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欧宝平台登录:碱矿渣-粉煤灰砂浆的耐高温性能及孔结构研究
更新日期:2022-07-07 23:28:10 来源:欧宝足球直播 作者:欧宝直播足球直播

  研究了不同粉煤灰掺量的碱矿渣-粉煤灰砂浆在20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃下力学性能的变化规律,并通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和压汞法(MIP)分析了浆体的水化及孔结构。结果表明:掺粉煤灰可优化浆体的孔径分布,降低内部孔隙率,提高砂浆的耐高温性能,粉煤灰的适宜掺量为30%~50%;200 ℃时,掺30%粉煤灰砂浆的抗压强度最高,较20 ℃时提高了49.3%;600 ℃时,发生了固相反应,C-S-H凝胶减少,少害孔(20~50 nm)数量增加,砂浆保持了与20 ℃相当的抗压强度;800 ℃时,浆体生成大量钙黄长石,砂浆的抗压强度为20 ℃时的11.5%,基本失去工作性能。综合考虑,碱矿渣-粉煤灰砂浆的使用温度不宜超过600 ℃。

  水泥作为最广泛使用的建筑材料,每年生产水泥会排放近15亿t CO2,加剧温室效应,并且水泥生产过程中排放的粉尘、SO2、氮氧化物、氟化物和有毒重金属等污染物会对环境造成负面影响。碱激发地质聚合物是指在激发剂的作用下具有水硬性的材料,硅酸盐天然矿物或固体废弃物均可作为原材料,如偏高岭土、矿渣、粉煤灰、钢渣等。碱激发地聚物的原材料来源广泛,制备工艺简单,符合我国建设环境友好型社会的要求,而且具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐久性能和耐高温性能。

  进入21世纪以来,火灾频率呈逐年上升的趋势。其中,建筑火灾约占80%,造成巨大损失。高温会导致混凝土性能劣化,对建筑结构安全造成威胁。因此,在建筑材料的选择和配合比设计中,耐高温性能是一个重要的考量因素。

  杨南如指出碱激发胶凝材料的导热系数在0.24~0.38 W/(m·K)之间,与轻质耐火黏土[0.3~0.4 W/(m·K)]接近。PARK等研究表明,温度高于400 ℃后碱矿渣-粉煤灰胶凝材料的强度开始下降,并产生N-A-S-H凝胶。RASHAD研究发现,在高温环境下碱矿渣水泥的残余强度高于硅酸盐水泥,且矿渣粒度越细,耐高温性能越好。SEO等研究发现,添加气凝胶可以改善碱矿渣-粉煤灰的孔结构,600 ℃时样品的孔结构较常温几乎无变化。目前,国内对碱激发矿渣-粉煤灰胶凝材料耐高温性能的研究较少,制约了碱激发胶凝材料在相关工程中的应用。由于粉煤灰具有良好的耐蚀性和热稳定性,将其作为辅助胶凝材料代替部分矿渣,不仅可以降低生产成本,而且有利于环境友好型社会的建设。

  本文以矿粉、粉煤灰、水玻璃、NaOH等为主要原材料,研究高温对碱矿渣-粉煤灰砂浆抗压强度的影响,利用XRD、FTIR、MIP方法对碱矿渣-粉煤灰砂浆的水化产物和孔结构进行分析。以期为碱矿渣-粉煤灰胶凝材料在高温环境中的应用提供参考。

  将粉体水玻璃均匀溶解于水中,冷却至室温后加入NaOH调节水玻璃模数M=1.5,碱掺量为5%(以Na2O占胶凝材料质量的百分比计),陈化24 h备用。粉煤灰取代率分别为0(空白组)、30%、50%、70%,各组试样的配合比见表2。

  根据 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》制备不同配合比砂浆试块。试块成型后在标准养护室中养护24 h脱模,在标准养护条件下继续养护至7 d。标准养护制度为:温度(20±2)℃,湿度≥95%。

  高温试验采用SX2-8-10NP型箱式电阻炉,额定功率8 kW,额定温度1 000 ℃。将养护至7 d龄期的砂浆试块放入电阻炉中,升至目标温度(200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃)后恒温2 h,随炉冷却至室温后取出试块,进行抗压强度试验。升温速率10 ℃/min。

  将养护至7 d的净浆试样经不同温度处理后去除表面并破碎,浸泡于无水乙醇中终止水化。3 d后取出放入40 ℃烘箱烘干至恒重,磨粉过0.075 mm筛,取筛后的粉末用于XRD分析。XRD试验采用DX-2700BH型X射线 kV,电流40 mA。

  将养护至7 d 的净浆试样经不同温度处理后去除表面并破碎,浸泡于无水乙醇中终止水化。3 d后取出放入40 ℃烘箱烘干至恒重,磨粉过0.075 mm筛,取筛后的粉末用于FTIR分析。试验采用天津某公司生产的FTIR-650型傅立叶变换红外光谱仪,使用KBr压片法,分辨率为4.0 cm -1 ,扫描波数为400~4000 cm -1 。

  将养护至7 d的净浆试样破碎成粒径小于5 mm的小块,浸泡于无水乙醇中终止水化。3 d后取出,并和经高温处理后的试样一起放入40 ℃烘箱烘干至恒重后进行测试。压汞试验选择型号为AutoPore IV9500的全自动压汞仪,测量孔径范围为0.003~1 100 μm。

  图1为不同温度下碱矿渣-粉煤灰砂浆的抗压强度变化规律。由图1可知,随着温度的升高,砂浆抗压强度先升后降。200 ℃时,砂浆抗压强度最高,与20 ℃时相比,S10组、S3F7组、S5F5组、S7F3组的抗压强度分别提高了20.2%、49.3%、49.2%、31.2%,这是由于200 ℃时,砂浆内部失去可蒸发水,结构变得更加致密。400 ℃时,S10组、S3F7组、S5F5组、S7F3组的抗压强度较20 ℃时分别提高了1.2%、27.6%、39.7%、29.4%,但相比200 ℃时有所降低。600 ℃时,S5F5组的抗压强度较20 ℃时提高了2.1%,而S10组、S3F7组、S7F3组较20 ℃时分别降低了31.1%,1.6%和4.7%。800 ℃时,各组砂浆的强度均显著降低。综上所述,碱矿渣-粉煤灰砂浆的适宜使用温度为200 ℃,不宜超过600 ℃。

  从图1还可以看出,20 ℃时,随着粉煤灰掺量增加,砂浆强度逐渐降低。S3F7组的强度相较于S10组降低了30.7%。在高温下,随着粉煤灰掺量的增加,砂浆强度基本呈先增加后降低趋势。200 ℃时,S7F3组的强度最高,为93.0 MPa,高于S10组19.4%。400 ℃时,S5F5组的强度最高,但较200 ℃时降低了5.3%。600 ℃时,S7F3组的强度最高,为61.3 MPa,与S5F5组的强度相差不大。800 ℃时,S5F5组的抗压强度为20 ℃时的11.5%。可见,粉煤灰的掺入可提高碱矿渣砂浆的耐高温性能,且粉煤灰的适宜掺量为30%~50%。

  XRD分析结果见图2。由图2(a)可知,20 ℃时各组净浆在30 °附近出现一个弥散峰,这说明碱矿渣与碱矿渣-粉煤灰净浆的主要水化产物为C-S-H凝胶。随粉煤灰掺量的增加,弥散峰宽度变窄,说明C-S-H凝胶数量减少,这是由于粉煤灰活性较低,在水化早期难以发生聚合,故粉煤灰掺量增加会降低砂浆试块的抗压强度。由图2(b)可知,200 ℃时,与S10组和S7F3组相比,S5F5组和S3F7组的C-S-H凝胶结晶度降低,但相较20 ℃各组的C-S-H凝胶弥散峰变宽,说明200 ℃时促进了水化,从而提高了砂浆的抗压强度。由图2(c)可知,温度高于400 ℃后,S7F3组的C-S-H凝胶已经开始脱去结合水,C-S-H凝胶数量减少,从而导致砂浆抗压强度不断下降;600 ℃时,在31 °附近出现了钙黄长石(Gehlenite)的衍射峰,产生了少量钙黄长石新相;800 ℃时,C-S-H凝胶弥散峰基本消失,且石英相峰值明显降低,这是因为发生了固相反应,生成了大量的钙黄长石,而此时的砂浆已出现裂缝,基本失去工作性。

  FTIR分析结果见图3、图4。从图3可以看出,3 435 cm -1 和1 655 cm -1 处所对应的吸收峰代表C-S-H凝胶中的结合水。1 458 cm-1附近峰为CO 3 2-吸收峰,这是由于试样经高温处理和研磨过程中吸收空气中的CO 2 发生碳化所致。962 cm -1 处吸收峰对应C-S-H凝胶特征峰。200 ℃时,962 cm -1 处吸收峰发生偏移,这说明可能有Al 3+ 替换了部分Si 4+ ,原有的铝硅玻璃体发生解聚参与水化;随粉煤灰掺量的增加偏移越明显,这说明200 ℃高温可以促进少量粉煤灰中玻璃体结构解聚参与水化反应,且粉煤灰掺量越高,促进效果越明显。

  从图4可以看出,随温度升高,962 cm -1 附近的吸收峰发生偏移越明显,这说明随温度的升高粉煤灰中的玻璃体会不断发生解聚参与反应。当温度由20 ℃增至600 ℃时,962 cm -1 处的吸收峰强度逐渐升高,这说明高温会促进水化反应,水化产物中晶体增多。但600 ℃时3 435 cm -1 和1 655 cm -1 处吸收峰强度明显降低,这说明在此温度下C-S-H凝胶失去部分结合水,对强度造成不利影响,这与XRD分析结果相吻合。

  孔隙率和孔径分布对砂浆的抗压强度有重要影响。吴中伟将孔划分为:无害孔(≤20 nm)、少害孔(20~50 nm)、有害孔(50~200 nm)、多害孔(≥200 nm)。各组浆体的累计孔体积和孔径分布分别如图5、图6所示。由图5、图6可知,20 ℃时浆体内部的孔体积主要由3~20 nm无害孔组成,掺入粉煤灰后浆体累计孔体积增加,砂浆强度降低。随温度升高,浆体累计孔体积呈先降后升的趋势。200 ℃时,浆体累计孔体积最小,S7F3组内部3~5 nm孔较多且分布均匀,孔径减小,无害孔数量增加。这可能是由于温度从20 ℃升至200 ℃的过程中加快了水化反应,同时浆体内部会失去部分自由水,使结构更加密实,从而提高了砂浆的抗压强度。400 ℃时,S7F3组的累计孔体积增加,孔径集中分布在无害孔3~10 nm之间,浆体内部孔径分布开始向大孔方向移动,抗压强度降低,说明C-S-H凝胶失去结合水导致试样内部结构稳定性降低,但其较20 ℃下的孔数量降低,内部结构较密实。600 ℃时,试样累计孔体积明显大于其他各组,说明温度升至600 ℃后,试样孔隙率增加,浆体内部出现较多孔径为20~50 nm范围内的少害孔。由此可见,温度高于200 ℃时,随温度升高试件内部孔径分布向大孔方向发展,导致砂浆强度逐渐降低。

  (1)粉煤灰取代率为30%~50%时,可以提高碱矿渣-粉煤灰砂浆的耐高温性能。200 ℃时,掺加30%粉煤灰砂浆的抗压强度最高,较20 ℃时提高了49.3%;温度高于400 ℃后,抗压强度有所降低,600 ℃时,掺30%~50%粉煤灰的砂浆仍保持与20 ℃相当的抗压强度;碱矿渣-粉煤灰砂浆的使用温度不宜超过600 ℃。

  (2)20 ℃时,碱矿渣与碱矿渣-粉煤灰砂浆的主要水化产物为C-S-H凝胶,掺粉煤灰会导致砂浆强度降低,掺70%粉煤灰砂浆的抗压强度较空白组降低了30.7%。

  (3)200 ℃时,浆体中的C-S-H凝胶数量增加,细化了孔径,结构最致密;随着温度升高,C-S-H凝胶数量减少,不利于孔的优化;800 ℃时,C-S-H凝胶基本消失,生成了大量的钙黄长石,砂浆抗压强度降至20 ℃时的11.5%,基本失去工作性能。

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