氧化物对无机矿物聚合物混凝土耐久性能的影响研究

苏 开 拓

（陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714099）

氧化物对无机矿物聚合物混凝土耐久性能的影响研究

苏 开 拓

（陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714099）

无机矿物聚合物作为以天然铝硅酸盐或工业固体废弃物为主要原料而合成的一种新型的节能材料，成为当前建筑行业研究的热点。以矿渣、粉煤灰、偏高岭土作为主要原材料，通过研究混凝土中不同CaO含量与 n(SiO2)/n(Al2O3)的摩尔比对混凝土试件力学性能及耐久性的影响。通过采用快速砂浆棒法、电导法等方法对混凝土试件进行抗压强度、氯离子渗透测试，并通过电子显微镜观察期微观结构，结果表明都要优于传统混凝土，表现出良好的抗压、耐腐蚀等性能。

氧化钙；无机矿物；摩尔比；抗压强度；抗腐蚀

建筑行业中水泥一直作为主要的污染原料，给我国环境、资源等带来巨大的压力[1]，因此，如何实现水泥产业的健康发展，实现水泥生产的“生态化”，成为当前水泥工业进程中面临的巨大难题。而无机矿物聚合物作为现代一种新的建筑材料，与传统的水泥生产相比，省去其中的烧结过程，从而减少二氧化碳和粉尘的排放[2]，提高了对工业固体废弃物的利用率，解决了电厂粉煤灰、钢铁废渣、电解铝赤泥等污染物的排放与再利用的问题，成为当前建筑领域具有广阔发展前景的材料。对此，本研究针对不同 CaO含量与 n(SiO2)/n(Al2O3)的摩尔比对无机矿物聚合物混凝土耐久性能的影响进行深入研究与探讨，以此为无机矿物聚合物混凝土的应用提供实验数据参考。

1 试验部分

无机矿物聚合物的制备通常以偏高岭土、粉煤灰、矿渣等作为主要原材料[3]，同时加入适量的碱性激发剂，如NaOH。各种原料的具体指标则如表1、表2和表3所示。

（1）偏高岭土

本研究中选取的偏高岭土来自我国内蒙清水河县，其主要指标如表1。

表1 偏高岭土主要技术指标Table 1 Main technical indicators of metakaolin %

（2）粉煤灰

粉煤灰作为制备实验用品的主要材料，本文则选取辽宁铁岭生产的I级煤灰，其主要指标如表2。

表2 粉煤灰主要化学成分及含量Table 2 Main chemical composition and content of fly ash %

（3）矿渣

本试验采用的矿渣则采用由南京柏阳化工有限公司生产的粒化高炉矿渣粉，通过实验室检验，符合试验要求的GB/T 18046-2000标准，其具体的化学成分如表3。

表3 试验用矿渣化学组成Table 3 Chemical composition of slag %

（4）碱性激发剂

在该试验中采用由NaOH和二氧化硅所组成低模数水玻璃（模数为1.2、1.4）[4]，从而更好的激发其中的硅铝矿物与溶液之间形成聚合物前驱物。其中NaOH为白色固体，固体含量高于96%；二氧化硅则采用长沙升阳化工生产，模数在3.1～3.4之间，Na2O含量不低于 8.3%，二氧化硅的含量不少于26%。

（5）其他

粗料集：碎石，粒径5～31.5 mm之间，连续级配；

细料集：玻璃体，用于制备胶砂试件；河砂，细度模数2.4。

2 试验方法

2.1 胶砂与混凝土抗压强度试验

分别制定标准的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和100 mm×100 mm×100 mm型号的试模，待通过搅拌机搅拌倒入试模，并将其放置24 h，脱模后将其放置在标准养护室，分别对胶砂试件与混凝土试件进行抗压强度测试。其中胶砂试件抗压测试分别取3次，误差不超过10%，具体则为以2 400 N±200 N/s速率均匀往胶砂加荷载，直到其被破坏；混凝土抗压测试同样为3次的平均值，当其中的最大值或最小值与中间值的差距大于15%，则将该中间值最为其抗压强度。具体计算公式则为：

式中：Rc— 抗压强度，MPa；

A — 承压面积，mm2；

Pc— 破坏荷载，N。

2.2 氯离子渗透试验

在本试验中采用清华大学研究者提出的电导率法，将测试的饱盐混凝土看成导电元件，并根据其电导率与CI-扩散系数存在一种线性关系，从而通过Nernst-Einstein 方程求解得到该CI-系数，其具体的计算公式为：

式中：Di— 粒子扩散系数，cm2/s;

R — 气体常数，8.314 J/mol·k;

T — 绝对温度，K；

σi— 偏导数，s/cm；

Zi— 粒子电荷数；

Ci— 氯离子浓度，mol/cm3;

F — 常数，96 500 C/mol。

2.3 SEM测试

通过采用SEM测试，从而微观观察其内部结构[5]。本研究中则将试验制备的无机矿物聚合物混凝土破碎，取出大小为0.5 cm的立方体芯部，在进行微观观察前，将其放置在150 ℃的温度下进行干燥4 h，同时对其表面喷金0.01～0.1 mm，使其具备良好的导电功能，最后将制备好的芯部立方体放入电子显微镜下进行观察。

3 CaO含量与 n(SiO2)/n(Al2O3)摩尔比对无机矿物混凝土耐久性影响

3.1 抗压强度测试

为更好的研究不同氧化钙含量对无机矿物聚合物耐久性能的硬性，在净浆试件的制备前进行大量实验，并以20%、15%、10% 3个不同氧化钙含量分组入手，在其中氧化钙含量一定的条件下，改变其中的 n(SiO2)/n(Al2O3)、n(NaO2)/n(Al2O3)和 n(H2O) / n(SiO2) 的值，从而确定实验原材料的组成比例。通过试验确定 n(SiO2)/n(Al2O3)的值在 2.7～4区间，n(NaO2)/n(Al2O3)比值在0.2～0.4区间，n(H2O)/n(SiO2)值则确定在2.2～3.3，水玻璃的模数则为1.4。

结合上述的数据制备水泥净浆试件，并统一对其在3、7和28 d进行抗压强度测试。

通过在20%、15%、10% 3种不同氧化钙含量分组下，可分别得到其在氧化钙确定时候，不同n(SiO2)/n(Al2O3)值下的无机矿物聚合物净浆试件抗压强度，具体则如图1-图3所示。

3.2 抗渗透性能分析

渗透性作为反映混凝土抗腐蚀的一个重要参数，是影响混凝土中钢筋腐蚀的一个重要因素[6]。因此，开展对其氯离子渗透性的测试实验，成为评价其耐久性的重要方式。本研究则采用电导法对其进行测试，实验的技术路线则采用如图4所示。

图1 20% CaO含量下不同n(SiO2)/n(Al2O3)值下的抗压强度Fig.1 Compressive strength of concrete sample with different /n (SiO2) n (Al2O3) under 20% CaO content

图2 15% CaO含量下不同n(SiO2)/n(Al2O3)值下的抗压强度Fig. 2 Compressive strength of concrete sample with different /n (SiO2) n (Al2O3) under 15% CaO content

图3 10% CaO含量下不同n(SiO2)/n(Al2O3)值下的抗压强度Fig.3 Compressive strength of concrete sample with different /n (SiO2) n (Al2O3) under 10% CaO content

通过不同氧化钙含量的情况下，得到如图5所示的通电量。

图5 不同氧化钙含量下的氯离子通电量（%）Fig. 5 The chlorine ion power consumption of different calcium oxide content（%）

3.3 SEM测试

同时为进一步观察其微观结构，选择不同氧化钙含量下其内部组织的结构，图6则为CaO含量为20%，在28 d时与传统混凝土进行的观察对比。

图6 传统混凝土与无机矿物混凝土内部结构Fig.6 The internal structure of conventional concrete and inorganic mineral concrete

4 结果分析

耐久性作为衡量混凝土质量好坏的指标，成为当前对混凝土评价的普遍方式。无机矿物聚合物混凝土作为一种新生态的材料，对其评价则选择抗压强度、氯离子渗透性和内部结构等进行了测试。通过图1-图3在不同CaO含量分组下的不同n(SiO2) /n(Al2O3)比可以发现，在试件制作的3 d、7 d时候，其抗压强度随着摩尔比的增大而逐步的减小，而在28 d时候，其抗压强度达到最大，并在氧化钙含量最大的时候，抗压强度为58.31。产生这种现象的主要原因在于在本实验制备的原料中，其主要为SiO2和Al2O3，上述两种物质很容易被水玻璃水解，从而产生具有活性的SiO2和NaOH，使得形成新的三维结构的硅酸盐，而其中[SiO4]单体的增加，使得其中形成胶凝材料聚合。

在通电量方面，随着氧化钙含量的增加，其通电量则变得越来越小，当其中的 CaO含量在达到20%的时候，其通电量最小，为3 400 C左右。导致该现象产生的原因在于氧化钙含量增高，使其产生的聚合反应增加，整体结构逐步趋于稳定，并使得内部空隙变小，以此使得其强度增加，氯离子的通电量也变得很小。同时该问题也可以通过图6对其进行的微观观察可以得到。

5 结 论

通过上述试验表明，在无机矿物聚合物制备的早期，随着氧化钙含量的增加，其抗压强度逐步减小，而当在28 d时候，其抗压强度则变大。同时当氧化钙含量为20%，n(SiO2)/n(Al2O3)比取值为4.0时，其抗压强度达到最大。因此，在对无机矿物聚合物进行制备的时候，氧化钙含量取值为 20%，n(SiO2)/n(Al2O3)比在4.0左右的时候，其耐久性能最好。但由于未对n(NaO2)/n(Al2O3)、n(H2O) /n(SiO2)纳入考虑范围，需要在接下来的试验中进一步确认该值，从而更好的做好原材料的配比。

［1］ 王晴,笪菁,张存宝. 氧化物组成对无机矿物聚合物混凝土钢筋锈蚀的影响[A]. 中国硅酸盐学会水泥分会.中国硅酸盐学会水泥分会第三届学术年会暨第十二届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文摘要集[C].中国硅酸盐学会水泥分会:,2011:1.

［2］马骁. 基于无机聚合物水泥的新型高性能轻骨料混凝土的制备与性能研究[D].长沙：中南大学,2012.

［3］胡克杰,李士伟. 无机聚合物胶凝材料调研及综合性能分析[J]. 广东建材,2014,05:18-20.

［4］王晴,张崇燕,丁兆洋,隋智通. 无机矿物聚合物混凝土收缩性能的研究[J]. 材料导报,2010,10:65-67+73.

［5］王晴,胡英泽,涂欣,丁兆洋. 氧化物组成对地聚合物混凝土抗冻性能的研究[J]. 商品混凝土,2010,10:34-36.

［6］邓小勇,李志刚,黄亚新,于正义,李聪. 聚合物超细粉体混凝土耐久性能实验分析[J]. 解放军理工大学学报(自然科学版),2014(06): 534-539.

Effect of Oxide on the Durability of Inorganic Mineral Polymer Concrete

SU Kai-tuo
（Shaanxi Railway Institute, Shaanxi Weinan 714099，China）

Geopolymer is a new energy-saving material prepared with natural aluminum silicate or industrial solid wastes as main raw material; it has become the focus of current research in the construction industry.In this paper, with slag, fly ash and metakaolin as main raw materials, geopolymer was prepared. Effect of CaO content and n (SiO2) / n (Al2O3) molar ratio on mechanical properties and durability of concrete sample was investigated. By using the accelerated mortar bar method and conductance method, compressive strength and chloride ion penetration of concrete sample were tested, and its microstructure was observed by electron microscopy. The results show that the concrete sample is better than traditional concrete, exhibits good compressive strength, corrosion resistance and other properties.

Calcium oxide; Mineral; Molar ratio; Compressive strength; Corrosion resistance

TQ 178

A

1671-0460（2015）08-1758-04

2015-07-20

苏开拓（1984-），男，陕西渭南人，助教，研究生，毕业于广东工业大学管理科学与工程专业，研究方向：管理科学与工程、物流管理、工程物资管理。E-mail：sukaituo12@126.com。