养护温度及时间对粉煤灰基地质聚合物混凝土强度发展的影响.pdf

2 0 1 4 年 第 6期 (总 第 2 9 6 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 4 ( T o m l No 2 9 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADMI NI CLE 养护温度及时间对粉煤灰基地质聚合物混凝土强度 发展的影响 谢子令。李显 ( 温州大学 建筑与土木工程学院，浙江 温州 3 2 5 0 3 5 ) 摘要： 以砂 、 碎石为骨料 ， 粉煤灰及少量的硅灰为胶凝材料 ， 水玻璃 、 氢氧化钠为激发剂制备了地质聚合物混凝土 ， 测试 了不 同养护温度及时间下粉煤灰基地质聚合物混凝土的抗压强度， 旨在揭示养护温度及龄期对粉煤灰基地质聚合物混凝土强度发展 的影响规律。 结果表明： 在 2 0 - 8 0之间， 提高养护温度可以提高粉煤灰基地质聚合物混凝土的抗压强度 ， 并呈现线性增长的关 系， 进一步提高养护温度会导致试样表面微裂纹的产生 ， 进而导致抗压强度有所下降 ； 地质聚合物混凝土的抗压强度随龄期的增 加而增大， 并趋于稳定 ， 该趋势可用指数函数加 以描述 ； 早期的高温养护会加速聚合化反应速度 ， 降低聚合化反应时间， 即高温短 时养护可达到低温长时养护的效果。 关键词 ： 粉煤灰 ；地质聚合物 ；混凝土；养护条件 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 4 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 5 5 0 4 E ffe c t o f c u r i n g t e m p e r a t u r e a n d c u r i n g t i me o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f f l y a s h g e o p ol y me r c o n c r e t e XI EZi l i n g， LI Xi a n ( C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r in g ， U n i v e r s i t y o f We n z h o u ， We n z h o u 3 2 5 0 3 5 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： Us i n g s a n d a n d c r u s h e d r o c k a s a g g r e g a t e ， fl y a s h a n d s o me s i l i c a f u me a s p r e c u r s o r ， s o d i u m h y d r o x i d e an d wa t e r g l a s s a s a c t i v a t o r ， a g e o po l y me r c o n c r e t e wa s p r o d u c e d Th e e f f e c t o f c u r i ng t e mp e r a t ur e a n d a g e t i me s o n t h e c o mp r e s s i ve s t r e n g t h o f the fly a s h g e o p o l y me r c o n c r e t e we r e s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o mp r e s s i v e s tr e n gth o f t h e g e o p o l y me r c o n c r e t e i n c r e a s e s l i n e a l l y wi t h c u r i n g t e mp e r a t u r e i n t h e r an g e o f 2 0 t o 8 0 W h e n t h e c u r i n g t e mp e r a t u r e i s f u r t h e r i n c r e a s e d u p t o 1 0 0 a 3 1 d e c r e a s e i n c o mp r e s s i v e s tre ng t h wi l l b e o b s e r v e d a s c o mp a r e d t o t ha t c ur e d a t 8 0 Thi s i s d u e t o hig h t e mpe r a t u r e c u r i n g i n d uc e d mi c r o c r a c ks f o r me d o n t h e s u r f a c e of t h e s a mp l e s As we l l a s t h e c ur i n g t i me c o nc e r n e d， t he c o mp r e s s i v e s tre ng t h i n c r e a s e d a t i n i t i a l c u r i ng p e r i o d s an d gra d u a l l y t e n d e d t o l e v e l o ff a t l a t e r p e r i o d Th e t e nd e nc y c a r l b e e n c a p t m e d by an e x po n e n t i a l d e c a y fi mc t i o n F u r t h e r an a l ys i s r e v e a l e d tha t i n c r e a s i n g i n i t i a l c u r i n g t e mpe r a t u r e c a n e n hanc e d t he ge o po l y me r i z a t i o n p r o c e s s ， an d t he n a c h i e v e d hi g h c o mp r e s s i o n s e n g t h i n a s h o r t t i me a s c o mpa r e d t o t h e s a mpl e s c u r i n g a t a mb i e nt t e mpe r a t u r e Key w or ds ： fly a s h； g e o po l y me r ； c o n c r e t e； c u r i ng c o n d i t i o n 0 引 言 地 质聚合物材料 ( G e o p o l y m e r ) 是近年来新 发展起来 的一类碱激发胶凝材料 。 它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 ， 与含 铝质黏土( 主要为偏高岭土或高岭石 ) 和适量碱硅 酸盐溶 液充分混合后 ， 在 2 0 1 2 0 o C的养护条件下成型硬化生成的 一 类铝硅酸盐类沸石材料 1 ， 具有高强度 、 高耐腐蚀性 、 耐高温 等特点 ， 可作为胶凝材料 来制备 混凝 土材料及其 构件5 - 1 0 。 目前， 中国粉煤灰的排放量每年已超过 3 0 亿 t 。 由于煤炭在中国一次性能源消费中约 占 7 0 ， 未来很长一 段时期 内国内仍将 以燃煤发 电为主 ， 因而仍将产生大量的 粉煤灰 。 国内 目前对 粉煤灰 的综合 利用率 只有 3 0 左 右 ， 大量 的粉煤灰得不到有效利用 ， 采用堆放处理不仅 占用了 大量 的土地 ， 而且还污染环境 1 l 】 。 因此 ， 利用粉煤灰作为主 要原材料制备地质聚合物混凝土不仅可以扩大粉煤灰固 体废弃物利用途径 ， 并且可 以缓解水 泥混凝土产业温室气 体排放的压力 。 粉煤灰基矿物聚合物的强度不仅与粉煤灰 的活性指数和物理特性 ( 如颗粒尺寸 ) 等因素有关【 埘 ， 还受 到所用激发剂种类 和浓度 的影响 1 3 1 。 目前更 多的研究工作 主要集 中在材料的 内在影响对地质聚合物胶凝材料凝结 硬化的影响 ， 而对于材料的制备工艺 ， 特别是养护条件对 地质聚合物混凝土强度发展 的影响研究较少 。 作为火 山灰 质材料， 粉煤灰的活性是潜在的， 提高养护温度有利于粉 收稿日期：2 0 1 3 1 2 1 7 基金项 目：浙江省教育厅项 目( Y 2 0 1 1 2 1 0 7 4 ) ； 2 0 1 0 年度温州市建筑节能财政专项资金资助项 目； 浙江省大学生科技创新活动计4 0 ( 新苗人 才计划 ) 基金项 目( 2 0 1 2 R 4 2 4 0 3 7 ) 5 5 煤灰基地质 聚合物 混凝 土的强度发展l l 4 J 。 然 而 ， 养护温度 及养 护时间对粉煤灰基地质 聚合物混凝土强度发展影 响 的量化关 系还有待深入研究。 所以本研究主要针对一定 的 激发剂溶液 ， 测定在不 同养护温度和龄期下粉煤灰基矿物 聚合物的强度， 确定养护温度对粉煤灰基矿物聚合物强度 发展 的影响规律 ； 同时 ， 为 了探究早期高温养护对粉煤 灰 基矿物聚合物在 常温下后期强度发展的影响 ， 还 同步测定 了高温养护后在 常温下不同龄期时的强度 ， 试图建立养护 温度及时间与粉煤灰基地质聚合物混凝土强度演化的量 化关系。 1 原材料及试验设计 1 1 原材料 粉煤灰 ： 采用温州磐石热电厂的粉煤灰 ， 如表 1 所示 ， 其 主要化学成 分为 S i O ， A 1 2 0 ， ， C a O， F e 2 0 。 其物相组成如 图 1 所示 ， 在 2 0 。 3 0 。 区间的馒头峰表明粉煤灰的主要物相 为非晶态 ， 并含有少量 的莫来石 、 石英等晶相材料。 这表明 粉煤灰中的 S i O ， A 1 2 0 为玻璃相 ， 具有潜在的火 山灰性。 表 1 粉煤灰 、 硅灰化学成分的 X R F分析 硅灰 ： 购于北京慕 湖外加剂厂 ， X R F 及 X R D测试表 明 其主要成分为非 晶态 的 S i O ， S i O 含量达 8 4 6 9 ， 如表 1 及 图 l ( b ) 所示 ， 在 X R D衍射 图中未发现明显晶体相物质。 400 300 2 0 0 1 00 O M9 ll M M M QM M I M 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 2 0 ( 。 ) ( a ) 粉煤灰 2 0 ( j ( b ) 硅灰 图 1 X射线衍射谱 砂石骨料 ： 福建 中砂 ( 细度模数 _ 2 4 ) ， 碎石 ( 5 1 0 ton i ， 1 1 ； 1 0 - 2 0 m l T l ， 8 9 ) 。 激发剂 ： 首先将化学纯 N a O H片碱( 纯度 9 8 ) 溶解 与水 中， 制成一定摩尔浓度的氢氧化钠溶液 ， 再将 配置的 碱溶液与市售泡花碱 ( 密度 1 3 5 ， 模数 3 3 ， 各成分 的质量 含量 ： N a = O， 7 9 ， S i O 2 ， 2 7 9 ， 水 6 4 2 ) 按一定质 量 比配 置成激发剂溶液 ， 并将激发剂溶液密封后放置在室 内陈化 2 4 h 。 激发剂中氢 氧化钠 的摩尔浓度 以及氢氧化钠溶液与 泡花碱 的质量 比对地质聚合物混凝土的强度影响显著 ， 根 据前期的配合比设计试验结果， 本试验采用的碱溶液摩尔 浓度为 1 8 m o F L ， 将氢氧化钠溶液与泡花碱按质量 比 1 ： 3 混 合， 配制成激发剂， 可制备出高强度的地质聚合物混凝土。 1 2 地质聚合物混凝土的制备 根据前期大量配合 比设计 ， 选定每立方米材料用量 ： 石 5 6 子 1 0 5 0 k g ， 砂 5 6 5 k g ， 粉煤灰 4 2 0 k g ， 硅灰 1 8 0 k g ， 激发剂 2 0 0 k g 。 该配合 比下得到的粉煤灰地质聚合物混凝土的强 度高 ， 且流动性好 。 称取规定量的砂 、 石骨料 以及粉煤灰倒 人双卧轴混凝土搅拌机 中， 进行干拌 5 mi n ， 加入规定量 的 激发剂溶液再搅拌 5 mi n ， 将拌合物装入 1 0 0 m mx l 0 0 mr n x 1 0 0 m m试模 中， 振动成型 5 mi n 。 1 3 养护方法及抗压强度测试 试件成型后在标准养护箱 ( 2 0， R H 9 0 ) 中养护 1 d 后拆模 ， 并取三块试样在液压伺 服试验机进行强度测试得 到 1 d 龄期 的立方抗压 强度 。 为探究标准养护条件 下试样 强度的发展规律 ， 将部分试样继续放入标准养护箱 ( 2 0 ， R H 9 0 ) 中养护 龄期至 3 、 7 、 1 4 、 2 1 、 2 8 、 5 6 d ， 并进行抗 压 强度测试 ； 为探讨养护温度对粉煤灰基地质聚合物混凝土 强度的影 响 ， 拆 模后部分试样 在 4 0 、 6 0 、 8 0 、 1 0 0烘 箱中 养护 2 4 h ， 随后放置在标准养护箱至 7 d 龄期 ， 并进行强度 测试。 为探讨高温养护时间的影响 ， 将拆模后的部分试样在 6 O烘箱 中养护 2 、 4 、 6 、 8 、 1 0 、 1 2 、 2 4 、 3 6 、 4 8 、 7 2 h ， 随后将 试样放置在标准养护箱至 7 d 龄期 ， 并进行强度测试 ； 为 了 探究早期高温养护对粉煤灰基地质聚合物混凝 土在标准 养护条件下后期强度发展的影响 ， 还 同步测定了经 6 0 高 温养护 2 4 h 后 ， 在标准养护条件下不 同龄期的强度。 2 试验结果 与分析 2 1 标准养护条件下强度的发展 图 2 显示 了标准养护条件下地质聚合混凝土立方抗压 强度随龄期的演化情况， 可见在龄期达到 1 4 d 前 ， 地质聚合 物混凝土的抗压强度增长显著 ， 随后强度增长缓慢 ， 并基本 趋于稳定 。 该变化趋势可用指数 函数 ( x ) = a e x p ( 1 ) 表示 ， 当 = 一 1 1 0 7 5 MP a ， t = 4 0 2 d ， 3 = 1 0 2 4 0 MP a 时 ， 能较 好的拟合试验数据的变化趋势， 相关系数 R 2 = 0 9 9 9 8 2 ， 如 图 2中的趋势线所示 。 抗压强度随龄期的增长速率随龄期 的增长而逐渐减小 ， 如图 2中带五星号的曲线所示 ， 在反应 初期强度增长率可达 1 5 MP a d 以上 ， 在龄期为 1 4 d 时 ， 已减 小到 1 MP a d 以下 ， 龄期超过 2 8 d 后 ， 增长速率在 0 MP a d ， 表 明聚合化反应基本完成 。 水泥混凝土的强度与龄期 的之 间的关 系可用式 ( 1 ) 近似表示 ： 温度的提高而增大 ， 在 2 0 8 0温度区间呈现线性增长 的 趋势 ， 近一步提高养护温度至 1 0 0会 导致试样表面裂纹 的产生 ， 进而导致抗压强度 出现倒缩现象 。 ( 3 ) 延长早期高温养护时间会加速聚合化反应速度及反 应程度， 试样抗压强度增长较快， 随着反应的进行， 聚合化反 应基本完成， 延长养护时间至 2 4 h 后， 试样抗压强度基本保 持不变， 该演化趋势可用指数函数f Ax ) = a e x p ( - x t ) + #表示。 ( 4 ) 早期长时间的高温养护导致地质聚合物混凝土的聚 合化反应基本结束 ， 后期标准养护条件下强度基本保持不变， 就强度发展而言高温短时养护可达到低温长时养护的效果。 参考文献： f 1 J A N N I E S J ， e t a 1 T e c h n i c a l a n d c o m m e r i a l p r o g r e s s i n t h e a d o p t i o n o f g e o p o l y m e r e e m e n t J M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ( 2 9 ) ： 8 9 - 1 0 4 【 2 】B AKHA RE V T D u r a b i l i t y o f g e o p o l y me r ma t e r i a l s i n s o d i u m a n d m a g n e s i u m s u l f a t e s o l u t i o n s 叨C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 1 2 3 3 1 2 4 6 3 3 B A K H A R E V T R e s i s t a n c e o f g e o p o l y m e r m a t e r i a l s t o a c i d a t t a c k J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 6 5 8 6 7 0 【 4 B AKHA RE V T T h e r mal b e h a i v i o u r o f g e o p o l y me r s p r e p are d u s i n g c a l s s F fl y a s h a n d e l e v a t e d t e mp e r a t u r e c u r i n g J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 6 ( 3 6 ) ： 1 1 3 4 1 1 4 7 【 5 】RAMG AN B V， e t a 1 P r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n s o f f l y a s h - b a s e d c o n c r e t e J M a t e r i a l s f o r u m， 2 0 0 6 ( 3 0 ) ： 1 7 0 1 7 5 f 6 】S UMAJ OU W D M J ， HAR D J I T O D， WAL L AH S E， e t a1F l y a s h b a s e d g e o p o l y me r c o n c r e t e ： s t u d y o f s l e n d e r r e i n f o r c e d c o l u mn s J 上接第 4 7页 温度 mi n 1 图 9不 l司降温速 率 混凝土 的 强度变 化 试验结果显示， 温度为一 1 6 5 时， 降温速率 5 _ 5 、 2 7 5 C m i n 相 比， C 6 0 、 C 8 0 、 C 9 0 混凝 土的强度分别增长 了 1 1 2 o o 、 0 8 、 一 3 4 ， 由此可以得出 ， 在超低温环境下 ， 混凝土强度等级 和降温速率在一定范 围内， 随着强度等级 的提高 ， 降温速 率越大的情况下， 混凝土抗压强度由增长变为下降， 但由 于本次试验数据较少 ， 且两者强度差别不是很大 ， 这种规 律还需进一步研究 。 理论上讲 ， 降温速率越快 ， 混凝土内部温度梯度越大 ， 产生的应力越大 ， 对混凝土的破坏越大 ， 从试验结果看 ， 这 种破坏并没有体 现出来 ， 主要原 因是受冻 的破坏主要体现 在多次冻融循环上 ， 一次降温并不能影响强度 。 总体来讲， 对试件的降温是通过空气 ， 而不是液氮等 降温介质直接接触试件， 并不会致使其内部温度应力过大， 因此导致的破坏很小， 所以降温速率不同对混凝土的抗压 强度影 响较小。 58 - J M a t e r S c i ， 2 0 0 7 ( 4 2 ) ： 3 1 2 4 - 3 1 3 0 【 7 】Y P S T J R， e t a1 S t ruc t u r al b e h a v i o r o f alk ali a c t i v a t e d fl y a s h c o n - c r e t e Pa r t 1： mi x t ur e d e s i g n， ma t e r i al p r o p e r t i e s a n d s a mp l e f a b r i c a t i o n J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 1 3 ， 4 6 ( 3 ) ： 4 3 5 4 4 7 【 8 】 YO S T J R， e t a 1 S t ruc t u r al b e h a v i o r o f a l k ali a c t i v a t e d fl y a s h c o n c r e t e P a r t 2 ： s t ruc t u r al t e s t i n g a n d e x p e ri m e n t al fi n d i n g s J M a t e r i al s a n d S t ruc t u r e s ， 2 0 1 3 ， 4 6 ( 3 ) ： 4 4 9 4 6 2 9 1 S ARK ER P K， e t a1F r a c t u r e b e h a v i o u r o f h e a t c u r e d fl y a s h b a s e d g e o p o l y m e r c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d D e s i g n ， 2 0 1 3 ( 4 4 ) ： 5 8 0 5 8 6 【 1 0 罗鑫， 许金余， 李为民， 等 玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土 在初场道面J陕速修补中的应用研究叨 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 1 0 6 - 1 0 9 1 1 】 张云升 ， 孙伟 ， 沙建芳 ， 等 地质聚合物基活性粉煤混凝土的制 备及特性研究 建筑技术 ， 2 0 0 3 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 3 1 1 3 2 1 2 D I A Z E I ， AI 0UC HE E N， E KL U ND S F a c t o r s a f f e c t i n g t h e s u i t a b i l i t y o f f l y ash a s s o u r c e ma t e r i a l f o r g e o p o l y me r s 叨F u e l ， 2 0 1 0 ( 8 9 ) ： 9 9 2 - 9 9 6 f 1 3 P AN I AS D， G I AN NOP OU L OU I P， e t a 1 E f f e c t o f s y n t h e s i s p a r a me t e F s o n t h e me c h a n i c al p r o p e rt i e s o f fl y a s h - b a s e d g e o p o l y me r s l J I C o l l o i d s a n d S u r f a c e s A： P h y s i c o c h e m E n g A s p e c t s 。 2 0 0 7 ( 3 0 1 ) ： 2 4 6 _ 2 5 4 【 1 4 V I J AI K， K UMUYHA R， VI S HN URA M B G E f f e c t o f t y p e s o f c u r i n g o n s t r e n g t h o f g e o p o l y me r c o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l J o u r n al o f t h e P h y s i c a l S c i e n c e s ， 2 0 1 0 ， 5 ( 9 ) ： 1 4 1 9 1 4 2 3 作者简介： 谢子令( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 博士。 联系地址： 浙江温州茶山高教园区温州大学建工学院( 3 2 5 0 3 5 ) 联系电话 ： 0 5 7 7 8 6 6 8 9 6 1 1 4结 论 ( 1 ) 混凝土试件在以 2 7 5 m i n 降温时 ， 试件 中心与环 境温度最大相差 1 4 0 时 ， 而试件中心温度与边缘温度相差 仅 1 4， 因此产生的温度应力不会破坏混凝土内部结构。 ( 2 ) 在试件表面不密封 的情况下 ， 不同含水率的混凝土 强度差别较小， 因为在降温过程中含水率可趋于一致 ， 在超低 温工程应用中， 混凝土的含水率对强度的影响并不是主要的。 ( 3 ) 不 同的混凝土强度等级 、 不 同的混凝土配合 比， 在 低温下的强度表现不同 ， 因此是否存在某一温度 ， 到达这一 温度点后 ， 继续降温混凝土强度变化不明显 ， 而这一温度点 具体是多少 ， 还是要根据不 同的混凝土配合 比来具体分析 。 ( 4 ) 采用液氮等介质对超低温试验箱内的空气降温， 再通过空气对试件进行 降温的方式 ， 降温速率的大小对混 凝土抗压强度的影响较小。 参考文献 ： 【 1 蒋正武 ， 李雄英 超低温下砂浆力学性能的试验 研究 J 】 硅酸盐 学报 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 6 0 2 6 0 7 2 王传星， 谢剑， 杨建江 超低温环境下混凝土的性能 低温建筑 技术 ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 8 - 1 0 3 J山根昭( 日) 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 戢文 占( 1 9 8 2 一 ) 男 ， 工程师 ， 主要从事新型建筑材料的 研发。 北京市顺 页 义区林河大街 1 5 号( 1 0 1 3 0 0 ) 01 0 89 4 9 88 66 3 1 4 0