉煤灰掺量对地聚物水泥抗压强度的影响如表 10和图 2 所示。随着粉煤灰掺量的增加,其抗压强度呈下降趋势。另外随着粉煤灰的掺入,地聚物水泥的 3d 抗压强度增长较快,之后抗压强度增长较缓慢。
表 10 粉煤灰的掺量对地聚物水泥抗压强度的影响MPa
图 2 粉煤灰的掺量对地聚物水泥抗压强度的影响
图 3 为不同掺量的矿粉对地聚物水泥流动性能的影响。由图 3 可见,当矿粉掺入量增加时,地聚物水泥的流动性也会增加,当矿粉的掺入量为胶凝材料的 15%时,流动性能达到了 220mm。这主要是因为矿粉的粒度很细,从而使地聚物水泥有更好的流动性,但矿粉对地聚物水泥流动性的增加却没有粉煤灰好。从图 3 还可看出,当矿粉的掺入量达到 5% 时,流动性增长幅度最多,随着增加矿粉的掺入量,地聚物水泥的流动度增长幅度逐渐趋于平缓。
图 3 矿粉掺量对地聚物水泥流动性能的影响
从表 11 中可以看出随着矿粉的掺入,地聚物水泥的凝结时间明显缩短。由于矿粉是高钙物质,能迅速发生碱激发反应,减少凝结时间。
表 11 矿粉的掺量对地聚物水泥凝结时间的影响
表 12 和图 4 是不同矿粉的掺量对地聚物水泥强度的影响。由试验结果可以看出掺入矿粉能提高地聚物水泥的抗压强度,其中地聚物水泥 3d 抗压强度的增长幅度最大,达到了 10.3%, 28d 抗压强度比不加矿粉的增加了 8%。矿粉是高钙矿物,其能迅速参与碱激发反应,加快碱激发的水化进程。随着矿粉掺量的增加,其抗压强度增大。
表 12 矿粉掺量对地聚物水泥抗压强度性能的影响MPa
图 4 矿粉掺量对地聚物水泥抗压强度性能的影响
由表 13 和图 5 显示了粉煤灰和矿粉的复掺对地聚物水泥抗压强度的影响。由图可以看出与纯偏高岭土的空白样相比,M7(5% 粉煤灰,15% 矿粉)组的强度最高,矿粉的掺入对其强度有明显的促进作用,从 M9 这一组(15% 粉煤灰,5% 矿粉)来看,由于掺入较多的粉煤灰,试块的抗压强度最低,对于 M8,该组抗压强度处于 M7 和 M9 之间。
表 13 粉煤灰—矿粉复掺对地聚物水泥抗压强度的影响 MPa
图 5 粉煤灰—矿粉复掺对地聚物水泥抗压强度的影响
(1)随着粉煤灰掺量的增加浆体的流动性增大,工作性能得到改善。此外,当粉煤灰掺量增加时,地聚物水泥的凝结时间也会增加,同时地聚物水泥的抗压强度也会降低。
(2)矿粉是高钙矿物,能迅速参与碱激发反应,同时放出大量的水化热,从而能够提高其浆体的温度,加快偏高岭土的水化进程。
(3)综合对流动性能和抗压强度性能的影响,其较优配方是掺入 5% 的粉煤灰+15% 的矿粉,3d 强度达到 40.6MPa,28d 强度达到 47.5MPa。