粉煤灰基矿物聚合物抗硫酸盐溶液侵蚀性能研究.doc

粉煤灰基矿物聚合物抗硫酸盐溶液侵蚀性能研究 核心提示中文摘要研究利用粉煤灰和水玻璃溶液制备的粉煤灰基矿物聚合物在5MgSO4溶液、5Na2SO4溶液5及MgSO45Na2SO4混合溶液浸泡150 d时抗压强度和表观密度的变化情况.结果表明,粉煤灰基矿物聚合物在不同硫酸盐溶液中表现出的耐久性有差异.在5MgSO4溶液中,利用硅酸钠水玻璃和... 中文摘要研究利用粉煤灰和水玻璃溶液制备的粉煤灰基矿物聚合物在5MgSO4溶液、5Na2SO4溶液5及MgSO45Na2SO4混合溶液浸泡150 d时抗压强度和表观密度的变化情况.结果表明,粉煤灰基矿物聚合物在不同硫酸盐溶液中表现出的耐久性有差异.在5MgSO4溶液中,利用硅酸钠水玻璃和氢氧化钠、氧氧化钾混合激发剂制备的试块FK,其抗压强度基本保持不变,而利用硅酸钠水玻璃和氢氧化钠混合激发剂制备的试块FN,其抗压强度下降18.4.在5Na2SO4溶液中,FK试块抗压强度提高了30.2,FN试块的抗压强度却降低了23.在5MgSO45Na2SO4混合溶液中,试块FK的抗压强度提高了34.1,试块FN的抗压强度降低了7.3.分析认为,硫酸盐溶液对粉煤灰基矿物聚合物的影响与扩散作用有关.此外,试块在硫酸盐中的耐久性的差异与制各试块所用激发剂溶液中碱金属离子种类、硫酸盐溶液中阳离子类型和硫酸盐溶液的浓度有关. 0 前 言 从20世纪70年代矿物聚合物诞生至今，国内外研究人员对其进行了大量的研究。如最初主要以高岭土和煅烧高岭土为主，研究其成分特点、煅烧温度和时间、碱激发剂溶液的浓度、种类等对矿物聚合作用的影响及反应机理、矿物聚合物的微观结构等。此后，HuaXu等致力研究利用天然铝硅酸盐矿物制备矿物聚合物的技术。20世纪90年代后期开始了利用粉煤灰粉等工业废弃物制备矿物聚合物的研究[1-8]。我国从20世纪90年代后期和21世纪初才开始了矿物聚合物制备技术的研究[9-11]。以上诸多的研究工作，主要是针对矿物聚合物的制备技术进行的，即主要研究原材料的成分、结构，激发剂溶液的性能，养护制度等因素对矿物聚合物的反应过程、微观结构的影响，而对矿物聚合物各项性能的研究很少，尤其是对粉煤灰基矿物聚合物性能的研究更少。作者在对粉煤灰基矿物聚合物的制备技术系统研究的基础上[12-14]，优选了合适的激发剂溶液和养护制度，以此对粉煤灰基矿物聚合物的技术性能进行全面研究，本文重点研究了粉煤灰基矿物聚合物抗硫酸盐腐蚀性能。 1 原材料及试验方法 1.1 原材料 粉煤灰北京石景山热电厂的Ⅰ级粉煤灰，主要化学成分见表1。表1 粉煤灰的化学成分 激发剂溶液由市售硅酸钠水玻璃和氢氧化钠、氢氧化钾试剂及水配制而成，分别称为钠激发剂溶液和钠钾激发剂溶液。激发剂溶液的含固量为32，模数为1.2。硫酸盐溶液浸泡试验所用硫酸盐溶液分别为5MgSO4溶液、5Na2SO4溶液及5MgSO4和5Na2SO4的混合溶液。 3.04 2.18 5.40 33.42 47.80 1.16 粉煤灰基矿物聚合物抗硫酸盐溶液侵蚀性能研究侯云芬 1,2,王栋民 2,周文娟 1,路宏波 1,王林 1［1.北京建筑工程学院，北京 100044； 2.中国矿业大学（北京），北京 100083］ 摘要研究利用粉煤灰和水玻璃溶液制备的粉煤灰基矿物聚合物在5MgSO4溶液、5Na2SO4溶液5及MgSO45Na2SO4混 合溶液浸泡150d时抗压强度和表观密度的变化情况。结果表明，粉煤灰基矿物聚合物在不同硫酸盐溶液中表现出的耐久性有差异。在5MgSO4溶液中，利用硅酸钠水玻璃和氢氧化钠、氢氧化钾混合激发剂制备的试块FK，其抗压强度基本保持不变，而利用硅酸钠水玻璃和氢氧化钠混合激发剂制备的试块FN，其抗压强度下降18.4。在5Na2SO4溶液中，FK试块抗压强度提高了30.2， FN试块的抗压强度却降低了23。在5MgSO45Na2SO4混合溶液中，试块FK的抗压强度提高了34.1，试块FN的抗压强度降低了7.3。分析认为，硫酸盐溶液对粉煤灰基矿物聚合物的影响与扩散作用有关。此外，试块在硫酸盐中的耐久性的差异与制备试块所用激发剂溶液中碱金属离子种类、硫酸盐溶液中阳离子类型和硫酸盐溶液的浓度有关。 关键词粉煤灰；矿物聚合物；硫酸盐；耐久性 [1.BeijingInstituteofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China; 2.ChinaUniversityofMiningandTechnologyBeijing,Beijing100083,China] 作者简介侯云芬，女，1968年生，内蒙古丰镇人，博士，副教授。全国中文核心期刊 41 转载新型建筑材料 2008.7 1.2 试验方法 将一定量的粉煤灰倒入水泥净浆搅拌锅中，加入规定量的激发剂溶液，搅拌均匀后，装入20mm20mm20mm试模 中，振动成型，在标准养护箱中养护24h后脱模，再在80℃ 的蒸汽养护箱中养护2d，测试质量及抗压强度，并将其余试块放置在硫酸盐溶液中浸泡 15、30、45、60、90、120、150d后测试质量和抗压强度。其中利用钠激发剂制备试块称为钠激发剂试块（FN），利用钠钾激发剂制备的试块称为钠钾激发剂试块（FK）。 2 试验结果与讨论 2.1 硫酸盐溶液对试块抗压强度的影响 图1～图3显示了2种激发剂溶液制备的粉煤灰基矿物 聚合物试块（即FN和FK）的抗压强度在不同硫酸盐溶液中随浸泡时间的变化情况。 图1 在5MgSO4溶液中浸泡时抗压强度的变化 图2 在5Na2SO4溶液中浸泡时抗压强度的变化 图3 在5MgSO45Na2SO4溶液中浸泡时抗压强度的变化 由图1可以看出，在 5MgSO4溶液中最初浸泡的 15d内，FN和FK的抗压强度均有所提高，其中FK增加率达到 48.2，FN增加4.8；其后有所下降，浸泡60d后下降趋于 稳定。浸泡150d后，FN试块抗压强度总体下降了 18.4， FK试块抗压强度基本上与初始抗压强度一样。由图2可以看出，在5Na2SO4溶液中最初浸泡的30d内，FN和 FK 2种试块的抗压强度分别增加了 4.8和 67.8，随后FN试块的抗压强度缓慢下降，并趋于稳定；到 150d时，总体抗压强度下降了23.0；而对于FK试块尽管后期抗压强度有所下降，但由于最初有比较显著的增长，最终的抗压强度仍然高于初始值，即提高了30.2。由图3可以看出，在5MgSO4和5Na2SO4的混合溶液 中，FN和FK试块的总体抗压强度最高，其中FN试块抗压强 度变化很小，最终150d时只下降了7.3；FK在浸泡15d后大幅度提高了68.6，尽管随后有所降低，但是最终抗压强度仍提高了34.1。进一步比较不同硫酸盐溶液对2种试块抗压强度的影响情况，见图4和图5。 图4 FN试块抗压强度随浸泡时间的变化 由图4可见，在最初的30d内，3种硫酸盐溶液对FN试块的影响相似，均使抗压强度有所增加，之后呈现不同程度的下降趋势，相比而言，5Na2SO4溶液的腐蚀影响最大，混合溶液的影响程度最小。 图5 FK试块抗压强度随浸泡时间的变化 从图5可以看出，在整个浸泡试验过程中，抗压强度在最初的1530d有明显增大，虽然随后有所下降，但是最终的抗侯云芬,等粉煤灰基矿物聚合物抗硫酸盐溶液侵蚀性能研究 42 压强度均不低于初始强度。比较发现，5MgSO4溶液的影响最大，与FN试块一样，混合硫酸盐溶液的影响程度最小。 2.2 硫酸盐溶液对试块表观密度的影响 观察发现，浸泡在硫酸盐溶液中的试块表面没有肉眼可见的缺陷，浸泡几个月后试块表面仍然与浸泡之前一样光滑。测试其体积质量随浸泡时间的变化，结果见图6和图7。 图6 FN试块体积质量随浸泡时间的变化 图7 FK试块体积质量随浸泡时间的变化 由图5、图6可见，浸泡15d后2种试块的质量都有所增大，最大增幅为6.85，最小增幅为3.37。此后随着浸泡时间延长，试块的质量略有降低，到120d时，基本达到一致， FN试块最终在3种硫酸盐溶液中的质量增加4.11，FK试块质量增加了2.72。 2.3 讨论 以前的研究表明，矿物聚合物是由[SiO4]四面体和[AlO4]四面体通过桥氧连接而成的非晶体的三维网络结构，在这个网络结构中四配位的Al使体系呈现负电性，需要有Na、K或是由于它们是起中和电价的作用而存在网络结构中，不会与硫酸盐反应，发生类似硫酸盐腐蚀硅酸盐水泥石的化学反应。由于矿物聚合物的铝硅酸凝胶特性，使其与硫酸盐间的相互作用不同于硅酸盐水泥与硫酸盐间的反应。分析认为硫酸盐对矿物聚合物的腐蚀作用主要和扩散作用有关。在浸泡最初的1530d，FN和FK试块抗压强度的增大主要是由于硫酸盐溶液中的阳离子向矿物聚合物内部扩散所 致，2种试块质量在此阶段增大也可证明这一结论。其中FK 初始抗压强度较低，说明其内部交叉连接的铝硅聚合程度较低，结构不稳定，而硫酸盐阳离子的扩散促进了聚合反应，提高了聚合程度，增强了结构的稳定性。此后，随着浸泡时间的延长，矿物聚合物中的碱离子开始从矿物聚合物向硫酸盐溶液迁移，致使试块的抗压强度有所下降，同时表现出其质量略有降低；经过长时间的双向离子扩散迁移，最终达到了相对平衡状态，试块的抗压强度趋于稳定，质量变化也达到稳定水平。至于2种试块在不同硫酸盐溶液中所表现出的性能差异，与试块自身的微观结构、孔结构、比表面积等因素有关，需 要进一步的微观研究。 粉煤灰基矿物聚合物在硫酸盐溶液中表现出的耐久性有差异。本试验试块在硫酸盐中的耐久性与所用激发剂溶液中碱金属离子种类、硫酸盐溶液中阳离子类型和硫酸盐溶液的浓度有关。在5MgSO45Na2SO4溶液中，2种激发剂溶液制备的试块其性能均降低最小，而在 5MgSO4溶液和 5璃和氢氧化钠、氢氧化钾混合激发剂溶液制备的试块在各种硫酸盐溶液中的性能表现良好，在硫酸盐溶液中浸泡150d后，其抗压强度最高提高34.1；而用硅酸钠水玻璃和氢氧化钠混合激发剂制备试块在各种硫酸盐溶液中抗压强度有不同程度的下降，最多降低了23.0。 参考文献 侯云芬,等粉煤灰基矿物聚合物抗硫酸盐溶液侵蚀性能研究新型建筑材料 2008.7作者简介陈德玉，男，1963年生，硕士，副教授。为了改善混凝土的抗渗性能，提高工程的耐久性，膨胀剂已在混凝土工程中被广泛使用。现在已有的混凝土膨胀剂种 类大致可分为硫铝酸盐类、氧化钙类、氧化镁类、氧化铁类膨 胀剂及发泡类膨胀剂等[1-2]。本研究利用低等级粉煤灰进行一种新型混凝土膨胀剂的制备和研究。基于目前我国粉煤灰排放量很大的现状，用低等级粉煤灰制备新型混凝土膨胀剂，可提高粉煤灰的自身价值，也为膨胀剂的制备提供了一条新的途径。在混凝土中引起膨胀的膨胀能来源于膨胀水泥或掺膨胀剂水泥的水化作用。水化作用生成硫铝酸钙水化物钙矾石（C3A3CaSO432H2O）而发生体积膨胀。能在水泥水化阶段产生钙矾石的是无水硫铝酸钙3CaO3Al2O3CaSO4，这与明矾石在水泥水化的碱介质和硫酸盐激发下形成钙矾石的原理 （17）3749-3756. 酸盐通报，1998，17（2）46-51.的试验研究[J].地球科学，2002，27（5）576-583.影响研究[J].水泥，2007（1）8-10.灰综合利用，2007（4）35-38.的影响[J].建筑材料学报，2007，10（2）99-103. 利用工业废渣制备新型混凝土膨胀剂的试验研究陈德玉,袁伟,谭克锋,刘来宝 （西南科技大学先进建筑材料四川省重点实验室，四川 绵阳 621010） 摘要以粉煤灰、石灰、石膏为主要原料，利用预水化活化技术制备新型胶凝材料，再以此胶凝材料与石膏、复合外加剂制备膨 胀剂。通过正交试验研究影响膨胀剂性能的因素，确定新型混凝土膨胀剂的最佳配比。并对该膨胀剂的性能进行了试验。结果表明，膨胀剂的性能符合JC4762001要求。 关键词粉煤灰；预水化活化；混凝土膨胀剂 SouthwestUniversityofScienceandTechnology,SichuanProvincialKeyLaboratoryof “““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““全国中文核心期刊