废弃混凝土粉体地聚合物改性试验研究_张久洪.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）0引言随着我国城镇化建设的迅猛发展，大量不符合使用要求的混凝土建（构）筑物被拆除或改造，产生了大量废弃混凝土，然而这些废弃混凝土除了小部分用于铺筑道路路基、建筑物基础垫层以及非结构填料外，绝大部分未经处理直接运往远郊堆放或填埋，不仅造成资源上的极大浪费，同时也会对环境造成一定程度的污染。目前，对废弃混凝土的研究主要集中在再生骨料的利用方面，而对废弃混凝土粉体重视不够，人们都是将废弃混凝土粉体进行粉磨煅烧后取代部分水泥作为胶凝材料，但这种方式能源消耗高且利用率低。地聚合物是一种以天然矿物或固体废弃物或人工硅铝化合物为原料的新型碱激发无机胶凝材料，在常温或高温条件下通过激发剂作用，形成一种由Si(OH)4和Al(OH)4结构单元通过共用氧交替键合材料。废弃混凝土粉体中包含大量的SiO2、Al2O3和CaO等组分，具备作为地聚合物原材料的基本条件。但废弃混凝土粉体活性低，形成的地聚合物性能往往不尽人意。目前研究多采用适当的物理或化学改性方法来提高硅铝质废弃物的反应活性，以获得性能优良的地聚合物。Saeed Ahmari等1使用低钙粉煤灰与废弃混凝土粉体地聚合物改性试验研究张久洪1，张 杰2，张 悦2（1南京市航道事业发展中心，江苏南京210000；2东南大学交通学院，江苏南京211189）摘要为了解决废弃混凝土粉体在地聚合物反应过程中活性低的问题，采用粉煤灰和高炉矿渣作为改性材料，研究粉煤灰与高炉矿渣复掺掺量对废弃混凝土粉体地聚合物工作性及力学特性影响规律。试验结果表明，随着复掺掺量增加，地聚合物凝结时间大幅缩短，地聚合物流动度得到较大改善，且掺量为40%时的流动度最大。粉煤灰与高炉矿渣的复掺方式，不仅极大提升废弃混凝土粉体地聚合物早期强度，还能促进其后期强度的发展。关键词地聚合物；废弃混凝土粉体；凝结时间；流动度；抗压强度中图分类号 TU502文献标志码 A文章编号1005-6270（2022）06-0110-04Experimental Study on Modification of Geopolymer Based on Waste Concrete PowderZHANG Jiu-hong1ZHANG Jie2ZAHNG Yue2(1.Nanjing Waterway Development Center,Nanjing Jiangsu 210000 China；2.School of Transportation,Southeast University,Nanjing Jiangsu 210096 China）Abstract：In order to solve the problem of low activity of waste concrete powder in geopolymer reaction,fly ashand blast furnace slag were used as modified materials to study the influence of the content of fly ash and blastfurnace slag on the workability and mechanical properties of geopolymer based on waste concrete powder.Theexperimental results show that the setting time of geopolymer is greatly shortened and the fluidity ofgeopolymer is greatly improved with the increase of compound content,and the fluidity is the largest when thecontent is 40%.The combination of fly ash and blast furnace slag not only greatly improves the early strengthof geopolymer based on waste concrete powder,but also promotes the development of its later strength.Key words：geopolymer；waste concrete powder；setting time；fluidity；compressive strength收稿日期2022-08-09作者简介张久洪，男（1967-），南京市航道事业发展中心，高级工程师，从事交通工程建设及管理工作。基金项目：2019年南京市交通科技项目。110江苏建筑2022年第6期（总第225期）废弃混凝土粉体制备地聚合物，结果表明通过调整废弃混凝土粉体和粉煤灰的比例，可以获得较高强度的地聚合物。由于粉煤灰在常温养护条件下早期强度发展缓慢，人们大多通过将粉煤灰与矿渣、偏高岭土、水泥等富含活性钙组分材料混合制备无需高温养护的地聚合物2-5，但改性材料与废弃混凝土粉体之间的量化关系及改性材料对废弃混凝土粉体地聚合物性能的影响规律还尚不明确。综上所述，尽管目前人们针对地聚合物进行了大量的研究，但由于原材料成分波动较大及养护条件不同，使得制备的地聚合物性能有较大差异。废弃混凝土粉体中的硅铝质在常温下的反应活性较低，需要进行改性处理以提高反应活性。因此，文章基于上述问题，采用粉煤灰和高炉矿渣作为改性材料，研究其掺量对废弃混凝土粉体地聚合物工作性及力学特性的影响规律。1试验材料及试验方案1.1试验材料试验所用废弃混凝土粉体(以下称RCF)取自于312国道南京段龙华立交至张店枢纽段扩建工程。粉煤灰(以下称FA）购买于河南郑州汇丰新材料公司，外观呈浅灰色，需水量比为95%，烧失量为1.9%。高炉矿渣(以下称GGBS）购买于河南郑州汇丰新材料公司，图1为通过S350激光粒度仪测得3种固体粉料的粒径分布曲线，3种固体粉料的主要化学成分及质量分数见表1。试验采用的水玻璃与氢氧化钠固体均由浙江嘉善优瑞耐材自营店购得，水玻璃为澄清透明的粘稠液体，产品参数：SiO2=27.3%，Na2O=8.54%，波美度38.5，模数M=3.3；氢氧化钠固体外观为白色片状，纯度为工业级（99%）。混合碱激发剂的配制为：称取一定质量的氢氧化钠固体，分多次加入一定质量的蒸馏水中，搅拌均匀，配置成浓度为14 mol/L的氢氧化钠溶液，再将水玻璃与氢氧化钠溶液按照一定的比例混合，配制成混合碱激发剂。1.2试验方案试验以RCF作为基础粉料，GGBS和FA作为改性粉料以复掺（GGBS+FA）的形式取代RCF，取代率分别为10%、20%、30%、40%与50%，GGBS与FA的质量比为11。试验中所使用的混合碱激发剂溶液中氢氧化钠溶液的浓度为14 mol/L，水玻璃与氢氧化钠溶液的质量比为1.5，混合碱激发剂溶液与固体粉料的质量比（液固比）为0.4，并在试验过程中保持不变。具体试验方案见表2。1.3试件制备及试验方法（1）试件制备根据表中地聚合物试验方案中的粉料配比称量出所需的固体粉料，先将其置于水泥砂浆搅拌器中干拌5 min，让不同粉料混合均匀，然后按照液固比0.4量取混合碱激发剂溶液并缓慢加入到固体粉料中，继续搅拌5 min。搅拌完成后，将混合均匀的地聚合物一部分浇注入20 mm20 mm20 mm的模具中，用以测试其抗压强度，其余用以测试凝结时间等指标。浇筑完成后将试样置于振动台上振动30 s以保证试样整体密实，随后在标准养护条件下（温度202，相对湿度95%）养护24 h后脱模，脱模后用密封袋密封后继续在标准养护条件下养护至一定龄期。（2）试验方法图1固体粉料的粒径分布曲线表1固体粉料的主要组成及质量分数原料SiO2Al2O3CaONa2OMgOK2ORCFFAGGBS44.6849.0728.313.3032.3814.028.723.4343.00.630.060.34.230.556.71.681.65-表2地聚合物的试验方案设计编号固体粉料/%氢氧化钠溶液浓度/molWG/NHL/SRCFGGBSFA12345908070605051015202551015202514141414141.51.51.51.51.50.40.40.40.40.4注：WG/NH表示水玻璃与NaOH溶液的质量比；L/S表示液固比。111江苏建筑2022年第6期（总第225期）图3GGBS+FA的掺量对地聚合物流动度的影响图2GGBS+FA的掺量对地聚合物凝结时间的影响凝结时间试验：新拌合的地聚合物的初凝时间与终凝时间试验参照水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法（GBT 13462011）中的凝结时间试验方法进行，采用维卡仪进行测定。流动度试验：新拌合的地聚合物的流动度试验参照混凝土外加剂匀质性试验方法（GB/T 80772012）中水泥净浆流动的试验方法进行。将50 cm50 cm50 cm的玻璃板放置在水平桌面上并擦拭干净，再将上口内径36 mm，下口内径60 mm，高60 mm的截锥圆模放在玻璃板的中央，向截锥试模内迅速注入新拌合的地聚合物并用刮刀刮平，最后将截锥试模垂直提起，任地聚合物在玻璃板上流动30 s。测量流淌部分相互垂直方向上的最大直径，取其平均值作为地聚合物的流动度。抗压强度试验：地聚合物的抗压强度试验采用CBR-2型承载比试验仪，加载面积20 mm20 mm，加载速率为1 mm/min。2试验结果及分析2.1凝结时间通过测试改性地聚合物的凝结时间，研究粉煤灰和矿渣的复掺掺量对废弃混凝土粉体地聚合物凝结时间的影响，试验结果见图2。由图2可知，随着复掺掺量的增加，地聚合物的初凝时间与终凝时间都在减小，在GGBS+FA掺量为0时，地聚合物初凝时间为195 min，终凝时间为300 min，初终凝时间相差105 min；但GGBS+FA掺量为50%时，地聚合物初凝时间为98 min，终凝时间为105 min，初终凝时间相差仅7 min。这是因为在高浓度的混合碱激发剂作用下，GGBS的Ca2+快速溶出导致短时间内生成大量的C-(A)-S-H。同时，Ca2+相较于Na+具有更强的静电引力与电中和作用，可以更快形成硅铝酸盐聚合体6。另外，Lee等7认为Ca2+的存在,会导致“成核效应”，在初始的地聚合反应过程中形成多相凝结核,这导致了凝胶迅速形成,从而胶凝材料的凝结时间缩短。RCF与GGBS中都含有大量的氧化钙，随着GGBS掺量的增多，溶出Ca2+浓度增大，所以不仅缩短了初、终凝时间，还缩短了二者之间的时间差。2.2流动度为研究粉煤灰与高炉矿渣的复掺掺量对废弃混凝土粉体地聚合物工作性的影响，测试不同GGBS+FA掺量下地聚合物的流动度，试验结果见图3。由图3可知，在复掺条件下，随着GGBS+FA掺量的增加，胶凝材料的流动度先大后小，但流动性总体相较于未掺时有很大的改善。具体表现为：当GGBS+FA掺量为10%时，地聚合物的流动度为14.1 cm，较掺量为0%时仅增大了0.7%；当GGBS+FA掺量为40%时，流动度为15.55 cm，较RCF组增大了11.1%；当GGBS+FA掺量为50%时，流动度为15.3 cm，增大了9.3%。这说明复合外掺的方式下存在提高地聚合物流动度的最优值。外掺粉料对地聚合物流动度的不同影响主要是由外掺粉料的物理性质、粉料之间发生化学反应的差异性决定的，具体原因包括：（1）由粉料级配曲线可知，GGBS颗粒较RCF小，比表面积更大，故GGBS吸水量较大，导致胶凝材料粘度变大；（2）GGBS的颗粒呈无规则菱角状，也不利于地聚合物的流动性，FA的颗粒呈球形状，有利于地聚合物的流动性；（3）FA反应活性差，前期反应速率极慢，而GGBS反应活性高，GGBS中的Ca2+快速溶出导致短时间内生成大量的C-(A)-S-H，降低了地聚合物的流