摘要: 以粉煤灰为主要原料配制了低碱度多孔混凝土,通过正交试验确定了铝粉掺量以及粉煤灰、生石灰、水泥、水的配合比. 研究结果表明:在本文实验范围内,粉煤灰掺量(质量分数) 达65 %～70 %的混凝土,其28 d 的pH 值可降至11. 50以下,满足低碱度、多孔的要求.
关键词: 混凝土; 正交试验; pH 值; 粉煤灰
中图分类号: TU528. 2 文献标识码:A
21 世纪要求混凝土既能减少对地球环境的负荷,又能与自然生态系统协调共生,为人类构造舒适的环境[1 ] . 混凝土的发展一方面要求低孔隙率、适宜碱度,以获得一定的强度;另一方面,在某些场合,为给植物提供生存场所[2 ,3 ] ,还要求确保混凝土有连续孔隙使植物根系能在其中生长繁茂. 这就要求混凝土的连续孔隙率达到18 %～35 % ,pH 值维持在不影响植物生长的水平. 传统混凝土显然不能适应这些要求,因此必须开发低碱度多孔混凝土. 本文对此进行了初步研究.
1 试验原料
根据低碱度、多孔的要求,选择水泥- 粉煤灰- 生石灰- 水系统,发泡剂为铝粉[4 ] . 其它原料有硅酸盐水泥、可溶油等.
粉煤灰:作为活性填充料加入配料. 其玻璃体中活性SiO2和活性Al2O3可与料浆中Ca (OH) 2发生反应,生成水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙. 粉煤灰化学成分如表1 所示,掺量(质量分数,下同) 为60 %～80 %.
硅酸盐水泥:水泥稠化较石灰慢而硬化较石灰快,因此有利于坯体硬化,生成的水化产物对多孔混凝土的早期强度有较大贡献,生成的Ca (OH) 2 为碱性激发剂,有利于铝粉发气. 本试验采用525R 普通硅酸盐水泥,初凝时间为121 min ,终凝时间为189 min ,化学成分见表1. 在实验中的用量为10 %～20 %.
磨细的生石灰:作为碱性激发剂加入料浆中,也是铝粉发气的促进剂. 生石灰的细度要求是用4 900孔筛筛余小于15 %. 石灰可与粉煤灰中的活性成分反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,成为多孔材料中的强度组分,又可提高料浆的温度,加速反应和坯体硬化. 本试验采用的生石灰含CaO 73. 9 %,实验中的掺入量为10 %～20 %.
稳泡剂:由油酸、三乙醇胺、水按体积比1∶3∶36 配制而成的可溶油.
2 实验方案及性能测定
采用正交设计[5 ] , 选取的因素包括铝粉、水泥、石灰的掺量,及水胶比(表2) . 铝粉掺量以胶凝材料的总量,即粉煤灰、生石灰、水泥3 种材料的质量之和计.表3 所示为按L 9 (34 ) 进行9 组试验的配方. 将物料干粉先搅拌均匀,加入水和稳泡剂,继续搅拌,然后倒入100 mm ×100 mm ×100 mm 的模具,静停发气,1 d后脱模,在湿空气中养护至28 d后按有关标准[6 ]进行抗压强度、吸水率和容重等性能的测定. 然后将一定龄期的混凝土破碎, 充分研磨, 过筛(0. 08 mm 方孔筛) , 称取10 g 试样, 加入100 g蒸馏水,用橡皮塞塞紧以防碳化,每隔5 min震荡一次, 2 h 后用酸度计测定pH值[7 ] .
3 实验结果的分析
正交试验9 组配方的性能测定结果见表4 ,pH 值和吸水率的极差分析见表5 ,其中KI ( I = 1 ,2 ,3) 为各因素对应3 水平试验结果之和; KI ( I = 1 ,2 ,3) 为KI/ 3 ;极差( range)R = Kmax - Kmin.
3. 1 四因素对混凝土孔隙液相碱度( pH值)的影响
从表5 中四因素极差大小看出,对混凝土孔隙液相碱度pH 值影响主次顺序为:生石灰> 铝粉> 水泥≈水胶比,可见生石灰和铝粉为主要影响因素. 图1 为四因素对pH 值的影响.从图1 可看出,pH 值随着铝粉量的增加而增加. 在铝粉掺量为0. 08 %～0. 10 %的范围内,增加的趋势比较明显,随着铝粉量的继续增加,pH值的变化趋缓. 随着水胶比的增加,混凝土的孔液碱度呈上
升趋势,这很有可能是因为随着水胶比的增加,水泥中的C3S ,C2S水化充分,溶出的Ca (OH) 2量增多,使pH 值增大. 随着水泥掺量的增加,pH 值略有降低. 随着生石灰掺量的增加,pH 值是呈上升趋势的,当生石灰掺量在10 %～15 %之间时,pH 值上升的趋势较缓,而在15 %～20 %之间时,碱度上升很快.
3. 2 四因素对混凝土吸水率的影响.
混凝土吸水率与材料的连通孔隙率密切相关,一般来说[8 ] ,吸水率越大,连通孔隙率也越大.由表5 所示的吸水率实验结果极差分析可见,影响吸水率的大小顺序为:铝粉> 水泥> 水胶比> 生石灰. 图2 为4 因素对混凝土吸水率的影响. 从图2 可以看出,铝粉掺量是影响多孔混凝土吸水率的主要因素. 随着铝粉掺量的增大,试块吸水率显著增加,这是因为随着铝粉掺量的增加,混凝土中的气孔量迅速增加所致.
从表3 ,4 可以看出,随着铝粉量的增加,产生的微气泡增加,在粉煤灰与水泥料浆中产生的气孔亦增多,故体积增大,容重降低. 另外,由于试块是在标准条件下进行养护的,与加气混凝土不同,粉煤灰的潜在活性难以被激发,导致试块28 d的抗压强度都偏低.
3. 3 混凝土标准养护条件下的水化过程及机理探讨
生石灰在混凝土中混合、搅拌、浇注成型时,遇水消解放出大量的热量,并生成Ca (OH) 2 . 放出的热量加速了硅酸盐水泥的水化,同时水泥水化生成的Ca (OH) 2作为碱性激发剂进一步激活了粉煤灰的活性,破坏了粉煤灰球形玻璃体的表面结构. Ca (OH) 2与粉煤灰中的活性组分发生火山灰反应,生成以水化硅酸钙和水化铝酸钙为主的水化产物,即为二次火山灰反应,其反应方程式为
xCa (OH) 2 + SiO2 + ( n - 1) H2O xCaO·SiO2·nH2O
xCa (OH) 2 + Al2O3 + ( n - 1) H2O－ xCaO·Al2O3·nH2O
铝粉在碱性条件下和水发生反应,其反应方程式为
2Al + 6OH－2 (AlO3) 3 - + 3H2 ↑
一般认为[9 ] ,粉煤灰玻璃珠表面相当致密,水化3 d 后,粉煤灰表面基本无变化,水化7 d 后表面被侵蚀程度也甚微,28 d 后在粉煤灰颗粒表面可发现明显的凝胶状水化产物. 90 d 粉煤颗粒表面才形成大量的CSH 产物,并伴有Ca (OH) 2晶体贯穿其中,它们相互交错连接,并具备一定的粘结强度.
4 结论
1. 在本试验范围内,随铝粉掺量增加,混凝土容重减小,吸水率升高,28 d 抗压强度降低,孔液碱度略有升高.
2. 配方2 (铝粉掺量为0. 08 % ,水胶比为0. 60 ,水泥掺量为20 % ,生石灰掺量为10 % ,粉煤灰占70 %) ,配方4 (铝粉掺量为0. 10 %,水胶比为0. 50 ,水泥掺量为20 % ,生石灰掺量为15 % ,粉煤灰占65 %) 所制得的混凝土性能较好.
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