堿激發(fā)礦渣混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

尹耀霄,王遠(yuǎn)輝,許 亮,袁曉輝

(1.湖北省公路工程咨詢監(jiān)理中心,武漢 430030;2.湖北省交通運(yùn)輸廳公路管理局,武漢 430030; 3.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室,武漢 430070)

堿激發(fā)礦渣混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

尹耀霄1,王遠(yuǎn)輝2,許 亮2,袁曉輝3

(1.湖北省公路工程咨詢監(jiān)理中心,武漢 430030;2.湖北省交通運(yùn)輸廳公路管理局,武漢 430030; 3.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室,武漢 430070)

以礦粉、粉煤灰為膠凝材料,以水玻璃、氫氧化鈉配制激發(fā)劑,激發(fā)劑模數(shù)調(diào)配至1.5進(jìn)行堿激發(fā)礦渣混凝土材料試驗(yàn),混凝土成型過程順利,混凝土坍落度和擴(kuò)展度分別為190 mm和423 mm,和易性較好,測(cè)得3 d立方體抗壓強(qiáng)度為30.70 MPa。

激發(fā)劑; 模數(shù); 堿激發(fā)礦渣混凝土; 塌落度; 擴(kuò)展度

堿激發(fā)礦渣混凝土是以礦渣微粉為膠凝材料,通過激發(fā)劑激活其化學(xué)活性而形成的一種具有快硬、早強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕及耐久性好等優(yōu)良性能的混凝土材料,在建筑工程、固核、固廢、密封、耐溫耐火及搶修搶建等領(lǐng)域均表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[1-4]。激發(fā)原理主要是通過激發(fā)劑將礦渣微粉中的玻璃體結(jié)構(gòu)O—Si—O—Al—O鏈解聚形成四面體的[SiO4]4-和[Al O4]5-,而后再發(fā)生一系列的縮聚反應(yīng)生成新的—O—Si—O—Al—O—網(wǎng)狀無機(jī)聚合物凝膠材料[5-7]。與含CSH、CH、AFm等無機(jī)小分子的普通水泥有著根本性的差別。

自IPC問世以來,其在土木工程許多領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用,其產(chǎn)品和應(yīng)用主要包括:結(jié)構(gòu)混凝土、混凝土路面、混凝土管道、混凝土水池和渠道、有害廢物和放射性廢物的固化等。在過去的40年間,前蘇聯(lián)前后頒布了60多個(gè)有關(guān)堿激發(fā)礦渣水泥和混凝土的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范涵蓋了原材料、水泥、混凝土、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn),積累了大量的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)。

該文以礦粉及粉煤灰為主要膠凝材料,氫氧化鈉、水玻璃為激發(fā)劑進(jìn)行了堿激發(fā)礦渣混凝土的配合比設(shè)計(jì)研究,最終所設(shè)計(jì)的配合比可進(jìn)行混凝土的正常成型并具有較好的和易性和強(qiáng)度。

1 堿激發(fā)礦渣水泥的配合比設(shè)計(jì)方法

目前關(guān)于堿激發(fā)礦渣水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法可以分為兩大類:經(jīng)驗(yàn)法和試驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)方法:重點(diǎn)是建立礦渣/激發(fā)劑溶液和強(qiáng)度間的比率關(guān)系,需要考慮的因素有:1)混凝土的強(qiáng)度取決于堿-激發(fā)礦渣凈漿的強(qiáng)度;2)混凝土的和易性取決于堿激發(fā)礦渣水泥漿體的用量;3)由于堿激發(fā)礦渣水泥混凝土的粘性高,其流動(dòng)性需要通過維勃試驗(yàn)來測(cè)量。以上因素確定完畢,以強(qiáng)度和工作性指標(biāo)為準(zhǔn)進(jìn)行混凝土配合比調(diào)整試驗(yàn)。

試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)主要是通過試差法對(duì)通過經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)的初始配合比數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。任何外加劑的加入都要考慮其對(duì)配合比設(shè)計(jì)的影響。此方法可用來設(shè)計(jì)10～110 MPa強(qiáng)度范圍內(nèi)的堿激發(fā)礦渣混凝土。試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)第一步:獲得混凝土各組分的性能參數(shù),包括:粗細(xì)骨料的粒徑、密度孔隙率等物理性能指標(biāo),以及凈漿與砂漿棱柱體試塊的抗壓強(qiáng)度;第二步:調(diào)整礦渣和堿激發(fā)劑溶液的用量,根據(jù)實(shí)際需要的混凝土的強(qiáng)度以及工作性能調(diào)整礦渣用量,根據(jù)混凝土的工作性能以及粗細(xì)骨料的粒徑調(diào)整激發(fā)劑的用量;第三步:確定堿激發(fā)劑溶液與礦渣的比率;第四步:根據(jù)骨料在混凝土的分布計(jì)算漿體的增量并計(jì)算粗、細(xì)骨料的用量,粗、細(xì)骨料的計(jì)算方法如下式(1)、式(2)所示。第四步:根據(jù)粗、細(xì)骨料的吸水量來調(diào)整混凝土的配合比,并進(jìn)行試拌。

2 原材料

礦粉選用武鋼礦粉,其密度為3.051 g/cm3,比表面積為390.7 cm2/g,SiO2含量30.39%,CaO含量42.27%,礦粉等級(jí)為S95,其電鏡掃描圖如圖1所示;粉煤灰等級(jí)為一級(jí),密度:2.187 g/cm3,SiO2含量32.14%,CaO含量37.95%,其電鏡掃描圖如圖2所示;水玻璃采用工業(yè)水玻璃,按氧化物計(jì)算而得的水玻璃模數(shù)為3.03,利用PH電子探針測(cè)得的水玻璃PH值為10.66,固體質(zhì)量百分含量為45.09%;強(qiáng)氧化鈉采用工業(yè)氫氧化鈉,純度達(dá)99.8%;砂子采用黃砂,中砂;石子粒徑5～35 mm。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 砂漿試驗(yàn)

通過探索試驗(yàn)確定適宜的液固比(激發(fā)劑中水含量:固體含量)及溶膠比(激發(fā)劑重量:膠凝材料)。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

1)溶膠比試驗(yàn)

在具體試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水玻璃的濃度及摻量對(duì)膠凝材料的粘度及工作性有著重要的影響。如圖3、圖4所示,當(dāng)溶膠比為0.5,0.6時(shí)砂漿基本沒有流動(dòng)度,當(dāng)溶膠比上升至0.7時(shí),聚合物砂漿才具有一定的流動(dòng)度,如圖5所示,故暫定砂漿試件的溶膠比設(shè)置為0.7。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2)水玻璃濃度試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中,通過第1～3組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水玻璃濃度越高膠凝材料的粘度越大,當(dāng)水玻璃液固比稀釋至1.8時(shí),砂漿試件雖未發(fā)生泌水現(xiàn)象,但是其粘聚性相對(duì)不如液固比為1.5時(shí),故暫時(shí)將水玻璃液固比定為1.5。

3)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試件成型拆模養(yǎng)護(hù)3 d后發(fā)現(xiàn)水玻璃模數(shù)為2.1～2.7之間的試塊強(qiáng)度基本可以忽略,故只選取砂漿試件的第5組及6組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試結(jié)果

無機(jī)聚合物膠凝材料具有較強(qiáng)的敏感性,在一定范圍內(nèi),水玻璃的模數(shù)越低激發(fā)的膠凝材料的強(qiáng)度越高,但凝結(jié)時(shí)間也越短;水玻璃濃度越高,膠凝材料的粘度越大,通過適當(dāng)降低水玻璃濃度能夠有效降低膠凝材料的粘度,但也易增加膠凝材料的孔隙率(水在該激發(fā)劑體系中僅作為運(yùn)輸介質(zhì),不參與反應(yīng))。從試塊5、6的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)來看,兩種激發(fā)劑配比所激發(fā)的膠凝材料強(qiáng)度較高,參考其溶膠比及試塊內(nèi)部孔隙(孔隙率較大),膠凝材料的強(qiáng)度還有進(jìn)一步提升的空間。考慮膠凝材料凝結(jié)時(shí)間與環(huán)境的因素,最終將試驗(yàn)的水玻璃模數(shù)范圍定為1.5～1.8,水玻璃的液固比定為1.2～1.5,并在保證砂漿工作性能基礎(chǔ)之上盡量降低溶膠比。

3.2 混凝土試驗(yàn)

利用之前凈漿砂漿激發(fā)劑試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)堿激發(fā)礦渣混凝土試驗(yàn)配合比,具體配合比設(shè)計(jì)如表3、表4所示。激發(fā)劑模數(shù)1.5。

表3 堿激發(fā)礦渣混凝土配合比 /(kg·m-3)

表4 激發(fā)劑配合比(質(zhì)量比)

堿激發(fā)礦渣混凝土試件共制作4組12個(gè)試件,其中3組用來進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),混凝土的成型過程如圖6所示。按照混凝土配合比稱取原料,干拌60 s后加入以水、工業(yè)堿和水玻璃為原材料按照一定比例配置的激發(fā)劑溶液,攪拌120 s后裝入相應(yīng)的試模之中成型,然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室1 d后拆模養(yǎng)護(hù)。

試驗(yàn)過程中混凝土成型效果良好,測(cè)得其塌落度和擴(kuò)展度分別為190 mm和423 mm,和易性良好。混凝土初凝時(shí)間約為20 min。試樣成型好后將立方體試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),3 d后取出進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試,其強(qiáng)度分別為32.33 MPa、28.96 MPa、30.81 MPa,均值30.70 MPa。

4 結(jié) 論

以水玻璃和強(qiáng)氧化鈉為激發(fā)劑,激發(fā)劑模數(shù)1.5,激發(fā)礦粉、粉煤灰可順利成型堿激發(fā)礦渣混凝土,所得混凝土塌落度和擴(kuò)展度分別為190 mm和423 mm,和易性較好,且3 d強(qiáng)度可達(dá)30.70 MPa。

[1] Kim D,Lai H,Chilingar G V,et al.Geopolymer Formation and Its Unique Properties[J].Environmental Geology,2006, 51(1):103-111.

[2] 王 晴,吳 梟,吳昌鵬.新型節(jié)能無機(jī)礦物聚合建筑材料研究概況[J].建筑節(jié)能,2006(2):41-43.

[3] 張書政,龔克成.地聚合物[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003(3):430-436.

[4] Yunfei Xi,Qin Zhou,Ray L.Frost.Thermal Stability of Octadecyltri-methyl Ammonium Bromide Modified Montmorillonite Organoclay[J].Journal of Colloid and Interface Science,2007,311:347-353.

[5] Yunfel Xi,Ray L.Frost,Hongping He.Modification of the Surfaces of Wyoming Montmorillonite by the Cationic Surfactants Alkyl Tri-methyl,Dialkyl Dimethyl,and Trialkyl Methy Ammonium Bromides[J].Journal of Colloid and Interface Science,2007,305:150-158.

[6] Ray L.Frost,Qin Zhou,Hongping Hea.An Infrared Study of Ad-sorption of Para-nitrophenol on Mono-,Di-and Tri-alkyl Surfactantintercalated Organoclays[J].Spectrochimica Acta Part A,2007:1-6.

[7] Frantisek Skvara.Alkali Activated Materials or Geopolymers[J].Ceramics-Silikaty,2007,51(3):173-177.

Mix Design Analysis of Alkali-activated Slag Concrete

YIN Yao-xiao1,WANG Yuan-hui2,XU Liang2,YUAN Xiao-hui3
(1.Highway Engineering Consulting Supervision Center of Hubei Province,Wuhan 430030,China;
2.Transportation and Highway Administration of Hubei Province,Wuhan 430020,China;3.Key Laboratory of Roadway Bridge and Structural Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

This paper using slag and fly ash as cementitious materials,and using water glass,sodium hydroxide preparation activator,when the activator modulus be deployed to 1.5 alkali-activated slag concrete can mold smoothly,its expansion and extension degree is 190 mm and 423 mm respectively,which shows its better workability,and compressive strength of the 3 d cube measured is 30.70 MPa.

activator; modulus; inorganic polymer concrete; slump; extension degree

2014-08-05.

尹耀霄(1985-),工程師.E-mail:jiancaisj@263.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.006