矿渣粉煤灰基地质聚合物混凝土的基本性能研究

２００８年第６期｛总第２２．４期）

Ｎｕｍｂｅｒ６ｉｎ

混凝

Ｃｏｎｃｒｅｔｅ

土

２００８（Ｔ０ｔａｌＮｏ．２２４）

原材料及辅助物料

ＭＡＴＥＲ认ＬＡＮＤＡＤＭ咖ＣＬＥ

矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土的基本性能研究

范飞林，。许金余１．２，李为民１。杨进勇１，翟毅１

（１．空军工程大学工程学院机场建筑工程系，陕西西安７１００３８；２．西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安７１００７２）

摘要：地质聚合物混凝土是一种新型混凝土类材料。为了研究地质聚合物混凝土的基本性能，以矿渣、粉煤灰为原料，以硅酸钠和氢氧化钠为激发剂，制备了矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土。测试了不同配合比下矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土的坍落度以及７、１４ｄ和２８ｄ的抗压强度，分析了水胶比对和易性与抗压强度的影响，探讨了抗压强度的增长规律。结果表明：制备的矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土具有较高的抗压强度和良好的和易性，凝结硬化快，强度特性稳定；当水胶比为Ｏ．２６，砂率为０．４０，氢氧化钠和硅酸钠的质量比为Ｏ．２９，碱溶液的浓度为５６％时。矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土的坍落度为１１０ｍｍ，标准养护条件下７、１４ｄ和２８ｄ龄期的抗压强度分别达到４０．４、５０．３ＭＰａ和６０．２０ＭＰａ；随着水胶比的增大，和易性不断增强。抗压强度先增加，后减小；随着养护龄期的延长，抗压强度不断增长，但增速降低。

关键词：矿渣；粉煤灰；地质聚合物混凝土；和易性；强度中图分类号：＇１７．１５２８．２

文献标志码：

Ａ

文章编号：１００２—３５５０（２００８）０６－－００５８－０４

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２．Ｃｏｌｌｅｇｅ

ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＣｉｖｉｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）

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０

引言

地质聚合物材料是近年来国际上研究非常活跃的非金属材

Ｊ．Ｓ．Ｊ．ｖａｒｌ

Ｄｅｖｅｎｔｅｒ等同研究了利用固体废物制备地质聚合物材料

时的反应机理；龙伏梅、朱晓敏Ｍ对粉煤灰基地聚合物材料的制备及其性能进行了研究。本研究以水淬高炉矿渣和粉煤灰为原料，以硅酸钠和氢氧化钠为激发剂，制备了具有较高抗压强度和良好和易性的矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土，并研究了不同配合比下地质聚合物混凝土的抗压强度与和易性。

料之一，它是一种化学键合陶瓷，以烧黏土（偏高岭土）或其他以硅、铝、氧为主要元素的硅铝质材料为主要原料，经适当的工艺处理，在较低温度条件下通过化学反应得到的一类既具有有机高聚物、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小等优点的一类新型无机聚合物材料。和水泥相比，它具有材料强度高、硬化快，耐久性好等特点，已被应用于汽车及航空工业、非铁铸造工业、土木工程、交通工程、塑料工业、有毒废料及放射性废料处理等领域㈣。基于地质聚合物材料的优异性能，国内外学者对地质聚合物材料进行了大量的研

１试验

１．１试验原材料

水淬高炉矿渣：来自陕西蒲城恒远环保建材有限公司，按照矿渣化学活性指数ＣａＯ＋ＭｇＯ／Ｓｉ０２＋ＭｎＯ＋Ｔｉ０２＋Ａ１２０３≥１．２的标准，活性指数在１．５％以上，高于一般矿渣的活性指数。矿渣经烘干、研磨后成为超细的矿渣微粉，比表面积＞１４９０ｍ２／ｋｇ，密度

２．９７

究，Ｄ．Ｐａｎｉａｓ等喇备了粉煤灰基地质聚合物材料，并研究了水、

ＮａＯＨ以及硅酸钠对抗压强度的影响；ＺｈａｎｇＹｕｎｓｈｅｎｇ等嗍对矿渣基地质聚合物材料的合成及固化重金属作用进行了研究；

收稿日期：２００８－０１－０９

基金项目：空军工程大学工程学院优秀博士学位论文创新基金（Ｂｃ０７００２）

・５８・

ｇ，／ｃｍ３，水化性能，耐腐蚀、后期强度和活性都有很大的提高，

化学成分见表ｌ。

万方数据

表１矿渣的化学组成

成分含量

ＣａＯ３８．５５

Ｓｉ０２２９．４４

％

ＳＯ，３

Ｃｌ—ＬｏｓｓＯ．Ｏｌ

Ｏ．３６

县石灰石碎石，级配为：粒径５～１０ｍｍ，１５％；１０－２０ｍｉｌｌ，８５％。

水：一般自来水。

Ａ１２０，

１９．５７

ＭｎＯ２．７７

ＭｇＯ

１０

１．２配合比设计

试验用到的原材料有：矿渣、粉煤灰、砂、碎石、自来水、液体硅酸钠和氢氧化钠，其中液体硅酸钠和氢氧化钠为激发剂，试验时，将氢氧化钠和液体硅酸钠以不同的质量比溶于水中，制成不同浓度的碱液，以供使用。

类似于普通硅酸盐水泥混凝土配合比设计中的重要参数水灰比（Ｗ／Ｃ）和砂率，定义水与矿渣和粉煤灰的质量比值为水胶比（Ｗ／Ｂ），设水、矿粉和粉煤灰的质量分别为ｍｈｍ２和／７／，，，用公式可表示为：

粉煤灰：采用韩城第二发电厂生产的Ｉ级粉煤灰，密度

２．０５酢ｍ３，比表面积，＞３５５ｍ２／ｋｇ，化学成分见表２。

袭２粉煤灰的化学组成

成分

ｓｉ０２

Ａ１２０３３１．３４

Ｆｅ４３，ＣａＯ７．２２

５．３５

Ｓ０３０．１４

Ｔｉ０２３．６２

Ｎａ２００．１１

％

Ｋ如Ｌｏｓｓ

０．３８

１．２４

含量５０．６０

硅酸钠：来自南京合一化工厂，液态，模数为３．０－３．３。添加硅酸钠的目的是调节试验体系中的Ｎａ２０／ＳｉＯ：比值，为铝硅酸盐聚合反应提供强碱性环境，同时硅酸钠在聚合反应过程中还起到模板和骨架作用，主要为调节地质聚合物材料凝结时间的外加剂圈。

氢氧化钠：高浓度的氢氧化钠溶液是铝硅酸盐聚合反应的激活剂。采用东莞市乔声电子科技有限公司生产的化学纯氢氧化钠片状固体。

骨料：细骨料为灞河中砂，细度模数为２．８；粗骨料为泾阳

水胶比（ｗ值）＝—！！Ｉ

ｍｍ３

砂率Ｓ的定义与普通硅酸盐水泥混凝土配合比设计中的砂率相同，为砂的体积与砂石总体积的比值。

原料配合比如表３所示。

表３试验配合比设计

１．３试件成型

主要工艺参数：为提高各组分的均匀分散性，向搅拌机内先加入水泥、粉煤灰，搅拌３０ｓ；再加入砂、碎石，搅拌３０ｓ；最后加入碱溶液，搅拌１２０Ｓ。将拌合物加入按公称尺寸定制的模具中，为防止混凝土试样与模具粘接，模具在使用前清洁内表面并在内表面涂一层矿物油脂；装有拌合物的模具放置在振动台上振实。当表面出现水泥浆时，用抹刀抹平表面并停止振动；振实试样在（２０±５）℃的环境中静置一昼夜，然后编号脱模，脱模后立即放入温度为（２０ｊ：２）℃，相对湿度９５％以上的标准养护室中养护，分别养护７、１４ｄ和２８ｄ后，进行抗压强度测试。

试件规格：１５０ｎｌｍ（长）ｘｌＳ０ａｒｍ（宽）ｘ１５０咖（高）。试件

的制作参考执行ＧＢＦＦ５００８１－－２００２（普通混凝土力学性能试验方法标准》。成型工艺流程如图１所示。

２试验结果及分析

２．１试验结果

对制备的矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土拌合物进行坍落度测试，分别对７．１４ｄ和２８ｄ养护龄期的试件进行抗压强

图１试件成型工艺流程

度测试，试验结果见表４。

表４试验结果

２．２水胶比对矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土抗压强度的影响

在试验中，共进行了４种不同水胶比试件抗压强度和坍落度的测试，Ａ组试样的水胶比为０．２４，Ｂ组试样的水胶比分别为０．２６、Ｏ．２９和０．３１。为了便于分析，绘制水胶比和不同龄期抗压强度以及

由图２、３可见：水胶比对地质聚合物混凝土抗压强度有很大影响，随着水胶比的增大，试件各龄期的抗压强度先增大后减小；当水胶比为０．２６时，试件各龄期的抗压强度最大。当水胶比为０．２６，砂率为０．４０，氢氧化钠和硅酸钠的质量比为０．２９，碱溶液的浓度为５６％时，制备的地质聚合物混凝土试件的７、１４ｄ和

２８

坍诺强期关系的直方图以及曲线图，如图２、３、４，５所示。

万方数据

ｄ龄期的抗压强度分别达到了４０．４、５０．３ＭＰａ和６０．２０ＭＰａ。

・５９・

圈２水胶比对不同龄期抗压强度的影响

山

讨

盏、倒骶幽寰；

２

水胶比

圈３水胶比对不同龄期抗压强度的影响

１４０

１２０

１００

童８０

鹄

篓６０

４０２０

Ｏ

０．２４

０．２６

０．２９

０．３１

水胶比

圈４水胶比对坍落度的影响

日、

日憾

镶

客

水股比

圈５水胶比对坍落度的影响

水胶比太小时，相对于粉煤灰和矿渣来说，水的含量太低，不足以使粉煤灰和矿渣充分反应，不利于聚合过程的持续进行，不能反应生成足够的聚合产物；同时，也不利于胶凝材料和

・６０・

万方数据

骨料之间的黏结，使生成的混凝土中骨料和凝固的胶凝材料浆体之间存在较多的微裂缝，最终使制备的混凝土存在化学成分和物理性能两方面的缺陷，降低了抗压强度。水胶比太大时，相对于粉煤灰和矿渣来说，水的含量高，粉煤灰和矿渣可以充分参与反应，但作为激发剂的碱溶液的浓度因此降低了，不利于粉煤灰和矿渣活性的发挥，最终影响了混凝土的化学成分，使抗压强度降低。

综上所述：制备矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土时。为了达到较高的强度，存在一个最佳水胶比，以此水胶比来制备矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土，既可以使矿渣和粉煤灰的活性被激发，充分参与反应，又可以使矿渣一粉煤灰浆体与骨料之

间的黏结作用增强，最终使制备的矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土材料达到较高的强度。

２．３水胶比对矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土和易性的影响

和易性是指混凝土拌合物易于施Ｔ操作（拌和、运输、浇灌、捣实），并能获至质量均匀、成型密实的性能，它是一项综合的技术性质，包括有流动性、黏聚性和保水性等３方面的定义唧。由于在坍落度试验时，观察到制备的矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土的黏聚性和保水性良好，因此，通过水胶比对流动性指标坍落度的影响来分析水胶比对和易性的影响。

由图４、５可见：水胶比对地质聚合物混凝土的坍落度有一定

影响，随着水胶比的增大，试件的坍落度逐渐增大，在拌合物具有良好黏聚性和保水性的前提下，也就是说试件的和易性逐渐增强。

Ｄ．Ｐａｎｉａｓ等通过试验研究了水的含量对粉煤灰基地质聚合物材料抗压强度的影响，指出水的含量是影响地质聚合物的抗压强度发展的关键因素，因为水在原料的溶解、缩聚作用的发挥以及凝结硬化方面起着重要作用，减少水含量町以提高地质聚合物的抗压强度，然而水含量过低时，原料颗粒不能充分变湿，地质聚合物材料会影响地质聚合物材料的和易性。难以成型。该观点和本试验的结果基本一致，为了达到较高的抗压强度和良好的和易性。水的含量既不能太高，也不能太低，太高会降低强度，太低则会影响和易性，例如Ａ２和Ａ３组的试验，就是因为水的含量太低，进而影响了和易性，使材料难以成型。

２．４矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土强度增长规律

分析

根据试验结果绘制试件抗压强度和龄期的关系曲线，如图６所示。可见：粉煤灰—矿渣基地质聚合物混凝土抗压强度增长很快，其７ｄ龄期抗压强度最小达到了３６．７ＭＰａ，最大达到了４０．４ＭＰａ；

试验龄期／ｄ

图６抗压强度和试验龄期的关系曲线

１４ｄ龄期抗压强度最小达到了４５．７ＭＰａ，最大达到了５０．３ＭＰａ；２８

ｄ龄期抗压强度最小达到了５４．７ＭＰａ．最大达到了６０．２０ＭＰａ；抗压强度在前７ｄ增长比较快，后期逐渐变慢。

为了进一步研究抗压强度和龄期之间的关系，考察抗压强

度和龄期的对数之间的关系，为便于分析。绘制抗压强度和龄期对数之间的关系曲线，如图７所示。

试验龄期的对敦

图７抗压强度和试验龄期对数的关系曲线

由图７可见：抗压强度和试验龄期对数之间近似成线性关系，随着试验龄期的增加，抗压强度近似呈线性增长。

综上所述。矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土具有稳定的强度增长性能。随着试验龄期的增加，抗压强度的增加由快变慢，抗压强度比较高，强度特性稳定。

２．５矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土的社会、经济以及军事意义

矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土的主要原料为粉煤灰和矿渣，而粉煤灰和矿渣作为电厂和钢铁厂的固体废弃物大量存在，不仅占用大量土地，还造成严重的环境污染！利用粉煤灰和矿渣来制备地质聚合物混凝土，不仅可以有效利用固体废弃物、节省土地资源、减少环境污染，还可以把制备的产品作为建筑材料来应用，应用前景良好。目前有效利用的粉煤灰和矿渣只是极小的一部分。研究如何利用粉煤灰和矿渣来制备具有优异物理、化学和力学性能的地质聚合物混凝土具有显著的社会、经济意义。利用矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土的快凝早强性能用于机场跑道、通讯设施、道路桥梁、军事设施的快速建造与修复，具有一定的军事意义。

３结论

（１）以矿渣、粉煤灰为原料，以液体硅酸钠和氢氧化钠为激・上接第４４页

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ

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万方数据

发剂，在标准养护条件下可以成功制备具有较高抗压强度和良好和易性的矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土。

（２）水胶比对矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土的抗压强度和和易性有很大的影响。随着水胶比的增大，试件各龄期的抗压强度先增大后减小。试样的和易性逐渐增强；当水胶比为０．２６，砂率为０．４０，氢氧化钠和硅酸钠的质量比为０．２９，碱溶液的浓度为５６％时，制备的粉煤灰一矿渣基地质聚合物混凝土的

坍落度为１１０姗，标准养护条件下７、１４ｄ和２８ｄ龄期的抗压

强度分别达到了４０．４、５０．３ＭＰａ和６０．２０ＭＰａ，具有较高的抗压强度和良好的和易性。

（３）矿渣一粉煤灰基地质聚合物混凝土是一种快速凝结硬化材料。早期强度高，强度特性稳定，随着试验龄期的延长，抗压强度不断增长，但增速降低。

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作者简介：范飞林（１９８３一），男，硕士研究生，主要从事防护工程研究。

单位地址：

陕西省西安市空军工程大学工程学院五系研究生十五队（７ｌ００３８）

１３５７２４１４８２７

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作者简介：朱江（１９６５一），女，主任，博士，副教授。主要研究方向：复合

材料理论及其工程应用。

单位地址：广州市番禺区广州大学城广东工业大学建没学院（５１０００６）

１３６６００７４３４０

・６ｌ・

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