摘要: 以粉煤灰為主要原料配制了低堿度多孔混凝土,通過正交試驗確定了鋁粉摻量以及粉煤灰、生石灰、水泥、水的配合比. 研究結(jié)果表明:在本文實驗范圍內(nèi),粉煤灰摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 達(dá)65 %～70 %的混凝土,其28 d 的pH 值可降至11. 50以下,滿足低堿度、多孔的要求.
關(guān)鍵詞: 混凝土; 正交試驗; pH 值; 粉煤灰
中圖分類號: TU528. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
21 世紀(jì)要求混凝土既能減少對地球環(huán)境的負(fù)荷,又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生,為人類構(gòu)造舒適的環(huán)境[1 ] . 混凝土的發(fā)展一方面要求低孔隙率、適宜堿度,以獲得一定的強(qiáng)度;另一方面,在某些場合,為給植物提供生存場所[2 ,3 ] ,還要求確?；炷劣羞B續(xù)孔隙使植物根系能在其中生長繁茂. 這就要求混凝土的連續(xù)孔隙率達(dá)到18 %～35 % ,pH 值維持在不影響植物生長的水平. 傳統(tǒng)混凝土顯然不能適應(yīng)這些要求,因此必須開發(fā)低堿度多孔混凝土. 本文對此進(jìn)行了初步研究.
1 試驗原料
根據(jù)低堿度、多孔的要求,選擇水泥- 粉煤灰- 生石灰- 水系統(tǒng),發(fā)泡劑為鋁粉[4 ] . 其它原料有硅酸鹽水泥、可溶油等.
粉煤灰:作為活性填充料加入配料. 其玻璃體中活性SiO2和活性Al2O3可與料漿中Ca (OH) 2發(fā)生反應(yīng),生成水硬性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣. 粉煤灰化學(xué)成分如表1 所示,摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同) 為60 %～80 %.
硅酸鹽水泥:水泥稠化較石灰慢而硬化較石灰快,因此有利于坯體硬化,生成的水化產(chǎn)物對多孔混凝土的早期強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn),生成的Ca (OH) 2 為堿性激發(fā)劑,有利于鋁粉發(fā)氣. 本試驗采用525R 普通硅酸鹽水泥,初凝時間為121 min ,終凝時間為189 min ,化學(xué)成分見表1. 在實驗中的用量為10 %～20 %.
磨細(xì)的生石灰:作為堿性激發(fā)劑加入料漿中,也是鋁粉發(fā)氣的促進(jìn)劑. 生石灰的細(xì)度要求是用4 900孔篩篩余小于15 %. 石灰可與粉煤灰中的活性成分反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,成為多孔材料中的強(qiáng)度組分,又可提高料漿的溫度,加速反應(yīng)和坯體硬化. 本試驗采用的生石灰含CaO 73. 9 %,實驗中的摻入量為10 %～20 %.
穩(wěn)泡劑:由油酸、三乙醇胺、水按體積比1∶3∶36 配制而成的可溶油.
2 實驗方案及性能測定
采用正交設(shè)計[5 ] , 選取的因素包括鋁粉、水泥、石灰的摻量,及水膠比(表2) . 鋁粉摻量以膠凝材料的總量,即粉煤灰、生石灰、水泥3 種材料的質(zhì)量之和計.表3 所示為按L 9 (34 ) 進(jìn)行9 組試驗的配方. 將物料干粉先攪拌均勻,加入水和穩(wěn)泡劑,繼續(xù)攪拌,然后倒入100 mm ×100 mm ×100 mm 的模具,靜停發(fā)氣,1 d后脫模,在濕空氣中養(yǎng)護(hù)至28 d后按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6 ]進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、吸水率和容重等性能的測定. 然后將一定齡期的混凝土破碎, 充分研磨, 過篩(0. 08 mm 方孔篩) , 稱取10 g 試樣, 加入100 g蒸餾水,用橡皮塞塞緊以防碳化,每隔5 min震蕩一次, 2 h 后用酸度計測定pH值[7 ] .
3 實驗結(jié)果的分析
正交試驗9 組配方的性能測定結(jié)果見表4 ,pH 值和吸水率的極差分析見表5 ,其中KI ( I = 1 ,2 ,3) 為各因素對應(yīng)3 水平試驗結(jié)果之和; KI ( I = 1 ,2 ,3) 為KI/ 3 ;極差( range)R = Kmax - Kmin.
3. 1 四因素對混凝土孔隙液相堿度( pH值)的影響
從表5 中四因素極差大小看出,對混凝土孔隙液相堿度pH 值影響主次順序為:生石灰> 鋁粉> 水泥≈水膠比,可見生石灰和鋁粉為主要影響因素. 圖1 為四因素對pH 值的影響.從圖1 可看出,pH 值隨著鋁粉量的增加而增加. 在鋁粉摻量為0. 08 %～0. 10 %的范圍內(nèi),增加的趨勢比較明顯,隨著鋁粉量的繼續(xù)增加,pH值的變化趨緩. 隨著水膠比的增加,混凝土的孔液堿度呈上
升趨勢,這很有可能是因為隨著水膠比的增加,水泥中的C3S ,C2S水化充分,溶出的Ca (OH) 2量增多,使pH 值增大. 隨著水泥摻量的增加,pH 值略有降低. 隨著生石灰摻量的增加,pH 值是呈上升趨勢的,當(dāng)生石灰摻量在10 %～15 %之間時,pH 值上升的趨勢較緩,而在15 %～20 %之間時,堿度上升很快.
3. 2 四因素對混凝土吸水率的影響.
混凝土吸水率與材料的連通孔隙率密切相關(guān),一般來說[8 ] ,吸水率越大,連通孔隙率也越大.由表5 所示的吸水率實驗結(jié)果極差分析可見,影響吸水率的大小順序為:鋁粉> 水泥> 水膠比> 生石灰. 圖2 為4 因素對混凝土吸水率的影響. 從圖2 可以看出,鋁粉摻量是影響多孔混凝土吸水率的主要因素. 隨著鋁粉摻量的增大,試塊吸水率顯著增加,這是因為隨著鋁粉摻量的增加,混凝土中的氣孔量迅速增加所致.
從表3 ,4 可以看出,隨著鋁粉量的增加,產(chǎn)生的微氣泡增加,在粉煤灰與水泥料漿中產(chǎn)生的氣孔亦增多,故體積增大,容重降低. 另外,由于試塊是在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的,與加氣混凝土不同,粉煤灰的潛在活性難以被激發(fā),導(dǎo)致試塊28 d的抗壓強(qiáng)度都偏低.
3. 3 混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的水化過程及機(jī)理探討
生石灰在混凝土中混合、攪拌、澆注成型時,遇水消解放出大量的熱量,并生成Ca (OH) 2 . 放出的熱量加速了硅酸鹽水泥的水化,同時水泥水化生成的Ca (OH) 2作為堿性激發(fā)劑進(jìn)一步激活了粉煤灰的活性,破壞了粉煤灰球形玻璃體的表面結(jié)構(gòu). Ca (OH) 2與粉煤灰中的活性組分發(fā)生火山灰反應(yīng),生成以水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣為主的水化產(chǎn)物,即為二次火山灰反應(yīng),其反應(yīng)方程式為
xCa (OH) 2 + SiO2 + ( n - 1) H2O xCaO·SiO2·nH2O
xCa (OH) 2 + Al2O3 + ( n - 1) H2O－ xCaO·Al2O3·nH2O
鋁粉在堿性條件下和水發(fā)生反應(yīng),其反應(yīng)方程式為
2Al + 6OH－2 (AlO3) 3 - + 3H2 ↑
一般認(rèn)為[9 ] ,粉煤灰玻璃珠表面相當(dāng)致密,水化3 d 后,粉煤灰表面基本無變化,水化7 d 后表面被侵蝕程度也甚微,28 d 后在粉煤灰顆粒表面可發(fā)現(xiàn)明顯的凝膠狀水化產(chǎn)物. 90 d 粉煤顆粒表面才形成大量的CSH 產(chǎn)物,并伴有Ca (OH) 2晶體貫穿其中,它們相互交錯連接,并具備一定的粘結(jié)強(qiáng)度.
4 結(jié)論
1. 在本試驗范圍內(nèi),隨鋁粉摻量增加,混凝土容重減小,吸水率升高,28 d 抗壓強(qiáng)度降低,孔液堿度略有升高.
2. 配方2 (鋁粉摻量為0. 08 % ,水膠比為0. 60 ,水泥摻量為20 % ,生石灰摻量為10 % ,粉煤灰占70 %) ,配方4 (鋁粉摻量為0. 10 %,水膠比為0. 50 ,水泥摻量為20 % ,生石灰摻量為15 % ,粉煤灰占65 %) 所制得的混凝土性能較好.
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