尹耀霄,王远辉,许 亮,袁晓辉

(1.湖北省公路工程咨询监理中心,武汉 430030;2.湖北省交通运输厅公路管理局,武汉 430030; 3.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点试验室,武汉 430070)

碱激发矿渣混凝土配合比设计研究

尹耀霄1,王远辉2,许 亮2,袁晓辉3

(1.湖北省公路工程咨询监理中心,武汉 430030;2.湖北省交通运输厅公路管理局,武汉 430030; 3.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点试验室,武汉 430070)

以矿粉、粉煤灰为胶凝材料,以水玻璃、氢氧化钠配制激发剂,激发剂模数调配至1.5进行碱激发矿渣混凝土材料试验,混凝土成型过程顺利,混凝土坍落度和扩展度分别为190 mm和423 mm,和易性较好,测得3 d立方体抗压强度为30.70 MPa。

激发剂; 模数; 碱激发矿渣混凝土; 塌落度; 扩展度

碱激发矿渣混凝土是以矿渣微粉为胶凝材料,通过激发剂激活其化学活性而形成的一种具有快硬、早强、抗压强度高、耐酸碱腐蚀及耐久性好等优良性能的混凝土材料,在建筑工程、固核、固废、密封、耐温耐火及抢修抢建等领域均表现出巨大的应用前景[1-4]。激发原理主要是通过激发剂将矿渣微粉中的玻璃体结构O—Si—O—Al—O链解聚形成四面体的[SiO4]4-和[Al O4]5-,而后再发生一系列的缩聚反应生成新的—O—Si—O—Al—O—网状无机聚合物凝胶材料[5-7]。与含CSH、CH、AFm等无机小分子的普通水泥有着根本性的差别。

自IPC问世以来,其在土木工程许多领域得到了大量应用,其产品和应用主要包括:结构混凝土、混凝土路面、混凝土管道、混凝土水池和渠道、有害废物和放射性废物的固化等。在过去的40年间,前苏联前后颁布了60多个有关碱激发矿渣水泥和混凝土的规范和标准,规范涵盖了原材料、水泥、混凝土、结构和生产,积累了大量的设计、生产和应用方面的经验。

该文以矿粉及粉煤灰为主要胶凝材料,氢氧化钠、水玻璃为激发剂进行了碱激发矿渣混凝土的配合比设计研究,最终所设计的配合比可进行混凝土的正常成型并具有较好的和易性和强度。

1 碱激发矿渣水泥的配合比设计方法

目前关于碱激发矿渣水泥混凝土的配合比设计方法可以分为两大类:经验法和试验法。经验配合比设计方法:重点是建立矿渣/激发剂溶液和强度间的比率关系,需要考虑的因素有:1)混凝土的强度取决于碱-激发矿渣净浆的强度;2)混凝土的和易性取决于碱激发矿渣水泥浆体的用量;3)由于碱激发矿渣水泥混凝土的粘性高,其流动性需要通过维勃试验来测量。以上因素确定完毕,以强度和工作性指标为准进行混凝土配合比调整试验。

试验配合比设计主要是通过试差法对通过经验和数据所设计的初始配合比数据进行调整。任何外加剂的加入都要考虑其对配合比设计的影响。此方法可用来设计10～110 MPa强度范围内的碱激发矿渣混凝土。试验配合比设计第一步:获得混凝土各组分的性能参数,包括:粗细骨料的粒径、密度孔隙率等物理性能指标,以及净浆与砂浆棱柱体试块的抗压强度;第二步:调整矿渣和碱激发剂溶液的用量,根据实际需要的混凝土的强度以及工作性能调整矿渣用量,根据混凝土的工作性能以及粗细骨料的粒径调整激发剂的用量;第三步:确定碱激发剂溶液与矿渣的比率;第四步:根据骨料在混凝土的分布计算浆体的增量并计算粗、细骨料的用量,粗、细骨料的计算方法如下式(1)、式(2)所示。第四步:根据粗、细骨料的吸水量来调整混凝土的配合比,并进行试拌。

2 原材料

矿粉选用武钢矿粉,其密度为3.051 g/cm3,比表面积为390.7 cm2/g,SiO2含量30.39%,CaO含量42.27%,矿粉等级为S95,其电镜扫描图如图1所示;粉煤灰等级为一级,密度:2.187 g/cm3,SiO2含量32.14%,CaO含量37.95%,其电镜扫描图如图2所示;水玻璃采用工业水玻璃,按氧化物计算而得的水玻璃模数为3.03,利用PH电子探针测得的水玻璃PH值为10.66,固体质量百分含量为45.09%;强氧化钠采用工业氢氧化钠,纯度达99.8%;砂子采用黄砂,中砂;石子粒径5～35 mm。

3 混凝土配合比设计

3.1 砂浆试验

通过探索试验确定适宜的液固比(激发剂中水含量:固体含量)及溶胶比(激发剂重量:胶凝材料)。具体试验设计如表1所示。

1)溶胶比试验

在具体试验中发现水玻璃的浓度及掺量对胶凝材料的粘度及工作性有着重要的影响。如图3、图4所示,当溶胶比为0.5,0.6时砂浆基本没有流动度,当溶胶比上升至0.7时,聚合物砂浆才具有一定的流动度,如图5所示,故暂定砂浆试件的溶胶比设置为0.7。

表1 试验设计

2)水玻璃浓度试验

试验过程中,通过第1～3组试验发现,水玻璃浓度越高胶凝材料的粘度越大,当水玻璃液固比稀释至1.8时,砂浆试件虽未发生泌水现象,但是其粘聚性相对不如液固比为1.5时,故暂时将水玻璃液固比定为1.5。

3)抗压强度试验

试件成型拆模养护3 d后发现水玻璃模数为2.1～2.7之间的试块强度基本可以忽略,故只选取砂浆试件的第5组及6组进行抗压强度测试,测试结果如表2所示。

表2 测试结果

无机聚合物胶凝材料具有较强的敏感性,在一定范围内,水玻璃的模数越低激发的胶凝材料的强度越高,但凝结时间也越短;水玻璃浓度越高,胶凝材料的粘度越大,通过适当降低水玻璃浓度能够有效降低胶凝材料的粘度,但也易增加胶凝材料的孔隙率(水在该激发剂体系中仅作为运输介质,不参与反应)。从试块5、6的抗压强度数据来看,两种激发剂配比所激发的胶凝材料强度较高,参考其溶胶比及试块内部孔隙(孔隙率较大),胶凝材料的强度还有进一步提升的空间。考虑胶凝材料凝结时间与环境的因素,最终将试验的水玻璃模数范围定为1.5～1.8,水玻璃的液固比定为1.2～1.5,并在保证砂浆工作性能基础之上尽量降低溶胶比。

3.2 混凝土试验

利用之前净浆砂浆激发剂试验结果,设计碱激发矿渣混凝土试验配合比,具体配合比设计如表3、表4所示。激发剂模数1.5。

表3 碱激发矿渣混凝土配合比 /(kg·m-3)

表4 激发剂配合比(质量比)

碱激发矿渣混凝土试件共制作4组12个试件,其中3组用来进行强度试验,混凝土的成型过程如图6所示。按照混凝土配合比称取原料,干拌60 s后加入以水、工业碱和水玻璃为原材料按照一定比例配置的激发剂溶液,搅拌120 s后装入相应的试模之中成型,然后放入标准养护室1 d后拆模养护。

试验过程中混凝土成型效果良好,测得其塌落度和扩展度分别为190 mm和423 mm,和易性良好。混凝土初凝时间约为20 min。试样成型好后将立方体试样放入标准养护室进行养护,3 d后取出进行立方体抗压强度测试,其强度分别为32.33 MPa、28.96 MPa、30.81 MPa,均值30.70 MPa。

4 结 论

以水玻璃和强氧化钠为激发剂,激发剂模数1.5,激发矿粉、粉煤灰可顺利成型碱激发矿渣混凝土,所得混凝土塌落度和扩展度分别为190 mm和423 mm,和易性较好,且3 d强度可达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,吴 枭,吴昌鹏.新型节能无机矿物聚合建筑材料研究概况[J].建筑节能,2006(2):41-43.

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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-),工程师.E-mail:jiancaisj@263.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.006