含活性SiO2材料改善菱镁混凝土性能的研究.pdf

中国矿业大学学报990 6 19 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH INA U NIVERSIT Y O F M INING T ECH NO LO G Y 1999年 第2 8 卷 第6 期 Vo l . 2 8 No . 6 1999 含活性Si O 2 材料改善菱镁混凝土性能的研究 姜利民 翁家杰 摘要 在菱镁混凝土中添加含活性Si O 2的材料，如粉煤灰和沸石粉，来提高制品的耐水性和强度. 运用正交试验分析手段，找出了添加材料对制品性能的影响程度. 试验证明粉煤灰的掺入对提高制品的 性能有显著作用，按此一定配比生产出了性能改进的菱镁混凝土矿用背板. 进一步分析表明，随粉煤灰 品质的改善，将能得到性能更加优异的菱镁混凝土制品. 关键词 菱镁混凝土，粉煤灰，沸石粉，正交试验，强度，耐水性 中图分类号 T U 52 8 Research on Properties of Magnesium Oxychloride Concrete with Active SiO2 Materials Jiang Limin Weng Jiajie College of Architecture and Civil Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract Materials containing active SiO2 such as fly ash and zeolite powder added to magnesium oxychloride concrete, can make its strength and water resistance much better. Orthogonal test analysis has been employed to find out the degree of influence of the materials containing active SiO2 on the magnesium oxychloide concrete. Experiments have shown that the properties of magnesium oxychloride concrete are remarkably enhanced by adding fly ash into it. According to this ula the mining back boards with improved properties are produced. Further analysis has indicated that with the enhancement of the fly ash quality, magnesium oxychloride concrete products with better properties can be produced. Key words magnesium oxychloride concrete, fly ash, zeolite powder, orthogonal test, strength, water- resistant 菱镁混凝土制品相对其它混凝土制品具有重量轻，强度高的优点，但其主要胶凝材料氯氧镁水泥 水化硬化后，具有耐水性差的缺点，这是气硬性胶凝材料本身的特性. 因此如要提高性能，只有从添加 材料来考虑. 很早人们就发现在常温下，M g O H 2也能与Si O2作用，尤其在蒸养条件下，M g O H 2与Si O2的亲和 力比Ca O 与Si O 2的亲和力更大. G L 卡罗赛克（G L K a l o u s c k ）等人曾对M g O H 2与Si O2在7 5～35 ℃的 水化热进行了研究，他们研究了以m M g O ∶m Si O 2 为0 . 5～2 的氧化镁和无水硅酸悬浮液. 试验表明在 该温度范围内m M g O ∶m Si O 2 比值越大，M g O 完全结合的时间越长［1］. 反应式为 M g O H 2 Si O2→M g Si O3 H2O . 因此从理论上说，Si O 2在M g O 的水化过程中与M g O H 2形成抗水性较强的M g Si O3胶凝结晶化合 物，可以提高制品的抗水性. 本次试验是探索在没有蒸养条件下制品的抗水性能情况. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 19. h t m （第 1／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 1 中国矿业大学学报990 6 19 1 含活性Si O 2材料的选用 自然界中含Si O 2的材料很多，但只有含活性Si O2的材料才可能与M g O H 2作用. 另外还要考虑材料 适合于工业生产，既要有合理的价格，还要有稳定的货源供应等. 因此本次试验选取粉煤灰和沸石粉. 1. 1 粉煤灰 粉煤灰作为混凝土的掺入材料已得到了广泛的应用. 粉煤灰不但含有Si O 2成分，而且还有相当一部 分具有活性. 粉煤灰可提供充足的Si O 2与氯氧镁水泥水化产物M g O H 2反应，加速它的水化速度，并形 成不溶于水的水化产物. 另外由于粉煤灰中有大量的玻璃体结构，在拌和物中起到滚珠轴承作用，所以又兼有增塑减水效 果，对提高制品的质量有好处. 1. 2 沸石粉 沸石粉是一种新开发的混凝土掺和料，是天然的沸石经磨细而成的粉状物，是一种特殊的火山灰 质材料. 其主要化学成分是Si O 2占6 5～7 3，A l2O3约占10 ～13，此外还有Fe2O3, Ca O 等, 也具有来源 广，价格低廉等特点. 2 试验方案 为确定含活性Si O 2材料对提高菱镁混凝土的强度和耐水性的作用及合适的掺量，通过设计一组正 交试验来确定. 在普通养护条件下，通过试验来确定活性添加材料的种类及合适掺量. 虽然根据前面的理 论有m M g O ∶m Si O 2 比值越大，则M g O 完全结合的时间愈长，反应速度愈慢，但不能得出m M g O ∶m Si O 2 比值越小，反应速度愈快. 据以往用粉煤灰来调节稠度的经验，本次试验选取添加剂掺量为氯 氧镁水泥即菱镁粉重量的10 和2 0 ，同时为进行对比分析，增加一组0 水平掺量，故构成三水平因素. 因素与水平列于表1中. 选取m M g O ∶m M g Cl 2 比值K 2 . 5，卤液的浓度为2 5Be ，集料木屑取（菱镁 粉 添加材料）的40 . 表1 因素水平 T a b l e 1 Fa c t o r a n d l e v e l 水平 因 素 A 粉煤灰掺量/ B 沸石粉掺量/ 1 0 0 21010 32 02 0 3 原材料及试验过程 3. 1 原材料 1 菱镁粉 试验用菱镁粉产自山东，呈淡黄色，相对密度为3. 2 0 ～3. 2 7 ，其物理化学性能见表2 . 表2 菱镁粉的物理化学性能 T a b l e 2 T h e m e c h a n i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f m a g n e s i u m p o w d e r w B/ 8 8 μm 含量 t 初凝/ m i n t终凝/ h2 0 ℃体积安定性 强度 2 0 ℃养护 / M Pa M g OCa O烧失物3 d 抗压2 4 h 抗折 7 9. 60 . 814. 562 16 26合格40 . 74. 35 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 19. h t m （第 2 ／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 1 中国矿业大学学报990 6 19 2 氯化镁 采用某盐场的副产品卤片来溶解而成的氯化镁溶液，杂质含量较高，经化验分析卤片 氯化镁的含量为51. 0 3. 3 粉煤灰 采用某电厂原状粉煤灰，粒度较粗，用0 . 0 8 m m 方孔筛筛余量为46 . 7 ，主要化学成分 为w Si O 2 45. 6 2 ，w A l2O3 30 . 33. 4 沸石粉 本次试验用沸石粉的主要化学成分为w Si O 2 59. 58 ，w A l2O3 8 . 6 7 . 5 集料 采用木屑（锯末），无霉烂、无变质，含泥量不大于5％. 考虑试验时间较长，含水率会有 变化，同时也为计算方便，试验前将木屑全部烘干，近似认为含水率为零. 3. 2 试验过程 根据试验方案的确定结果，采用L9（34）的正交表来进行试验的安排［2 ］. 考虑因素之间的交互作 用或误差估计，试验方案与试验结果见表3. 试验的目的是测得标准养护14 d 后材料的抗压强度f d ，以 及吸水饱和后的抗压强度f w，分析各种因素及水平的作用效果. 选用测试水泥胶砂强度的三联模. 实验 前，将试验方案中的每组配比按成型试件的用量分别计算. 每一拌的材料按重量计算出后，用天平称量 下料. 搅拌投料的顺序为先将木屑投入，在加入规定量的菱镁粉、粉煤灰、沸石粉，搅拌均匀后，在 注入卤液. 搅拌3 m i n ，将拌和料倒入试模进行加压振捣，所加压力为0 . 0 1 M Pa . 表3 L9（34）试验方案与极差计算结果 T a b l e 3 L9（34）t e s t p l a n a n d r e s u l t o f r a n g e c a l c u l a t i o n 试验号 因 素考核指标 A 粉煤灰 掺量/ B 沸石粉 掺量/ CD f d / M Paf w/ M Pa 11 0 1 0 1118 . 0 011. 52 212 10 229. 8 46 . 49 313 2 0 334. 402 . 94 42 10 12319. 6 012 . 15 5223115. 128 . 7 7 623127 . 2 04. 32 73 2 0 13219. 3011. 7 7 8321315. 2 010 . 6 4 933216 . 0 03. 42 总和 114. 6 67 2 . 0 2 抗 压 强 度 f d K 132 . 4456 . 9040 . 4039. 12 K 241. 9240 . 1635. 4436 . 34 K 340 . 5017 . 6 038 . 8 239. 2 0 R6 . 6 839. 304. 962 . 8 6 抗 压 强 度 f w K 12 0 . 9535. 442 6 . 482 3. 7 1 K 22 5. 2 42 5. 902 2 . 0 62 2 . 58 K 32 5. 8 310 . 6 82 3. 482 5. 7 3 R4. 8 82 4. 7 64. 423. 15 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 19. h t m （第 3／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 1 中国矿业大学学报990 6 19 4 测试结果及电镜分析 4. 1 测试结果分析 一天后拆模，在标准养护室内养护14 d 后取一组测量其抗压强度f d ，同时将另一组放入水中养护. 再过14 d 后测量在饱和水状态下的抗压强度f w，得试验结果及极差计算见表3，抗压强度方差分析见表 4. 表4 抗压强度f d , f w的方差分析 T a b l e 4 T h e v a r i a n c e a n a l y s i s o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 方差来源 平方和 自由度 均方F值 临界值 f d f w f d f w f d f w A SA 19SA 5 29. 51. 47 . 9*1. 1 F0 . 0 1 2 , 4 18 . 0 B SB 2 6 0SB 10 4 213052 . 010 8 . 3** 40 . 8 **F0 . 0 5 2 , 4 6 . 9 误差 Se 5Se 5 41. 21. 3 F0 . 1 2 , 4 4. 3 总和 ST 2 8 4ST 114 8 注“*”表示显著；“**”表示很显著. 通过上述分析，可得如下结论 1 直接从试验结果看，第4号试验在标准养护与水中养护的抗压强度均最高，强度的损失率为38 . 即粉煤灰掺加菱镁粉用量的10 ，而不掺加沸石粉. 2 沸石粉的掺入对强度有显著影响，不论是正常养护，还是水中养护. 掺量增大，强度降低. 3 粉煤灰的掺入对在标准养护条件下的材料强度有一定影响，掺量增大，强度提高. 但对在水中养 护后的材料强度影响较弱. 4 从本次试验看，为提高制品强度，粉煤灰可掺入2 0 ，而不能掺加沸石粉. 5 本次试验的误差为 4．2 电镜分析 为进一步了解掺入粉煤灰后，内部组织结构具体有什么变化，本次试验又选取了没有掺入任何改 性材料的1号配比和掺入了2 0 粉煤灰的7 号配比进行电镜照片分析，见图1. 从照片中可见优化前形成的 氯氧镁晶体尺寸偏大，而且有材质疏松的感觉. 未反应的氧化镁颗粒居多，照片中的大裂纹为木质纤维 留下的痕迹. 在优化后的电镜照片中除去因原状粉煤灰中粗大的碳粒及漂珠等形成的大体积的颗粒外， 可以看到其余部分的氯氧镁晶体颗粒尺寸减小，结构紧密，宏观就表现为抗压强度提高，抗水能力增 强. 优化前 优化后 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 19. h t m （第 4／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 1 中国矿业大学学报990 6 19 图1 优化前后电镜照片 Fi g . 1 T h e m i c r o g r a p h b e f o r e a n d a f t e r o p t i m i z a t i o n 5 工业试验 根据理论及实验研究得出的优化配比，在某矿综合厂进行了工业生产试验，生产矿用背板. 试验选 用了3个配比. 1号配比是该厂原生产配比；2 号配比是实验室优化配比；3号是根据4. 1中的结论3），将粉 煤灰的掺入量提高到30 . 同时成型标准试件和背板. 菱镁混凝土背板的尺寸为50 m m 16 0 m m 1 0 0 0 m m ，内配3根竹筋，机械振捣成型. 标准试 件在养护2 8 d 后测试结果见表5. 表5 标准试件及背板测试结果 T a b l e 5 T h e r e s u l t o f t e s t s p e c i m e n s a n d m i n i n g b a c k b o a r d 编号 含水率/ 抗折强度/ M Pa 抗压强度/ M Pa 软化系数 背板抗折 强度/ M Pa 113. 64. 3 8 . 70 . 5614. 2 213. 24. 910 . 40 . 7 217 . 3 310 . 25. 410 . 20 . 7 016 . 0 6 今后的研究方向 1 为提高制品强度和利用粉煤灰，可尝试进一步提高粉煤灰的掺入量及品质 如磨细粉煤灰），有 待今后试验验证. 2 在本次试验看来，普通养护对提高制品的耐水性能有所提高，但没有达到预期的效果. 今后试验 可考虑采用蒸汽养护来提高材料的软化系数，有待进一步研究证实. 3 尝试选用一种适合于菱镁混凝土的减水剂. 减少拌制时的用水量，预期可提高制口的强度和耐水 性. 作者简介姜利民，男，196 4年生，工学硕士，讲师 作者单位姜利民 翁家杰 中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 袁润章. 胶凝材料学. 武昌 武汉工业大学出版社，198 9. 58 2 蔡正咏，王足献. 正交设计在混凝土中的应用. 北京中国建筑工业出版社，198 5. 7 0 ～7 5 收稿日期1999－0 6 －2 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 19. h t m （第 5／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 1